> Atmosfer bumi

Keterangan atmosfer bumi untuk anak-anak dari segala usia: udara terdiri dari apa, keberadaan gas, lapisan foto, iklim dan cuaca dari planet ketiga di tata surya.

Untuk si kecil Sudah diketahui bahwa Bumi adalah satu-satunya planet di sistem kita yang memiliki atmosfer yang layak. Selimut gas tidak hanya kaya akan udara, tetapi juga melindungi kita dari panas yang berlebihan dan radiasi matahari. Penting jelaskan kepada anak-anak bahwa sistem ini dirancang dengan sangat baik, karena memungkinkan permukaan memanas di siang hari dan menjadi dingin di malam hari, sambil mempertahankan keseimbangan yang dapat diterima.

Memulai penjelasan untuk anak-anak Hal ini dimungkinkan dari kenyataan bahwa bola atmosfer bumi memanjang lebih dari 480 km, tetapi sebagian besar terletak 16 km dari permukaan. Semakin tinggi ketinggiannya, semakin rendah tekanannya. Jika kita mengambil permukaan laut, maka di sana tekanannya adalah 1 kg per sentimeter persegi. Tetapi pada ketinggian 3 km, itu akan berubah - 0,7 kg per sentimeter persegi. Tentu saja, dalam kondisi seperti itu lebih sulit untuk bernafas ( anak-anak bisa merasakannya jika Anda pernah pergi hiking di pegunungan).

Komposisi udara bumi - penjelasan untuk anak-anak

Gas termasuk:

• Nitrogen - 78%.
• Oksigen - 21%.
• Argon - 0,93%.
• Karbon dioksida - 0,038%.
• Dalam jumlah kecil juga terdapat uap air dan pengotor gas lainnya.

Lapisan atmosfer Bumi - penjelasan untuk anak-anak

Orang tua atau guru di sekolah Perlu diingatkan bahwa atmosfer bumi terbagi menjadi 5 tingkatan: eksosfer, termosfer, mesosfer, stratosfer dan troposfer. Dengan setiap lapisan, atmosfer semakin larut, sampai gas akhirnya menyebar ke luar angkasa.

Troposfer paling dekat dengan permukaan. Dengan ketebalan 7-20 km, membentuk setengah dari atmosfer bumi. Semakin dekat ke Bumi, semakin banyak udara yang memanas. Hampir semua uap air dan debu terkumpul di sini. Anak-anak mungkin tidak terkejut bahwa pada tingkat inilah awan mengapung.

Stratosfer dimulai dari troposfer dan naik 50 km di atas permukaan. Ada banyak ozon di sini, yang memanaskan atmosfer dan menyelamatkan dari radiasi matahari yang berbahaya. Udara 1000 kali lebih tipis dari di atas permukaan laut dan sangat kering. Itulah mengapa pesawat terasa nyaman di sini.

Mesosfer: 50 km hingga 85 km di atas permukaan. Puncaknya disebut mesopause dan merupakan tempat terdingin di atmosfer bumi (-90°C). Sangat sulit untuk dijelajahi karena pesawat jet tidak bisa sampai ke sana, dan ketinggian orbit satelit terlalu tinggi. Para ilmuwan hanya tahu bahwa di sinilah meteor terbakar.

Termosfer: 90 km dan antara 500-1000 km. Suhu mencapai 1500 °C. Itu dianggap sebagai bagian dari atmosfer bumi, tetapi itu penting jelaskan kepada anak-anak bahwa kepadatan udara di sini sangat rendah sehingga sebagian besar sudah dianggap sebagai luar angkasa. Faktanya, di sinilah pesawat ulang-alik dan Stasiun Luar Angkasa Internasional berada. Selain itu, aurora terbentuk di sini. Partikel kosmik bermuatan bersentuhan dengan atom dan molekul termosfer, memindahkannya ke tingkat energi yang lebih tinggi. Karena itu, kita melihat foton cahaya ini dalam bentuk aurora.

Eksosfer adalah lapisan tertinggi. Garis yang sangat tipis dari penggabungan atmosfer dengan ruang angkasa. Terdiri dari partikel hidrogen dan helium yang tersebar luas.

Iklim dan cuaca Bumi - penjelasan untuk anak-anak

Untuk si kecil membutuhkan menjelaskan bahwa Bumi berhasil mendukung banyak spesies hidup karena iklim regional, yang ditandai dengan dingin ekstrem di kutub dan panas tropis di khatulistiwa. Anak-anak Perlu diketahui bahwa iklim regional adalah cuaca yang pada suatu wilayah tertentu tetap tidak berubah selama 30 tahun. Tentu saja, kadang-kadang bisa berubah selama beberapa jam, tetapi sebagian besar tetap stabil.

Selain itu, iklim terestrial global juga dibedakan - rata-rata regional. Itu telah berubah sepanjang sejarah manusia. Hari ini terjadi pemanasan yang cepat. Para ilmuwan membunyikan alarm saat gas rumah kaca yang disebabkan manusia memerangkap panas di atmosfer, berisiko mengubah planet kita menjadi Venus.

Komposisi bumi. Udara

Udara adalah campuran mekanis dari berbagai gas yang membentuk atmosfer bumi. Udara sangat penting untuk respirasi organisme hidup dan banyak digunakan dalam industri.

Fakta bahwa udara adalah campuran, dan bukan zat homogen, dibuktikan selama eksperimen ilmuwan Skotlandia Joseph Black. Selama salah satu dari mereka, ilmuwan menemukan bahwa ketika magnesium putih (magnesium karbonat) dipanaskan, "udara terikat", yaitu karbon dioksida, dilepaskan, dan magnesium yang terbakar (magnesium oksida) terbentuk. Sebaliknya, ketika batu kapur ditembakkan, "udara terikat" dihilangkan. Berdasarkan percobaan ini, ilmuwan menyimpulkan bahwa perbedaan antara alkali karbonat dan kaustik adalah bahwa yang pertama mengandung karbon dioksida, yang merupakan salah satu komponen udara. Hari ini kita tahu bahwa selain karbon dioksida, komposisi udara bumi meliputi:

Rasio gas di atmosfer bumi yang ditunjukkan dalam tabel adalah tipikal untuk lapisan bawahnya, hingga ketinggian 120 km. Di daerah-daerah ini terletak wilayah yang tercampur dengan baik dan homogen, yang disebut homosfer. Di atas homosfer terletak heterosfer, yang dicirikan oleh dekomposisi molekul gas menjadi atom dan ion. Daerah dipisahkan satu sama lain oleh turbopause.

Reaksi kimia di mana, di bawah pengaruh radiasi matahari dan kosmik, molekul terurai menjadi atom, disebut fotodisosiasi. Selama peluruhan oksigen molekuler, oksigen atom terbentuk, yang merupakan gas utama atmosfer pada ketinggian di atas 200 km. Pada ketinggian di atas 1200 km, hidrogen dan helium, yang merupakan gas paling ringan, mulai mendominasi.

Karena sebagian besar udara terkonsentrasi di 3 lapisan atmosfer yang lebih rendah, perubahan komposisi udara pada ketinggian di atas 100 km tidak memiliki efek nyata pada komposisi atmosfer secara keseluruhan.

Nitrogen adalah gas yang paling umum, terhitung lebih dari tiga perempat volume udara bumi. Nitrogen modern terbentuk ketika atmosfer amonia-hidrogen awal dioksidasi oleh oksigen molekuler, yang terbentuk selama fotosintesis. Saat ini, sejumlah kecil nitrogen memasuki atmosfer sebagai hasil denitrifikasi - proses reduksi nitrat menjadi nitrit, diikuti oleh pembentukan gas oksida dan nitrogen molekuler, yang diproduksi oleh prokariota anaerob. Beberapa nitrogen memasuki atmosfer selama letusan gunung berapi.

Di atmosfer atas, ketika terkena pelepasan listrik dengan partisipasi ozon, molekul nitrogen dioksidasi menjadi nitrogen monoksida:

N 2 + O 2 → 2NO

Dalam kondisi normal, monoksida segera bereaksi dengan oksigen untuk membentuk oksida nitrat:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Nitrogen adalah unsur kimia terpenting di atmosfer bumi. Nitrogen adalah bagian dari protein, menyediakan nutrisi mineral untuk tanaman. Ini menentukan laju reaksi biokimia, memainkan peran sebagai pengencer oksigen.

Oksigen adalah gas paling melimpah kedua di atmosfer bumi. Pembentukan gas ini terkait dengan aktivitas fotosintesis tanaman dan bakteri. Dan semakin beragam dan banyak organisme fotosintesis, semakin signifikan proses kandungan oksigen di atmosfer. Sejumlah kecil oksigen berat dilepaskan selama degassing mantel.

Di lapisan atas troposfer dan stratosfer, di bawah pengaruh radiasi matahari ultraviolet (kami menyatakannya sebagai hν), ozon terbentuk:

O 2 + hν → 2O

Sebagai hasil dari aksi radiasi ultraviolet yang sama, ozon meluruh:

O 3 + hν → O 2 + O

O 3 + O → 2O 2

Sebagai hasil dari reaksi pertama, oksigen atom terbentuk, sebagai hasil dari oksigen molekuler kedua. Semua 4 reaksi disebut mekanisme Chapman, setelah ilmuwan Inggris Sidney Chapman yang menemukannya pada tahun 1930.

Oksigen digunakan untuk respirasi makhluk hidup. Dengan bantuannya, proses oksidasi dan pembakaran terjadi.

Ozon berfungsi untuk melindungi organisme hidup dari radiasi ultraviolet, yang menyebabkan mutasi ireversibel. Konsentrasi ozon tertinggi diamati di stratosfer bawah dalam apa yang disebut. lapisan ozon atau lapisan ozon terletak pada ketinggian 22-25 km. Kandungan ozonnya kecil: pada tekanan normal, semua ozon di atmosfer bumi hanya akan menempati lapisan setebal 2,91 mm.

Pembentukan gas paling umum ketiga di atmosfer, argon, serta neon, helium, kripton, dan xenon, dikaitkan dengan letusan gunung berapi dan peluruhan unsur radioaktif.

Secara khusus, helium adalah produk peluruhan radioaktif uranium, torium dan radium: 238 U → 234 Th + , 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + (dalam reaksi ini, - partikel adalah inti helium, yang dalam proses kehilangan energi menangkap elektron dan menjadi 4 He).

Argon terbentuk selama peluruhan isotop radioaktif kalium: 40 K → 40 Ar + .

Neon lolos dari batuan beku.

Kripton terbentuk sebagai produk akhir peluruhan uranium (235 U dan 238 U) dan thorium Th.

Sebagian besar kripton atmosfer terbentuk pada tahap awal evolusi Bumi sebagai akibat dari peluruhan elemen transuranium dengan waktu paruh yang sangat pendek atau berasal dari luar angkasa, kandungan kripton di dalamnya sepuluh juta kali lebih tinggi daripada di Bumi. .

Xenon adalah hasil fisi uranium, tetapi sebagian besar gas ini tersisa dari tahap awal pembentukan Bumi, dari atmosfer utama.

Karbon dioksida memasuki atmosfer sebagai akibat dari letusan gunung berapi dan dalam proses dekomposisi bahan organik. Kandungannya di atmosfer garis lintang tengah Bumi sangat bervariasi tergantung pada musim dalam setahun: di musim dingin, jumlah CO 2 meningkat, dan di musim panas berkurang. Fluktuasi ini berhubungan dengan aktivitas tumbuhan yang menggunakan karbon dioksida dalam proses fotosintesis.

Hidrogen terbentuk sebagai hasil penguraian air oleh radiasi matahari. Tetapi, sebagai gas paling ringan yang membentuk atmosfer, ia terus-menerus keluar ke luar angkasa, dan oleh karena itu kandungannya di atmosfer sangat kecil.

Uap air merupakan hasil penguapan air dari permukaan danau, sungai, laut dan daratan.

Konsentrasi gas utama di lapisan bawah atmosfer, dengan pengecualian uap air dan karbon dioksida, adalah konstan. Dalam jumlah kecil, atmosfer mengandung sulfur oksida SO 2, amonia NH 3, karbon monoksida CO, ozon O 3, hidrogen klorida HCl, hidrogen fluorida HF, nitrogen monoksida NO, hidrokarbon, uap merkuri Hg, yodium I 2 dan banyak lainnya. Di lapisan atmosfer bawah troposfer, selalu ada sejumlah besar partikel padat dan cair tersuspensi.

Sumber materi partikulat di atmosfer bumi adalah letusan gunung berapi, serbuk sari tanaman, mikroorganisme, dan, baru-baru ini, aktivitas manusia seperti pembakaran bahan bakar fosil dalam proses manufaktur. Partikel debu terkecil yang merupakan inti kondensasi merupakan penyebab terbentuknya kabut dan awan. Tanpa partikel padat yang terus-menerus hadir di atmosfer, curah hujan tidak akan jatuh di Bumi.

STRUKTUR SUASANA

Suasana(dari bahasa Yunani lainnya - uap dan - bola) - cangkang gas (geosfer) yang mengelilingi planet Bumi. Permukaan dalamnya menutupi hidrosfer dan sebagian kerak bumi, sedangkan permukaan luarnya berbatasan dengan bagian luar angkasa yang dekat dengan Bumi.

Properti fisik

Ketebalan atmosfer sekitar 120 km dari permukaan bumi. Massa total udara di atmosfer adalah (5.1-5.3) 10 18 kg. Dari jumlah tersebut, massa udara kering adalah (5,1352 ± 0,0003) 10 18 kg, total massa uap air rata-rata 1,27 10 16 kg.

Massa molar udara kering bersih adalah 28,966 g/mol, kerapatan udara di dekat permukaan laut kira-kira 1,2 kg/m 3 . Tekanan pada 0 °C di permukaan laut adalah 101,325 kPa; suhu kritis - -140,7 ° C; tekanan kritis - 3,7 MPa; C p pada 0 °C - 1,0048 10 3 J/(kg K), C v - 0,7159 10 3 J/(kg K) (pada 0 °C). Kelarutan udara dalam air (berdasarkan massa) pada 0 ° C - 0,0036%, pada 25 ° C - 0,0023%.

Untuk “kondisi normal” di permukaan bumi diambil : densitas 1,2 kg/m 3, tekanan barometrik 101,35 kPa, temperatur ditambah 20°C dan kelembaban relatif 50%. Indikator bersyarat ini memiliki nilai rekayasa murni.

Struktur atmosfer

Atmosfer memiliki struktur berlapis. Lapisan-lapisan atmosfer berbeda satu sama lain dalam suhu udara, kepadatannya, jumlah uap air di udara dan sifat-sifat lainnya.

Troposfer(Yunani kuno - "belok", "ubah" dan - "bola") - lapisan atmosfer yang lebih rendah dan paling banyak dipelajari, setinggi 8-10 km di daerah kutub, hingga 10-12 km di garis lintang sedang, di khatulistiwa - 16-18 km.

Saat naik di troposfer, suhu turun rata-rata 0,65 K setiap 100 m dan mencapai 180-220 K di bagian atas. Lapisan atas troposfer ini, di mana penurunan suhu dengan ketinggian berhenti, disebut tropopause. Lapisan atmosfer berikutnya di atas troposfer disebut stratosfer.

Lebih dari 80% dari total massa udara atmosfer terkonsentrasi di troposfer, turbulensi dan konveksi sangat berkembang, bagian utama dari uap air terkonsentrasi, awan muncul, front atmosfer juga terbentuk, siklon dan antisiklon berkembang, serta lainnya proses yang menentukan cuaca dan iklim. Proses yang terjadi di troposfer terutama disebabkan oleh konveksi.

Bagian dari troposfer di mana gletser dapat terbentuk di permukaan bumi disebut chionosphere.

tropopause(dari bahasa Yunani - putar, ubah, dan - hentikan, hentikan) - lapisan atmosfer tempat penurunan suhu dengan ketinggian berhenti; lapisan transisi dari troposfer ke stratosfer. Di atmosfer bumi, tropopause terletak pada ketinggian 8-12 km (di atas permukaan laut) di daerah kutub dan hingga 16-18 km di atas khatulistiwa. Ketinggian tropopause juga tergantung pada waktu tahun (tropopause lebih tinggi di musim panas daripada di musim dingin) dan aktivitas siklon (lebih rendah di siklon dan lebih tinggi di antisiklon)

Ketebalan tropopause berkisar dari beberapa ratus meter hingga 2-3 kilometer. Di daerah subtropis, ruptur tropopause diamati karena aliran jet yang kuat. Tropopause di daerah tertentu sering hancur dan terbentuk kembali.

Stratosfir(dari stratum Latin - lantai, lapisan) - lapisan atmosfer, terletak di ketinggian 11 hingga 50 km. Sedikit perubahan suhu pada lapisan 11-25 km (lapisan stratosfer bawah) dan peningkatannya pada lapisan 25-40 km dari 56,5 menjadi 0,8 °C (lapisan stratosfer atas atau wilayah inversi) adalah tipikal. Setelah mencapai nilai sekitar 273 K (hampir 0 °C) pada ketinggian sekitar 40 km, suhu tetap konstan hingga ketinggian sekitar 55 km. Daerah bersuhu konstan ini disebut stratopause dan merupakan batas antara stratosfer dan mesosfer. Kepadatan udara di stratosfer adalah puluhan dan ratusan kali lebih kecil daripada di permukaan laut.

Di stratosfer inilah lapisan ozonosfer ("lapisan ozon") berada (pada ketinggian 15-20 hingga 55-60 km), yang menentukan batas atas kehidupan di biosfer. Ozon (O 3 ) terbentuk sebagai hasil reaksi fotokimia yang paling intensif pada ketinggian ~30 km. Massa total O 3 pada tekanan normal akan menjadi lapisan setebal 1,7-4,0 mm, tetapi bahkan ini cukup untuk menyerap radiasi ultraviolet matahari yang berbahaya bagi kehidupan. Penghancuran O 3 terjadi ketika berinteraksi dengan radikal bebas, NO, senyawa yang mengandung halogen (termasuk "freon").

Sebagian besar bagian panjang gelombang pendek dari radiasi ultraviolet (180-200 nm) disimpan di stratosfer dan energi gelombang pendek diubah. Di bawah pengaruh sinar ini, medan magnet berubah, molekul pecah, ionisasi, pembentukan baru gas dan senyawa kimia lainnya terjadi. Proses ini dapat diamati dalam bentuk cahaya utara, kilat dan cahaya lainnya.

Di stratosfer dan lapisan yang lebih tinggi, di bawah pengaruh radiasi matahari, molekul gas terdisosiasi - menjadi atom (di atas 80 km, CO 2 dan H 2 terdisosiasi, di atas 150 km - O 2, di atas 300 km - N 2). Pada ketinggian 200-500 km, ionisasi gas juga terjadi di ionosfer; pada ketinggian 320 km, konsentrasi partikel bermuatan (O + 2, O - 2, N + 2) adalah ~ 1/300 dari konsentrasi partikel netral. Di lapisan atas atmosfer terdapat radikal bebas - OH, HO 2, dll.

Hampir tidak ada uap air di stratosfer.

Penerbangan ke stratosfer dimulai pada 1930-an. Penerbangan dengan balon stratosfer pertama (FNRS-1), yang dilakukan Auguste Picard dan Paul Kipfer pada 27 Mei 1931 ke ketinggian 16,2 km, sudah dikenal luas. Pesawat tempur modern dan pesawat komersial supersonik terbang di stratosfer pada ketinggian umumnya hingga 20 km (walaupun langit-langit dinamis bisa jauh lebih tinggi). Balon cuaca ketinggian tinggi naik hingga 40 km; rekor untuk balon tak berawak adalah 51,8 km.

Baru-baru ini, di kalangan militer Amerika Serikat, banyak perhatian diberikan pada perkembangan lapisan stratosfer di atas 20 km, yang sering disebut "pra-ruang" (Eng. « dekat luar angkasa» ). Diasumsikan bahwa kapal udara tak berawak dan pesawat bertenaga surya (seperti Pathfinder NASA) akan dapat bertahan di ketinggian sekitar 30 km untuk waktu yang lama dan memberikan pengamatan dan komunikasi untuk area yang sangat luas, sambil tetap rentan terhadap sistem pertahanan udara; perangkat semacam itu akan berkali-kali lebih murah daripada satelit.

Stratopause- lapisan atmosfer yang merupakan batas antara dua lapisan yaitu stratosfer dan mesosfer. Di stratosfer, suhu naik dengan ketinggian, dan stratopause adalah lapisan di mana suhu mencapai maksimum. Suhu stratopause adalah sekitar 0 °C.

Fenomena ini diamati tidak hanya di Bumi, tetapi juga di planet lain dengan atmosfer.

Di Bumi, stratopause terletak pada ketinggian 50 - 55 km di atas permukaan laut. Tekanan atmosfer sekitar 1/1000 dari tekanan di permukaan laut.

Mesosfer(dari bahasa Yunani - - "tengah" dan - "bola", "bola") - lapisan atmosfer pada ketinggian 40-50 hingga 80-90 km. Ini ditandai dengan peningkatan suhu dengan ketinggian; suhu maksimum (sekitar +50 °C) terletak di ketinggian sekitar 60 km, setelah itu suhu mulai turun hingga -70 ° atau -80 °C. Penurunan suhu seperti itu dikaitkan dengan penyerapan energi radiasi matahari (radiasi) oleh ozon. Istilah ini diadopsi oleh Serikat Geografis dan Geofisika pada tahun 1951.

Komposisi gas di mesosfer, serta lapisan atmosfer yang lebih rendah, adalah konstan dan mengandung sekitar 80% nitrogen dan 20% oksigen.

Mesosfer dipisahkan dari stratosfer di bawahnya oleh stratopause, dan dari termosfer di atasnya oleh mesopause. Mesopause pada dasarnya bertepatan dengan turbopause.

Meteor mulai bersinar dan, sebagai suatu peraturan, benar-benar terbakar di mesosfer.

Awan noctilucent mungkin muncul di mesosfer.

Untuk penerbangan, mesosfer adalah semacam "zona mati" - udara di sini terlalu jarang untuk mendukung pesawat terbang atau balon (pada ketinggian 50 km, kerapatan udara 1000 kali lebih sedikit daripada di permukaan laut), dan pada saat yang sama waktu terlalu padat untuk penerbangan buatan.satelit dalam orbit yang begitu rendah. Studi langsung mesosfer dilakukan terutama dengan bantuan roket meteorologi suborbital; secara umum, mesosfer telah dipelajari lebih buruk daripada lapisan atmosfer lainnya, sehubungan dengan itu para ilmuwan menyebutnya "ignorosphere".

mesopause

mesopause Lapisan atmosfer yang memisahkan mesosfer dan termosfer. Di Bumi, terletak di ketinggian 80-90 km di atas permukaan laut. Di mesopause, ada suhu minimum, yaitu sekitar -100 ° C. Di bawah (mulai dari ketinggian sekitar 50 km) suhu turun dengan ketinggian, lebih tinggi (sampai ketinggian sekitar 400 km) naik lagi. Mesopause bertepatan dengan batas bawah wilayah penyerapan aktif sinar-X dan radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang terpendek dari Matahari. Awan keperakan diamati pada ketinggian ini.

Mesopause tidak hanya ada di Bumi, tetapi juga di planet lain dengan atmosfer.

Garis Karman- ketinggian di atas permukaan laut, yang secara konvensional diterima sebagai batas antara atmosfer bumi dan ruang angkasa.

Seperti yang didefinisikan oleh Fédération Aéronautique Internationale (FAI), Garis Karman berada pada ketinggian 100 km di atas permukaan laut.

Tingginya dinamai Theodor von Karman, seorang ilmuwan Amerika asal Hongaria. Dia adalah orang pertama yang menentukan bahwa pada ketinggian ini atmosfer menjadi sangat langka sehingga aeronautika menjadi tidak mungkin, karena kecepatan pesawat, yang diperlukan untuk menciptakan daya angkat yang cukup, menjadi lebih besar daripada kecepatan kosmik pertama, dan oleh karena itu, untuk mencapai ketinggian yang lebih tinggi, perlu menggunakan sarana astronotika.

Atmosfer bumi terus melampaui garis Karman. Bagian luar atmosfer bumi, eksosfer, memanjang hingga ketinggian 10.000 km atau lebih, pada ketinggian tersebut atmosfer sebagian besar terdiri dari atom hidrogen yang dapat meninggalkan atmosfer.

Mencapai Karman Line adalah syarat pertama untuk Ansari X Prize, karena ini adalah dasar untuk mengakui penerbangan sebagai penerbangan luar angkasa.

SUASANA
selubung gas yang mengelilingi benda angkasa. Karakteristiknya tergantung pada ukuran, massa, suhu, kecepatan rotasi, dan komposisi kimia benda langit tertentu, dan juga ditentukan oleh sejarah pembentukannya sejak kelahirannya. Atmosfer bumi terdiri dari campuran gas yang disebut udara. Konstituen utamanya adalah nitrogen dan oksigen dengan perbandingan sekitar 4:1. Seseorang terutama dipengaruhi oleh keadaan atmosfer bagian bawah 15-25 km, karena di lapisan bawah inilah sebagian besar udara terkonsentrasi. Ilmu yang mempelajari atmosfer disebut meteorologi, meskipun subjek ilmu ini juga cuaca dan pengaruhnya terhadap manusia. Keadaan lapisan atas atmosfer, yang terletak pada ketinggian 60 hingga 300 dan bahkan 1000 km dari permukaan bumi, juga berubah. Angin kencang, badai berkembang di sini, dan fenomena listrik yang menakjubkan seperti aurora muncul. Banyak dari fenomena ini terkait dengan fluks radiasi matahari, radiasi kosmik, dan medan magnet bumi. Lapisan atmosfer yang tinggi juga merupakan laboratorium kimia, karena di sana, dalam kondisi yang hampir vakum, beberapa gas atmosfer, di bawah pengaruh aliran energi matahari yang kuat, masuk ke dalam reaksi kimia. Ilmu yang mempelajari fenomena dan proses yang saling terkait ini disebut fisika lapisan atmosfer yang tinggi.
KARAKTERISTIK UMUM SUASANA BUMI
Ukuran. Sampai roket dan satelit buatan yang terdengar menjelajahi lapisan luar atmosfer pada jarak beberapa kali lebih besar dari jari-jari Bumi, diyakini bahwa ketika Anda menjauh dari permukaan bumi, atmosfer secara bertahap menjadi lebih langka dan dengan mulus masuk ke ruang antarplanet. . Sekarang telah ditetapkan bahwa energi mengalir dari lapisan terdalam Matahari menembus ke luar angkasa jauh melampaui orbit Bumi, hingga batas luar Tata Surya. Ini disebut. Angin matahari mengalir di sekitar medan magnet bumi, membentuk "rongga" memanjang di mana atmosfer bumi terkonsentrasi. Medan magnet Bumi secara nyata menyempit di sisi siang hari menghadap Matahari dan membentuk lidah panjang, mungkin meluas di luar orbit Bulan, di sisi sebaliknya, sisi malam. Batas medan magnet bumi disebut magnetopause. Pada siang hari, batas ini melewati jarak sekitar tujuh jari-jari Bumi dari permukaan, tetapi selama periode peningkatan aktivitas matahari, batas ini bahkan lebih dekat ke permukaan bumi. Magnetopause pada saat yang sama adalah batas atmosfer bumi, yang kulit terluarnya juga disebut magnetosfer, karena mengandung partikel bermuatan (ion), yang pergerakannya disebabkan oleh medan magnet bumi. Berat total gas atmosfer kira-kira 4,5 * 1015 ton Jadi, "berat" atmosfer per satuan luas, atau tekanan atmosfer, kira-kira 11 ton / m2 di permukaan laut.
Signifikansi bagi kehidupan. Ini mengikuti dari atas bahwa Bumi dipisahkan dari ruang antarplanet oleh lapisan pelindung yang kuat. Luar angkasa diresapi dengan radiasi ultraviolet dan sinar-X yang kuat dari Matahari dan bahkan radiasi kosmik yang lebih keras, dan jenis radiasi ini merugikan semua makhluk hidup. Di tepi luar atmosfer, intensitas radiasi mematikan, tetapi sebagian besar disimpan oleh atmosfer jauh dari permukaan bumi. Penyerapan radiasi ini menjelaskan banyak sifat lapisan atmosfer yang tinggi, dan terutama fenomena listrik yang terjadi di sana. Lapisan atmosfer terendah, permukaan sangat penting bagi seseorang yang tinggal di titik kontak cangkang padat, cair, dan gas Bumi. Cangkang atas Bumi "padat" disebut litosfer. Sekitar 72% dari permukaan bumi ditutupi oleh perairan lautan, yang membentuk sebagian besar hidrosfer. Atmosfer berbatasan dengan litosfer dan hidrosfer. Manusia hidup di dasar lautan udara dan dekat atau di atas permukaan air laut. Interaksi lautan ini merupakan salah satu faktor penting yang menentukan keadaan atmosfer.
Menggabungkan. Lapisan bawah atmosfer terdiri dari campuran gas (lihat tabel). Selain yang tercantum dalam tabel, gas lain juga hadir dalam bentuk kotoran kecil di udara: ozon, metana, zat seperti karbon monoksida (CO), nitrogen dan oksida belerang, amonia.

KOMPOSISI SUASANA

Di lapisan atmosfer yang tinggi, komposisi udara berubah di bawah pengaruh radiasi keras dari Matahari, yang mengarah pada pemecahan molekul oksigen menjadi atom. Oksigen atom adalah komponen utama dari lapisan atmosfer yang tinggi. Akhirnya, di lapisan atmosfer yang paling jauh dari permukaan Bumi, gas paling ringan, hidrogen dan helium, menjadi komponen utama. Karena sebagian besar materi terkonsentrasi di bawah 30 km, perubahan komposisi udara pada ketinggian di atas 100 km tidak memiliki efek nyata pada komposisi atmosfer secara keseluruhan.
Pertukaran energi. Matahari merupakan sumber energi utama yang datang ke bumi. Berada pada jarak kira-kira. 150 juta km dari Matahari, Bumi menerima sekitar satu dua miliar energi yang dipancarkannya, terutama di bagian spektrum yang terlihat, yang disebut manusia sebagai "cahaya". Sebagian besar energi ini diserap oleh atmosfer dan litosfer. Bumi juga memancarkan energi, sebagian besar dalam bentuk radiasi infra merah jauh. Dengan demikian, keseimbangan terbentuk antara energi yang diterima dari Matahari, pemanasan Bumi dan atmosfer, dan aliran balik energi panas yang dipancarkan ke luar angkasa. Mekanisme keseimbangan ini sangat kompleks. Molekul debu dan gas menyebarkan cahaya, sebagian memantulkannya ke ruang dunia. Awan memantulkan lebih banyak radiasi yang masuk. Sebagian energi diserap langsung oleh molekul gas, tetapi sebagian besar oleh batuan, vegetasi, dan air permukaan. Uap air dan karbon dioksida yang ada di atmosfer mentransmisikan radiasi yang terlihat tetapi menyerap radiasi infra merah. Energi panas terakumulasi terutama di lapisan bawah atmosfer. Efek serupa terjadi di rumah kaca ketika kaca membiarkan cahaya masuk dan tanah memanas. Karena kaca relatif tidak tembus cahaya terhadap radiasi infra merah, panas terakumulasi di rumah kaca. Pemanasan atmosfer yang lebih rendah karena adanya uap air dan karbon dioksida sering disebut sebagai efek rumah kaca. Kekeruhan memainkan peran penting dalam konservasi panas di lapisan bawah atmosfer. Jika awan menghilang atau transparansi massa udara meningkat, suhu pasti akan menurun karena permukaan bumi secara bebas memancarkan energi panas ke ruang sekitarnya. Air di permukaan Bumi menyerap energi matahari dan menguap, berubah menjadi gas - uap air, yang membawa sejumlah besar energi ke atmosfer yang lebih rendah. Ketika uap air mengembun dan membentuk awan atau kabut, energi ini dilepaskan dalam bentuk panas. Sekitar setengah dari energi matahari yang mencapai permukaan bumi dihabiskan untuk penguapan air dan memasuki atmosfer yang lebih rendah. Jadi, karena efek rumah kaca dan penguapan air, atmosfer menghangat dari bawah. Ini sebagian menjelaskan aktivitas tinggi sirkulasinya dibandingkan dengan sirkulasi Samudra Dunia, yang memanas hanya dari atas dan karena itu jauh lebih stabil daripada atmosfer.
Lihat juga METEOROLOGI DAN KLIMATOLOGI. Selain pemanasan umum atmosfer oleh "cahaya" matahari, pemanasan signifikan dari beberapa lapisannya terjadi karena radiasi ultraviolet dan sinar-X dari Matahari. Struktur. Dibandingkan dengan cairan dan padatan, dalam zat gas, gaya tarik antar molekul minimal. Ketika jarak antar molekul meningkat, gas dapat mengembang tanpa batas jika tidak ada yang mencegahnya. Batas bawah atmosfer adalah permukaan bumi. Sebenarnya, penghalang ini tidak dapat ditembus, karena pertukaran gas terjadi antara udara dan air dan bahkan antara udara dan batu, tetapi dalam hal ini faktor-faktor ini dapat diabaikan. Karena atmosfer adalah cangkang bola, ia tidak memiliki batas samping, tetapi hanya batas bawah dan batas atas (luar) yang terbuka dari sisi ruang antarplanet. Melalui batas luar, beberapa gas netral bocor keluar, serta aliran materi dari luar angkasa sekitarnya. Sebagian besar partikel bermuatan, kecuali sinar kosmik berenergi tinggi, ditangkap oleh magnetosfer atau ditolak olehnya. Atmosfer juga dipengaruhi oleh gaya gravitasi, yang membuat cangkang udara tetap berada di permukaan Bumi. Gas atmosfer dikompresi oleh beratnya sendiri. Kompresi ini maksimum pada batas bawah atmosfer, dan oleh karena itu densitas udara adalah yang tertinggi di sini. Pada ketinggian berapa pun di atas permukaan bumi, derajat kompresi udara bergantung pada massa kolom udara di atasnya, sehingga kerapatan udara menurun seiring dengan ketinggian. Tekanan, sama dengan massa kolom udara di atasnya per satuan luas, secara langsung berhubungan dengan densitas dan, oleh karena itu, juga berkurang dengan ketinggian. Jika atmosfer adalah "gas ideal" dengan komposisi konstan yang tidak bergantung pada ketinggian, suhu konstan, dan gaya gravitasi konstan yang bekerja padanya, maka tekanan akan berkurang 10 kali lipat untuk setiap ketinggian 20 km. Atmosfer sebenarnya sedikit berbeda dari gas ideal hingga sekitar 100 km, dan kemudian tekanan menurun lebih lambat dengan ketinggian, karena komposisi udara berubah. Perubahan kecil dalam model yang dijelaskan juga diperkenalkan oleh penurunan gaya gravitasi dengan jarak dari pusat Bumi, sebesar kira-kira. 3% untuk setiap ketinggian 100 km. Tidak seperti tekanan atmosfer, suhu tidak menurun terus menerus dengan ketinggian. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. 1, menurun menjadi sekitar 10 km dan kemudian mulai naik lagi. Hal ini terjadi ketika oksigen menyerap radiasi ultraviolet matahari. Dalam hal ini, gas ozon terbentuk, yang molekulnya terdiri dari tiga atom oksigen (O3). Ia juga menyerap radiasi ultraviolet, dan oleh karena itu lapisan atmosfer ini, yang disebut ozonosfer, memanas. Lebih tinggi, suhu turun lagi, karena molekul gas jauh lebih sedikit, dan penyerapan energi juga berkurang. Bahkan di lapisan yang lebih tinggi, suhu naik lagi karena penyerapan ultraviolet dengan panjang gelombang terpendek dan radiasi sinar-X dari Matahari oleh atmosfer. Di bawah pengaruh radiasi yang kuat ini, atmosfer terionisasi, mis. Sebuah molekul gas kehilangan elektron dan memperoleh muatan listrik positif. Molekul tersebut menjadi ion bermuatan positif. Karena adanya elektron dan ion bebas, lapisan atmosfer ini memperoleh sifat-sifat konduktor listrik. Diyakini bahwa suhu terus naik ke ketinggian di mana atmosfer yang dijernihkan masuk ke ruang antarplanet. Pada jarak beberapa ribu kilometer dari permukaan Bumi, suhu dari 5000 ° hingga 10.000 ° C mungkin terjadi.Meskipun molekul dan atom memiliki kecepatan gerakan yang sangat tinggi, dan oleh karena itu suhu tinggi, gas yang dijernihkan ini tidak "panas" dalam arti biasa. . Karena jumlah molekul yang sedikit di ketinggian, total energi panasnya sangat kecil. Dengan demikian, atmosfer terdiri dari lapisan yang terpisah (yaitu serangkaian cangkang konsentris, atau bola), pemilihan yang tergantung pada properti mana yang paling menarik. Berdasarkan distribusi suhu rata-rata, ahli meteorologi telah mengembangkan skema untuk struktur "atmosfer tengah" yang ideal (lihat Gambar 1).

Troposfer - lapisan bawah atmosfer, meluas ke minimum termal pertama (yang disebut tropopause). Batas atas troposfer tergantung pada garis lintang geografis (di daerah tropis - 18-20 km, di garis lintang sedang - sekitar 10 km) dan waktu dalam setahun. Layanan Cuaca Nasional AS melakukan pengamatan di dekat Kutub Selatan dan mengungkapkan perubahan musiman pada ketinggian tropopause. Pada bulan Maret, tropopause berada pada ketinggian sekitar. 7,5 km. Dari bulan Maret hingga Agustus atau September terjadi pendinginan troposfer yang stabil, dan batasnya naik untuk waktu yang singkat pada bulan Agustus atau September hingga ketinggian sekitar 11,5 km. Kemudian dari September hingga Desember turun dengan cepat dan mencapai posisi terendah - 7,5 km, di mana tetap hingga Maret, berfluktuasi hanya dalam 0,5 km. Di troposfer itulah cuaca terutama terbentuk, yang menentukan kondisi keberadaan manusia. Sebagian besar uap air atmosfer terkonsentrasi di troposfer, dan oleh karena itu awan terutama terbentuk di sini, meskipun beberapa di antaranya, yang terdiri dari kristal es, juga ditemukan di lapisan yang lebih tinggi. Troposfer dicirikan oleh turbulensi dan arus udara (angin) dan badai yang kuat. Di troposfer atas, ada arus udara yang kuat dengan arah yang ditentukan secara ketat. Pusaran turbulen, seperti pusaran air kecil, terbentuk di bawah pengaruh gesekan dan interaksi dinamis antara massa udara yang bergerak lambat dan cepat. Karena biasanya tidak ada tutupan awan di lapisan tinggi ini, turbulensi ini disebut sebagai "turbulensi udara bersih".
Stratosfir. Lapisan atas atmosfer sering keliru digambarkan sebagai lapisan dengan suhu yang relatif konstan, di mana angin bertiup lebih atau kurang stabil dan di mana unsur-unsur meteorologi sedikit berbeda. Lapisan atas stratosfer memanas saat oksigen dan ozon menyerap radiasi ultraviolet matahari. Batas atas stratosfer (stratopause) ditarik di mana suhu naik sedikit, mencapai maksimum menengah, yang sering sebanding dengan suhu lapisan udara permukaan. Berdasarkan pengamatan yang dilakukan dengan pesawat terbang dan balon yang disesuaikan untuk terbang pada ketinggian yang konstan, gangguan turbulen dan angin kencang yang bertiup ke arah yang berbeda telah terjadi di stratosfer. Seperti di troposfer, pusaran udara yang kuat dicatat, yang sangat berbahaya bagi pesawat berkecepatan tinggi. Angin kencang, yang disebut aliran jet, bertiup di zona sempit di sepanjang perbatasan garis lintang sedang yang menghadap kutub. Namun, zona-zona tersebut dapat bergeser, menghilang dan muncul kembali. Aliran jet biasanya menembus tropopause dan muncul di troposfer atas, tetapi kecepatannya menurun dengan cepat dengan menurunnya ketinggian. Ada kemungkinan bahwa sebagian energi yang memasuki stratosfer (terutama dihabiskan untuk pembentukan ozon) mempengaruhi proses di troposfer. Pencampuran yang sangat aktif dikaitkan dengan front atmosfer, di mana aliran luas udara stratosfer tercatat secara signifikan di bawah tropopause, dan udara troposfer ditarik ke lapisan bawah stratosfer. Kemajuan signifikan telah dibuat dalam studi struktur vertikal lapisan bawah atmosfer sehubungan dengan peningkatan teknik peluncuran radiosonde ke ketinggian 25-30 km. Mesosfer, yang terletak di atas stratosfer, adalah cangkang di mana, hingga ketinggian 80-85 km, suhu turun ke minimum untuk atmosfer secara keseluruhan. Rekor suhu rendah hingga -110 ° C dicatat oleh roket meteorologi yang diluncurkan dari instalasi AS-Kanada di Fort Churchill (Kanada). Batas atas mesosfer (mesopause) kira-kira bertepatan dengan batas bawah wilayah penyerapan aktif sinar-X dan radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang terpendek dari Matahari, yang disertai dengan pemanasan dan ionisasi gas. Di daerah kutub di musim panas, sistem awan sering muncul di mesopause, yang menempati area yang luas, tetapi memiliki sedikit perkembangan vertikal. Awan seperti itu yang bersinar di malam hari sering kali memungkinkan untuk mendeteksi pergerakan udara bergelombang skala besar di mesosfer. Komposisi awan ini, sumber kelembaban dan inti kondensasi, dinamika dan hubungannya dengan faktor meteorologi masih kurang dipelajari. Termosfer adalah lapisan atmosfer yang suhunya terus meningkat. Tenaganya bisa mencapai 600 km. Tekanan dan, akibatnya, kerapatan gas terus berkurang dengan ketinggian. Di dekat permukaan bumi, 1 m3 udara mengandung kira-kira. 2.5x1025 molekul, pada ketinggian kira-kira. 100 km, di lapisan bawah termosfer - sekitar 1019, pada ketinggian 200 km, di ionosfer - 5 * 10 15 dan, menurut perhitungan, pada ketinggian sekitar. 850 km - sekitar 1012 molekul. Di ruang antarplanet, konsentrasi molekul adalah 10 8-10 9 per 1 m3. Pada ketinggian kira-kira. 100 km, jumlah molekulnya kecil, dan mereka jarang bertabrakan satu sama lain. Jarak rata-rata yang ditempuh oleh molekul yang bergerak secara kacau sebelum bertabrakan dengan molekul lain yang serupa disebut jalur bebas rata-rata. Lapisan di mana nilai ini meningkat sedemikian rupa sehingga kemungkinan tabrakan antarmolekul atau antaratom dapat diabaikan terletak di batas antara termosfer dan kulit di atasnya (eksosfer) dan disebut jeda termal. Thermopause terletak sekitar 650 km dari permukaan bumi. Pada suhu tertentu, kecepatan pergerakan molekul tergantung pada massanya: molekul yang lebih ringan bergerak lebih cepat daripada yang berat. Di atmosfer yang lebih rendah, di mana jalur bebasnya sangat pendek, tidak ada pemisahan gas yang nyata menurut berat molekulnya, tetapi dinyatakan di atas 100 km. Selain itu, di bawah pengaruh radiasi ultraviolet dan sinar-X dari Matahari, molekul oksigen terurai menjadi atom, yang massanya setengah dari massa molekul. Oleh karena itu, saat kita menjauh dari permukaan bumi, atom oksigen menjadi semakin penting dalam komposisi atmosfer dan pada ketinggian sekitar. 200 km menjadi komponen utamanya. Lebih tinggi, pada jarak sekitar 1200 km dari permukaan bumi, gas ringan - helium dan hidrogen - mendominasi. Mereka adalah lapisan luar atmosfer. Pemisahan berdasarkan berat ini, yang disebut pemisahan difus, menyerupai pemisahan campuran menggunakan sentrifus. Eksosfer adalah lapisan luar atmosfer, yang diisolasi berdasarkan perubahan suhu dan sifat-sifat gas netral. Molekul dan atom di eksosfer berputar mengelilingi Bumi dalam orbit balistik di bawah pengaruh gravitasi. Beberapa dari orbit ini berbentuk parabola dan mirip dengan lintasan proyektil. Molekul dapat berputar mengelilingi Bumi dan dalam orbit elips, seperti satelit. Beberapa molekul, terutama hidrogen dan helium, memiliki lintasan terbuka dan lepas ke luar angkasa (Gbr. 2).

HUBUNGAN SURYA-TERESTRIAL DAN PENGARUHNYA TERHADAP SUASANA
pasang surut atmosfer. Daya tarik Matahari dan Bulan menyebabkan terjadinya pasang surut di atmosfer, mirip dengan pasang surut darat dan laut. Tetapi pasang surut atmosfer memiliki perbedaan yang signifikan: atmosfer bereaksi paling kuat terhadap daya tarik Matahari, sedangkan kerak bumi dan lautan - terhadap daya tarik Bulan. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa atmosfer dipanaskan oleh Matahari dan, selain pasang surut gravitasi, timbul pasang surut termal yang kuat. Secara umum, mekanisme pembentukan pasang surut atmosfer dan laut serupa, kecuali bahwa untuk memprediksi reaksi udara terhadap efek gravitasi dan termal, perlu untuk memperhitungkan kompresibilitas dan distribusi suhunya. Tidak sepenuhnya jelas mengapa pasang surut matahari semidiurnal (12 jam) di atmosfer mendominasi di atas pasang surut matahari diurnal dan semidiurnal bulan, meskipun kekuatan pendorong dari dua proses terakhir jauh lebih kuat. Sebelumnya, diyakini bahwa resonansi terjadi di atmosfer, yang secara tepat memperkuat osilasi dengan periode 12 jam. Namun, pengamatan yang dilakukan dengan bantuan roket geofisika menunjukkan bahwa tidak ada alasan suhu untuk resonansi semacam itu. Dalam memecahkan masalah ini, seseorang mungkin harus memperhitungkan semua fitur hidrodinamik dan termal atmosfer. Di permukaan bumi dekat khatulistiwa, di mana pengaruh fluktuasi pasang surut maksimum, memberikan perubahan tekanan atmosfer sebesar 0,1%. Kecepatan angin pasang surut kira-kira. 0,3 km/jam. Karena struktur termal atmosfer yang kompleks (terutama adanya suhu minimum di mesopause), arus udara pasang surut diintensifkan, dan, misalnya, pada ketinggian 70 km kecepatannya sekitar 160 kali lebih tinggi daripada di bumi. permukaan, yang memiliki konsekuensi geofisika penting. Dipercaya bahwa di bagian bawah ionosfer (lapisan E) osilasi pasang surut memindahkan gas terionisasi secara vertikal di medan magnet bumi, dan oleh karena itu, arus listrik muncul di sini. Sistem arus yang muncul terus-menerus di permukaan bumi ini dibentuk oleh gangguan medan magnet. Variasi diurnal medan magnet sesuai dengan nilai yang dihitung, yang secara meyakinkan mendukung teori mekanisme pasang surut dari "dinamo atmosfer". Arus listrik yang timbul di bagian bawah ionosfer (lapisan E) harus bergerak ke suatu tempat, dan, oleh karena itu, sirkuit harus ditutup. Analogi dengan dinamo menjadi lengkap jika kita menganggap gerakan yang datang sebagai kerja mesin. Diasumsikan bahwa sirkulasi balik arus listrik dilakukan di lapisan ionosfer (F) yang lebih tinggi, dan aliran berlawanan ini dapat menjelaskan beberapa ciri khas lapisan ini. Akhirnya, efek pasang surut juga harus menghasilkan arus horizontal di lapisan E dan, akibatnya, di lapisan F.
Ionosfir. Mencoba menjelaskan mekanisme terjadinya aurora, ilmuwan abad ke-19. menyarankan bahwa di atmosfer ada zona dengan partikel bermuatan listrik. Pada abad ke-20 Bukti meyakinkan diperoleh secara eksperimental untuk keberadaan lapisan yang memantulkan gelombang radio pada ketinggian 85 hingga 400 km. Sekarang diketahui bahwa sifat listriknya adalah hasil dari ionisasi gas atmosfer. Oleh karena itu, lapisan ini biasa disebut ionosfer. Dampak pada gelombang radio terutama karena adanya elektron bebas di ionosfer, meskipun mekanisme propagasi gelombang radio dikaitkan dengan keberadaan ion besar. Yang terakhir ini juga menarik dalam studi tentang sifat kimia atmosfer, karena mereka lebih aktif daripada atom dan molekul netral. Reaksi kimia yang terjadi di ionosfer memainkan peran penting dalam keseimbangan energi dan listriknya.
ionosfer biasa. Pengamatan yang dilakukan dengan bantuan roket geofisika dan satelit telah memberikan banyak informasi baru, menunjukkan bahwa ionisasi atmosfer terjadi di bawah pengaruh radiasi matahari spektrum luas. Bagian utamanya (lebih dari 90%) terkonsentrasi di bagian spektrum yang terlihat. Radiasi ultraviolet dengan panjang gelombang lebih pendek dan lebih banyak energi daripada sinar violet dipancarkan oleh hidrogen bagian dalam atmosfer Matahari (kromosfer), dan radiasi sinar-X, yang memiliki energi lebih tinggi, dipancarkan oleh gas-gas Matahari. kulit luar (corona). Keadaan normal (rata-rata) ionosfer disebabkan oleh radiasi kuat yang konstan. Perubahan teratur terjadi di ionosfer normal di bawah pengaruh rotasi harian Bumi dan perbedaan musiman dalam sudut datangnya sinar matahari pada siang hari, tetapi perubahan keadaan ionosfer yang tidak terduga dan tiba-tiba juga terjadi.
Gangguan di ionosfer Seperti diketahui, gangguan siklus berulang yang kuat muncul di Matahari, yang mencapai maksimum setiap 11 tahun. Pengamatan di bawah program Tahun Geofisika Internasional (IGY) bertepatan dengan periode aktivitas matahari tertinggi untuk seluruh periode pengamatan meteorologi sistematis, yaitu. dari awal abad ke-18 Selama periode aktivitas tinggi, beberapa area di Matahari meningkat kecerahannya beberapa kali, dan mereka mengirimkan pulsa radiasi ultraviolet dan sinar-X yang kuat. Fenomena seperti itu disebut semburan matahari. Mereka berlangsung dari beberapa menit hingga satu atau dua jam. Selama suar, gas matahari (kebanyakan proton dan elektron) meletus, dan partikel elementer bergegas ke luar angkasa. Radiasi elektromagnetik dan sel-sel Matahari pada saat-saat semburan seperti itu memiliki efek yang kuat pada atmosfer Bumi. Reaksi awal diamati 8 menit setelah kilatan, ketika radiasi ultraviolet dan sinar-X yang intens mencapai Bumi. Akibatnya, ionisasi meningkat tajam; sinar-x menembus atmosfer hingga batas bawah ionosfer; jumlah elektron di lapisan ini meningkat sedemikian rupa sehingga sinyal radio hampir sepenuhnya diserap ("padam"). Penyerapan radiasi tambahan menyebabkan pemanasan gas, yang berkontribusi pada perkembangan angin. Gas terionisasi adalah konduktor listrik, dan ketika bergerak di medan magnet bumi, muncul efek dinamo dan arus listrik dihasilkan. Arus seperti itu, pada gilirannya, dapat menyebabkan gangguan medan magnet yang nyata dan memanifestasikan dirinya dalam bentuk badai magnet. Fase awal ini hanya memakan waktu singkat, sesuai dengan durasi jilatan api matahari. Selama flare yang kuat di Matahari, aliran partikel yang dipercepat mengalir ke luar angkasa. Ketika diarahkan ke Bumi, fase kedua dimulai, yang memiliki pengaruh besar pada keadaan atmosfer. Banyak fenomena alam, di antaranya aurora yang paling terkenal, menunjukkan bahwa sejumlah besar partikel bermuatan mencapai Bumi (lihat juga LAMPU POLAR). Namun demikian, proses pelepasan partikel-partikel ini dari Matahari, lintasannya di ruang antarplanet, dan mekanisme interaksi dengan medan magnet Bumi dan magnetosfer masih belum cukup dipelajari. Masalahnya menjadi lebih rumit setelah penemuan pada tahun 1958 oleh James Van Allen dari cangkang yang dipegang oleh medan geomagnetik, yang terdiri dari partikel bermuatan. Partikel-partikel ini bergerak dari satu belahan bumi ke belahan bumi lainnya, berputar dalam spiral di sekitar garis medan magnet. Di dekat Bumi, pada ketinggian tergantung pada bentuk garis gaya dan energi partikel, ada "titik refleksi", di mana partikel mengubah arah geraknya ke arah yang berlawanan (Gbr. 3). Karena kekuatan medan magnet berkurang dengan jarak dari Bumi, orbit di mana partikel-partikel ini bergerak agak terdistorsi: elektron menyimpang ke timur, dan proton ke barat. Oleh karena itu, mereka didistribusikan dalam bentuk sabuk di seluruh dunia.

Beberapa akibat dari pemanasan atmosfer oleh Matahari. Energi matahari mempengaruhi seluruh atmosfer. Kami telah menyebutkan sabuk yang dibentuk oleh partikel bermuatan di medan magnet bumi dan berputar di sekitarnya. Sabuk ini paling dekat dengan permukaan bumi di daerah sirkumpolar (lihat Gambar 3), di mana aurora diamati. Gambar 1 menunjukkan bahwa wilayah aurora di Kanada memiliki suhu termosfer yang jauh lebih tinggi daripada di Barat Daya AS. Sangat mungkin bahwa partikel yang ditangkap melepaskan sebagian energinya ke atmosfer, terutama ketika bertabrakan dengan molekul gas di dekat titik refleksi, dan meninggalkan orbit sebelumnya. Ini adalah bagaimana lapisan atmosfer yang tinggi dipanaskan di zona aurora. Penemuan penting lainnya dibuat saat mempelajari orbit satelit buatan. Luigi Iacchia, seorang astronom di Smithsonian Astrophysical Observatory, percaya bahwa penyimpangan kecil dari orbit ini disebabkan oleh perubahan kepadatan atmosfer saat dipanaskan oleh Matahari. Dia menyarankan keberadaan kepadatan elektron maksimum di ionosfer pada ketinggian lebih dari 200 km, yang tidak sesuai dengan siang hari, tetapi di bawah pengaruh gaya gesekan tertinggal sekitar dua jam. Pada saat ini, nilai kepadatan atmosfer, khas untuk ketinggian 600 km, diamati pada tingkat sekitar. 950km. Selain itu, konsentrasi elektron maksimum mengalami fluktuasi yang tidak teratur karena kilatan jangka pendek radiasi ultraviolet dan sinar-X dari Matahari. L. Yakkia juga menemukan fluktuasi jangka pendek dalam kepadatan udara, sesuai dengan semburan matahari dan gangguan medan magnet. Fenomena ini dijelaskan oleh intrusi partikel asal matahari ke atmosfer bumi dan pemanasan lapisan di mana satelit mengorbit.
LISTRIK ATMOSFER
Di lapisan permukaan atmosfer, sebagian kecil molekul mengalami ionisasi di bawah pengaruh sinar kosmik, radiasi dari batuan radioaktif dan produk peluruhan radium (terutama radon) di udara itu sendiri. Dalam proses ionisasi, atom kehilangan elektron dan memperoleh muatan positif. Sebuah elektron bebas dengan cepat bergabung dengan atom lain, membentuk ion bermuatan negatif. Ion positif dan negatif berpasangan tersebut memiliki dimensi molekuler. Molekul di atmosfer cenderung mengelompok di sekitar ion-ion ini. Beberapa molekul yang digabungkan dengan ion membentuk kompleks yang biasa disebut sebagai "ion ringan". Atmosfer juga mengandung kompleks molekul, yang dikenal dalam meteorologi sebagai inti kondensasi, di mana, ketika udara jenuh dengan uap air, proses kondensasi dimulai. Inti ini adalah partikel garam dan debu, serta polutan yang dilepaskan ke udara dari industri dan sumber lainnya. Ion ringan sering menempel pada inti tersebut untuk membentuk "ion berat". Di bawah pengaruh medan listrik, ion ringan dan berat berpindah dari satu area atmosfer ke area lain, mentransfer muatan listrik. Meskipun atmosfer umumnya tidak dianggap sebagai media penghantar listrik, ia memiliki sejumlah kecil konduktivitas. Oleh karena itu, benda bermuatan yang tertinggal di udara perlahan-lahan kehilangan muatannya. Konduktivitas atmosfer meningkat dengan ketinggian karena peningkatan intensitas sinar kosmik, pengurangan kehilangan ion di bawah kondisi tekanan yang lebih rendah (dan karenanya jalur bebas rata-rata lebih lama), dan karena lebih sedikit inti berat. Konduktivitas atmosfer mencapai nilai maksimumnya pada ketinggian kira-kira. 50 km, disebut. "tingkat kompensasi". Diketahui bahwa antara permukaan bumi dan "tingkat kompensasi" selalu ada perbedaan potensial beberapa ratus kilovolt, mis. medan listrik konstan. Ternyata perbedaan potensial antara titik tertentu di udara pada ketinggian beberapa meter dan permukaan bumi sangat besar - lebih dari 100 V. Atmosfer memiliki muatan positif, dan permukaan bumi bermuatan negatif. Karena medan listrik adalah area, di setiap titik di mana ada nilai potensial tertentu, kita dapat berbicara tentang gradien potensial. Dalam cuaca cerah, dalam beberapa meter yang lebih rendah, kekuatan medan listrik atmosfer hampir konstan. Karena perbedaan konduktivitas listrik udara di lapisan permukaan, gradien potensial tunduk pada fluktuasi diurnal, yang jalannya bervariasi secara signifikan dari satu tempat ke tempat lain. Dengan tidak adanya sumber polusi udara lokal - di atas lautan, tinggi di pegunungan atau di daerah kutub - perjalanan harian dari gradien potensial dalam cuaca cerah adalah sama. Besarnya gradien tergantung pada waktu universal, atau Greenwich Mean Time (UT) dan mencapai maksimum pada 19:00 E. Appleton menyarankan bahwa konduktivitas listrik maksimum ini mungkin bertepatan dengan aktivitas badai petir terbesar pada skala planet. Pelepasan petir selama badai petir membawa muatan negatif ke permukaan bumi, karena dasar awan cumulonimbus yang paling aktif memiliki muatan negatif yang signifikan. Puncak awan petir memiliki muatan positif, yang menurut perhitungan Holzer dan Saxon, mengalir dari puncaknya selama badai petir. Tanpa pengisian konstan, muatan permukaan bumi akan dinetralkan karena konduktivitas atmosfer. Asumsi bahwa perbedaan potensial antara permukaan bumi dan "tingkat kompensasi" dipertahankan karena badai petir didukung oleh data statistik. Misalnya, jumlah maksimum badai petir diamati di lembah sungai. Amazon. Paling sering, badai petir terjadi di sana pada akhir hari, mis. OKE. 19:00 Waktu Rata-Rata Greenwich, ketika gradien potensial berada pada titik maksimumnya di mana pun di dunia. Selain itu, variasi musiman dalam bentuk kurva variasi diurnal dari gradien potensial juga sepenuhnya sesuai dengan data distribusi global badai petir. Beberapa peneliti berpendapat bahwa sumber medan listrik bumi mungkin berasal dari luar, karena medan listrik diyakini ada di ionosfer dan magnetosfer. Keadaan ini mungkin menjelaskan munculnya bentuk aurora memanjang yang sangat sempit, mirip dengan belakang panggung dan lengkungan.
(lihat juga LAMPU POLAR). Karena gradien potensial dan konduktivitas atmosfer antara "tingkat kompensasi" dan permukaan bumi, partikel bermuatan mulai bergerak: ion bermuatan positif - menuju permukaan bumi, dan bermuatan negatif - ke atas darinya. Arus ini kira-kira. 1800 A. Meskipun nilai ini tampak besar, harus diingat bahwa itu didistribusikan ke seluruh permukaan bumi. Kuat arus di kolom udara dengan luas dasar 1 m2 hanya 4 * 10 -12 A. Di sisi lain, kuat arus selama pelepasan petir dapat mencapai beberapa ampere, meskipun, tentu saja, pelepasan seperti itu memiliki durasi pendek - dari sepersekian detik hingga satu detik penuh atau lebih sedikit dengan pelepasan berulang. Petir sangat menarik tidak hanya sebagai fenomena alam yang aneh. Itu memungkinkan untuk mengamati pelepasan listrik dalam media gas pada tegangan beberapa ratus juta volt dan jarak antara elektroda beberapa kilometer. Pada tahun 1750, B. Franklin mengusulkan kepada Royal Society of London agar mereka bereksperimen dengan batang besi yang dipasang pada dasar isolasi dan dipasang di menara tinggi. Dia memperkirakan bahwa ketika awan petir mendekati menara, muatan dengan tanda yang berlawanan akan terkonsentrasi di ujung atas batang yang awalnya netral, dan muatan dengan tanda yang sama seperti di dasar awan akan terkonsentrasi di ujung bawah. . Jika kekuatan medan listrik selama pelepasan petir cukup meningkat, muatan dari ujung atas batang akan mengalir sebagian ke udara, dan batang akan memperoleh muatan dengan tanda yang sama dengan dasar awan. Eksperimen yang diusulkan oleh Franklin tidak dilakukan di Inggris, tetapi didirikan pada tahun 1752 di Marly dekat Paris oleh fisikawan Prancis Jean d'Alembert. Dia menggunakan batang besi sepanjang 12 m yang dimasukkan ke dalam botol kaca (yang berfungsi sebagai isolator), tetapi tidak meletakkannya di menara. 10 Mei asistennya melaporkan bahwa ketika awan petir melewati batang, percikan api dihasilkan ketika kabel ground dibawa ke sana.Franklin sendiri, tidak menyadari pengalaman sukses yang diwujudkan di Prancis, pada bulan Juni tahun itu melakukan eksperimennya yang terkenal dengan layang-layang dan mengamati percikan listrik di ujung kawat yang diikat padanya. Tahun berikutnya, saat mempelajari muatan yang dikumpulkan dari batang, Franklin menemukan bahwa dasar awan petir biasanya bermuatan negatif. .Penelitian petir yang lebih rinci menjadi mungkin pada akhir abad ke-19 karena perbaikan dalam metode fotografi, terutama setelah penemuan peralatan dengan lensa berputar, yang memungkinkan untuk memperbaiki proses yang berkembang pesat. Kamera semacam itu banyak digunakan dalam studi pelepasan percikan. Ditemukan bahwa ada beberapa jenis petir, dengan yang paling umum adalah linier, datar (intra-cloud) dan globular (pelepasan udara). Petir linier adalah pelepasan percikan antara awan dan permukaan bumi, mengikuti saluran dengan cabang ke bawah. Petir datar terjadi di dalam awan petir dan terlihat seperti kilatan cahaya yang tersebar. Pelepasan udara dari bola petir, dimulai dari awan petir, sering diarahkan secara horizontal dan tidak mencapai permukaan bumi.

Pelepasan petir biasanya terdiri dari tiga atau lebih pelepasan berulang - impuls mengikuti jalur yang sama. Interval antara pulsa yang berurutan sangat pendek, dari 1/100 hingga 1/10 s (inilah yang menyebabkan kilat berkedip). Secara umum, flash berlangsung sekitar satu detik atau kurang. Proses pengembangan petir yang khas dapat digambarkan sebagai berikut. Pertama, pemimpin pelepasan yang bercahaya lemah bergegas dari atas ke permukaan bumi. Ketika dia mencapainya, aliran balik yang bersinar terang, atau aliran utama, mengalir dari bumi ke atas saluran yang diletakkan oleh pemimpin. Pemimpin pelepasan, sebagai suatu peraturan, bergerak secara zig-zag. Kecepatan rambatnya berkisar dari seratus hingga beberapa ratus kilometer per detik. Dalam perjalanannya, ia mengionisasi molekul udara, menciptakan saluran dengan konduktivitas yang meningkat, di mana pelepasan terbalik bergerak ke atas dengan kecepatan sekitar seratus kali lebih besar daripada pelepasan pemimpin. Sulit untuk menentukan ukuran saluran, tetapi diameter saluran keluar diperkirakan 1–10 m, dan diameter saluran keluar beberapa sentimeter. Pelepasan petir menciptakan interferensi radio dengan memancarkan gelombang radio dalam rentang yang luas - dari 30 kHz hingga frekuensi ultra-rendah. Radiasi gelombang radio terbesar mungkin berkisar antara 5 hingga 10 kHz. Interferensi radio frekuensi rendah semacam itu "terkonsentrasi" di ruang antara batas bawah ionosfer dan permukaan bumi dan mampu merambat hingga jarak ribuan kilometer dari sumbernya.
PERUBAHAN SUASANA
Dampak meteor dan meteorit. Meskipun terkadang hujan meteor membuat kesan yang mendalam dengan efek pencahayaannya, meteor individu jarang terlihat. Jauh lebih banyak lagi meteor yang tidak terlihat, terlalu kecil untuk dilihat pada saat mereka ditelan oleh atmosfer. Beberapa meteor terkecil mungkin tidak memanas sama sekali, tetapi hanya ditangkap oleh atmosfer. Partikel kecil ini mulai dari ukuran beberapa milimeter hingga sepersepuluh ribu milimeter disebut mikrometeorit. Jumlah materi meteor yang memasuki atmosfer setiap hari adalah dari 100 hingga 10.000 ton, dengan sebagian besar materi ini adalah mikrometeorit. Karena materi meteorik terbakar sebagian di atmosfer, komposisi gasnya diisi kembali dengan jejak berbagai elemen kimia. Misalnya, meteor batu membawa litium ke atmosfer. Pembakaran meteor logam mengarah pada pembentukan besi bulat kecil, besi-nikel dan tetesan lainnya yang melewati atmosfer dan disimpan di permukaan bumi. Mereka dapat ditemukan di Greenland dan Antartika, di mana lapisan es hampir tidak berubah selama bertahun-tahun. Ahli kelautan menemukan mereka di sedimen dasar laut. Sebagian besar partikel meteor yang memasuki atmosfer diendapkan dalam waktu kurang lebih 30 hari. Beberapa ilmuwan percaya bahwa debu kosmik ini memainkan peran penting dalam pembentukan fenomena atmosfer seperti hujan, karena berfungsi sebagai inti kondensasi uap air. Oleh karena itu, diasumsikan bahwa curah hujan secara statistik terkait dengan hujan meteor besar. Namun, beberapa ahli percaya bahwa karena masukan total materi meteor puluhan kali lebih besar daripada hujan meteor terbesar sekalipun, perubahan jumlah total materi ini yang terjadi sebagai akibat dari salah satu hujan meteor tersebut dapat diabaikan. Namun, tidak ada keraguan bahwa mikrometeorit terbesar dan, tentu saja, meteorit yang terlihat meninggalkan jejak panjang ionisasi di lapisan atmosfer yang tinggi, terutama di ionosfer. Jejak tersebut dapat digunakan untuk komunikasi radio jarak jauh, karena mencerminkan gelombang radio frekuensi tinggi. Energi meteor yang memasuki atmosfer dihabiskan terutama, dan mungkin sepenuhnya, untuk pemanasannya. Ini adalah salah satu komponen kecil dari keseimbangan panas atmosfer.
Karbon dioksida asal industri. Pada periode Karbon, vegetasi berkayu tersebar luas di Bumi. Sebagian besar karbon dioksida yang diserap oleh tanaman pada waktu itu terakumulasi dalam endapan batu bara dan endapan minyak. Orang-orang telah belajar untuk menggunakan cadangan besar mineral ini sebagai sumber energi dan sekarang dengan cepat mengembalikan karbon dioksida ke sirkulasi zat. Fosil mungkin ca. 4*10 13 ton karbon. Selama abad yang lalu, umat manusia telah membakar begitu banyak bahan bakar fosil sehingga sekitar 4 * 10 11 ton karbon kembali memasuki atmosfer. Saat ini ada sekitar. 2 * 10 12 ton karbon, dan dalam seratus tahun ke depan angka ini dapat berlipat ganda karena pembakaran bahan bakar fosil. Namun, tidak semua karbon akan tetap berada di atmosfer: sebagian akan larut di perairan laut, sebagian akan diserap oleh tumbuhan, dan sebagian akan terikat dalam proses pelapukan batuan. Masih belum mungkin untuk memprediksi berapa banyak karbon dioksida di atmosfer atau apa pengaruhnya terhadap iklim dunia. Namun demikian, diyakini bahwa setiap peningkatan kandungannya akan menyebabkan pemanasan, meskipun sama sekali tidak perlu bahwa pemanasan apa pun akan mempengaruhi iklim secara signifikan. Konsentrasi karbon dioksida di atmosfer, menurut hasil pengukuran, meningkat secara nyata, meskipun dengan kecepatan yang lambat. Data iklim untuk stasiun Svalbard dan Little America di Lapisan Es Ross di Antartika menunjukkan peningkatan suhu rata-rata tahunan selama periode kira-kira 50 tahun masing-masing sebesar 5 ° dan 2,5 °C.
Dampak radiasi kosmik. Ketika sinar kosmik berenergi tinggi berinteraksi dengan masing-masing komponen atmosfer, isotop radioaktif terbentuk. Di antara mereka, isotop karbon 14C dibedakan, yang terakumulasi dalam jaringan tumbuhan dan hewan. Dengan mengukur radioaktivitas zat organik yang sudah lama tidak bertukar karbon dengan lingkungan, dapat ditentukan umurnya. Metode radiokarbon telah memantapkan dirinya sebagai metode yang paling dapat diandalkan untuk penanggalan organisme fosil dan objek budaya material, yang usianya tidak melebihi 50 ribu tahun. Isotop radioaktif lain dengan waktu paruh yang panjang dapat digunakan untuk menentukan umur material yang berusia ratusan ribu tahun jika masalah mendasar dalam mengukur tingkat radioaktivitas yang sangat rendah dapat dipecahkan.
(lihat juga DATING RADIOCARBON).
ASAL USUL SUASANA BUMI
Sejarah pembentukan atmosfer belum dipulihkan sepenuhnya andal. Namun demikian, beberapa kemungkinan perubahan dalam komposisinya telah diidentifikasi. Pembentukan atmosfer dimulai segera setelah pembentukan Bumi. Ada alasan yang cukup bagus untuk percaya bahwa dalam proses evolusi Pra-Bumi dan perolehannya yang mendekati dimensi dan massa modern, ia hampir sepenuhnya kehilangan atmosfer aslinya. Diyakini bahwa pada tahap awal Bumi berada dalam keadaan cair dan ca. 4,5 miliar tahun yang lalu, ia terbentuk dalam benda padat. Tonggak sejarah ini diambil sebagai awal dari kronologi geologi. Sejak saat itu telah terjadi evolusi atmosfer yang lambat. Beberapa proses geologi, seperti letusan lahar pada saat letusan gunung berapi, disertai dengan keluarnya gas dari perut bumi. Mereka mungkin termasuk nitrogen, amonia, metana, uap air, karbon monoksida dan karbon dioksida. Di bawah pengaruh radiasi ultraviolet matahari, uap air terurai menjadi hidrogen dan oksigen, tetapi oksigen yang dilepaskan bereaksi dengan karbon monoksida untuk membentuk karbon dioksida. Amonia terurai menjadi nitrogen dan hidrogen. Hidrogen dalam proses difusi naik dan meninggalkan atmosfer, sedangkan nitrogen yang lebih berat tidak dapat lepas dan terakumulasi secara bertahap, menjadi komponen utamanya, meskipun sebagian terikat selama reaksi kimia. Di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan pelepasan listrik, campuran gas, mungkin ada di atmosfer asli Bumi, masuk ke dalam reaksi kimia, sebagai akibatnya zat organik, khususnya asam amino, terbentuk. Akibatnya, kehidupan dapat berasal dari atmosfir yang secara fundamental berbeda dari atmosfir modern. Dengan munculnya tumbuhan primitif, proses fotosintesis dimulai (lihat juga FOTOSINTESIS), disertai dengan pelepasan oksigen bebas. Gas ini, terutama setelah difusi ke atmosfer bagian atas, mulai melindungi lapisan bawahnya dan permukaan bumi dari radiasi ultraviolet dan sinar-X yang mengancam jiwa. Diperkirakan bahwa sedikitnya 0,00004 dari volume oksigen saat ini dapat menyebabkan pembentukan lapisan dengan setengah konsentrasi ozon saat ini, yang bagaimanapun memberikan perlindungan yang sangat signifikan dari sinar ultraviolet. Kemungkinan juga bahwa atmosfer utama mengandung banyak karbon dioksida. Itu dikonsumsi selama fotosintesis, dan konsentrasinya pasti menurun saat dunia tumbuhan berevolusi, dan juga karena penyerapan selama beberapa proses geologis. Karena efek rumah kaca dikaitkan dengan keberadaan karbon dioksida di atmosfer, beberapa ilmuwan percaya bahwa fluktuasi konsentrasinya adalah salah satu penyebab penting perubahan iklim skala besar dalam sejarah Bumi, seperti zaman es. Helium yang ada di atmosfer modern mungkin sebagian besar merupakan produk peluruhan radioaktif uranium, thorium, dan radium. Unsur-unsur radioaktif ini memancarkan partikel alfa, yang merupakan inti atom helium. Karena tidak ada muatan listrik yang dibuat atau dihancurkan selama peluruhan radioaktif, ada dua elektron untuk setiap partikel alfa. Akibatnya, ia bergabung dengan mereka, membentuk atom helium netral. Unsur radioaktif terkandung dalam mineral yang tersebar di ketebalan batuan, sehingga sebagian besar helium yang terbentuk sebagai hasil peluruhan radioaktif disimpan di dalamnya, menguap sangat lambat ke atmosfer. Sejumlah tertentu helium naik ke eksosfer karena difusi, tetapi karena masuknya konstan dari permukaan bumi, volume gas ini di atmosfer tidak berubah. Berdasarkan analisis spektral cahaya bintang dan studi meteorit, adalah mungkin untuk memperkirakan kelimpahan relatif berbagai unsur kimia di alam semesta. Konsentrasi neon di ruang angkasa sekitar sepuluh miliar kali lebih tinggi daripada di Bumi, kripton - sepuluh juta kali, dan xenon - satu juta kali. Oleh karena itu, konsentrasi gas-gas inert ini, yang semula ada di atmosfer Bumi dan tidak terisi kembali selama reaksi kimia, sangat menurun, bahkan mungkin pada tahap hilangnya atmosfer utama Bumi. Pengecualian adalah argon gas inert, karena masih terbentuk dalam bentuk isotop 40Ar dalam proses peluruhan radioaktif dari isotop kalium.
FENOMENA OPTIK
Beragamnya fenomena optik di atmosfer disebabkan oleh berbagai alasan. Fenomena yang paling umum termasuk kilat (lihat di atas) dan aurora borealis dan aurora borealis yang sangat indah (lihat juga LAMPU POLAR). Selain itu, pelangi, gal, parhelion (matahari palsu) dan busur, mahkota, lingkaran cahaya dan hantu Brocken, fatamorgana, api St. Elmo, awan bercahaya, sinar hijau dan senja sangat menarik. Pelangi adalah fenomena atmosfer yang paling indah. Biasanya ini adalah lengkungan besar, terdiri dari garis-garis multi-warna, diamati ketika Matahari hanya menerangi sebagian dari langit, dan udara jenuh dengan tetesan air, misalnya, selama hujan. Busur multi-warna diatur dalam urutan spektrum (merah, oranye, kuning, hijau, cyan, nila, ungu), tetapi warna hampir tidak pernah murni karena pita tumpang tindih. Biasanya, karakteristik fisik pelangi sangat bervariasi, dan karena itu penampilannya sangat beragam. Fitur umum mereka adalah bahwa pusat busur selalu terletak pada garis lurus yang ditarik dari Matahari ke pengamat. Pelangi utama adalah busur yang terdiri dari warna paling terang - merah di luar dan ungu di dalam. Terkadang hanya satu busur yang terlihat, tetapi seringkali busur sekunder muncul di luar pelangi utama. Warnanya tidak seterang yang pertama, dan garis-garis merah dan ungu di dalamnya berubah: merah terletak di bagian dalam. Pembentukan pelangi utama dijelaskan oleh pembiasan ganda (lihat juga OPTIK) dan refleksi internal tunggal sinar matahari (lihat Gambar 5). Menembus di dalam setetes air (A), seberkas cahaya dibiaskan dan terurai, seperti ketika melewati prisma. Kemudian mencapai permukaan yang berlawanan dari drop (B), dipantulkan darinya dan keluar dari drop ke luar (C). Dalam hal ini, berkas cahaya, sebelum mencapai pengamat, dibiaskan untuk kedua kalinya. Sinar putih awal diuraikan menjadi sinar warna berbeda dengan sudut divergensi 2°. Ketika pelangi sekunder terbentuk, terjadi pembiasan ganda dan pemantulan ganda sinar matahari (lihat Gambar 6). Dalam hal ini, cahaya dibiaskan, menembus bagian dalam drop melalui bagian bawahnya (A), dan dipantulkan dari permukaan bagian dalam drop, pertama di titik B, kemudian di titik C. Di titik D, cahaya dibiaskan, meninggalkan drop menuju pengamat.

Saat matahari terbit dan terbenam, pengamat melihat pelangi dalam bentuk busur sama dengan setengah lingkaran, karena sumbu pelangi sejajar dengan cakrawala. Jika Matahari lebih tinggi di atas cakrawala, busur pelangi kurang dari setengah lingkaran. Ketika Matahari terbit di atas 42° di atas cakrawala, pelangi menghilang. Di mana-mana, kecuali di lintang tinggi, pelangi tidak bisa muncul di siang hari saat Matahari terlalu tinggi. Sangat menarik untuk memperkirakan jarak ke pelangi. Meskipun tampaknya busur multi-warna terletak di bidang yang sama, ini adalah ilusi. Faktanya, pelangi memiliki kedalaman yang luar biasa, dan dapat direpresentasikan sebagai permukaan kerucut berongga, yang di atasnya adalah pengamat. Sumbu kerucut menghubungkan Matahari, pengamat, dan pusat pelangi. Pengamat melihat, seolah-olah, di sepanjang permukaan kerucut ini. Dua orang tidak akan pernah bisa melihat pelangi yang sama persis. Tentu saja, seseorang dapat mengamati efek yang sama secara umum, tetapi kedua pelangi berada di posisi yang berbeda dan dibentuk oleh tetesan air yang berbeda. Ketika hujan atau kabut membentuk pelangi, efek optik penuh dicapai dengan efek gabungan dari semua tetesan air yang melintasi permukaan kerucut pelangi dengan pengamat di puncaknya. Peran setiap tetes cepat berlalu. Permukaan kerucut pelangi terdiri dari beberapa lapisan. Dengan cepat melintasi mereka dan melewati serangkaian titik kritis, setiap tetes langsung menguraikan sinar matahari ke seluruh spektrum dalam urutan yang ditentukan secara ketat - dari merah ke ungu. Banyak tetesan melintasi permukaan kerucut dengan cara yang sama, sehingga pelangi tampak bagi pengamat sebagai kontinu baik sepanjang maupun melintasi busurnya. Halo - busur cahaya putih atau warna-warni dan lingkaran di sekitar piringan Matahari atau Bulan. Mereka disebabkan oleh pembiasan atau pantulan cahaya oleh kristal es atau salju di atmosfer. Kristal yang membentuk halo terletak di permukaan kerucut imajiner dengan sumbu diarahkan dari pengamat (dari atas kerucut) ke Matahari. Dalam kondisi tertentu, atmosfer jenuh dengan kristal-kristal kecil, banyak di antaranya membentuk sudut siku-siku dengan bidang yang melewati Matahari, pengamat, dan kristal-kristal ini. Segi-segi tersebut memantulkan sinar cahaya yang masuk dengan deviasi 22 °, membentuk lingkaran cahaya yang kemerahan di bagian dalam, tetapi juga dapat terdiri dari semua warna spektrum. Yang kurang umum adalah lingkaran cahaya dengan jari-jari sudut 46°, terletak secara konsentris di sekitar lingkaran halo 22 derajat. Sisi dalamnya juga memiliki warna kemerahan. Alasan untuk ini juga adalah pembiasan cahaya, yang terjadi dalam hal ini pada permukaan kristal yang membentuk sudut siku-siku. Lebar cincin lingkaran cahaya tersebut melebihi 2,5°. Baik lingkaran cahaya 46 derajat dan 22 derajat cenderung paling terang di bagian atas dan bawah cincin. Lingkaran halo 90 derajat yang langka adalah cincin bercahaya redup, hampir tidak berwarna yang memiliki pusat yang sama dengan dua lingkaran cahaya lainnya. Jika diwarnai, ia memiliki warna merah di bagian luar cincin. Mekanisme munculnya jenis halo ini belum sepenuhnya dijelaskan (Gbr. 7).

Parhelia dan busur. Lingkaran parhelic (atau lingkaran matahari palsu) - cincin putih yang berpusat pada titik zenith, melewati Matahari sejajar dengan cakrawala. Alasan pembentukannya adalah pantulan sinar matahari dari tepi permukaan kristal es. Jika kristal cukup merata di udara, lingkaran penuh menjadi terlihat. Parhelia, atau matahari palsu, adalah bintik-bintik bercahaya terang menyerupai Matahari, yang terbentuk di titik-titik perpotongan lingkaran parhelik dengan halo, memiliki jari-jari sudut 22°, 46°, dan 90°. Parhelion yang paling sering terbentuk dan paling terang terbentuk di persimpangan dengan lingkaran cahaya 22 derajat, biasanya diwarnai di hampir semua warna pelangi. Matahari palsu di persimpangan dengan lingkaran cahaya 46 dan 90 derajat lebih jarang diamati. Parhelia yang terjadi di persimpangan dengan lingkaran cahaya 90 derajat disebut paranthelia, atau countersuns palsu. Terkadang antelium (penghitung matahari) juga terlihat - titik terang yang terletak di cincin parhelion tepat di seberang Matahari. Diasumsikan bahwa penyebab fenomena ini adalah refleksi internal ganda sinar matahari. Berkas pantul mengikuti lintasan yang sama dengan sinar datang, tetapi dalam arah yang berlawanan. Busur circumzenithal, kadang-kadang salah disebut sebagai busur tangen atas dari halo 46 derajat, adalah busur 90° atau kurang yang berpusat pada titik zenith dan kira-kira 46° di atas Matahari. Ini jarang terlihat dan hanya untuk beberapa menit, memiliki warna cerah, dan warna merah terbatas pada sisi luar busur. Busur circumzenithal terkenal karena pewarnaan, kecerahan, dan garis besarnya yang jelas. Efek optik lain yang aneh dan sangat langka dari jenis halo adalah busur Lovitz. Mereka muncul sebagai kelanjutan dari parhelia di persimpangan dengan lingkaran cahaya 22 derajat, lewat dari sisi luar lingkaran cahaya dan sedikit cekung ke arah Matahari. Pilar cahaya keputihan, serta berbagai salib, kadang-kadang terlihat saat fajar atau senja, terutama di daerah kutub, dan dapat menemani Matahari dan Bulan. Kadang-kadang, lingkaran cahaya bulan dan efek lain yang serupa dengan yang dijelaskan di atas diamati, dengan lingkaran cahaya bulan yang paling umum (cincin di sekitar Bulan) memiliki radius sudut 22°. Seperti matahari palsu, bulan palsu bisa muncul. Mahkota, atau mahkota, adalah cincin kecil berwarna konsentris di sekitar Matahari, Bulan, atau objek terang lainnya yang diamati dari waktu ke waktu ketika sumber cahaya berada di balik awan transparan. Jari-jari korona lebih kecil dari jari-jari halo dan kira-kira. 1-5 °, cincin biru atau ungu paling dekat dengan Matahari. Korona terbentuk ketika cahaya dihamburkan oleh tetesan air kecil yang membentuk awan. Terkadang mahkota terlihat seperti titik bercahaya (atau lingkaran cahaya) yang mengelilingi Matahari (atau Bulan), yang diakhiri dengan cincin kemerahan. Dalam kasus lain, setidaknya dua cincin konsentris dengan diameter lebih besar, berwarna sangat lemah, terlihat di luar lingkaran cahaya. Fenomena ini disertai dengan awan berwarna-warni. Terkadang tepi awan yang sangat tinggi dicat dengan warna-warna cerah.
Gloria (halo). Dalam kondisi khusus, fenomena atmosfer yang tidak biasa terjadi. Jika Matahari berada di belakang pengamat, dan bayangannya diproyeksikan ke awan terdekat atau tirai kabut, di bawah keadaan atmosfer tertentu di sekitar bayangan kepala seseorang, Anda dapat melihat lingkaran bercahaya berwarna - lingkaran cahaya. Biasanya lingkaran cahaya seperti itu terbentuk karena pantulan cahaya oleh tetesan embun di halaman berumput. Gloria juga cukup umum ditemukan di sekitar bayangan yang dibuat oleh bidang di atas awan di bawahnya.
Hantu Brocken. Di beberapa wilayah di dunia, ketika bayangan seorang pengamat di atas bukit, saat matahari terbit atau terbenam, jatuh di belakangnya di atas awan yang terletak pada jarak pendek, efek mencolok terungkap: bayangan memperoleh dimensi kolosal. Hal ini disebabkan oleh pemantulan dan pembiasan cahaya oleh tetesan air terkecil di dalam kabut. Fenomena yang dijelaskan disebut "hantu Brocken" setelah puncak di pegunungan Harz di Jerman.
fatamorgana- efek optik karena pembiasan cahaya ketika melewati lapisan udara dengan kepadatan berbeda dan dinyatakan dalam tampilan gambar virtual. Dalam hal ini, objek yang jauh dapat berubah menjadi naik atau turun relatif terhadap posisi sebenarnya, dan mungkin juga terdistorsi dan memperoleh bentuk yang tidak beraturan dan fantastis. Fatamorgana sering diamati di iklim panas, seperti di atas dataran berpasir. Fatamorgana inferior sering terjadi, ketika permukaan gurun yang jauh dan hampir datar tampak seperti perairan terbuka, terutama jika dilihat dari sedikit ketinggian atau hanya di atas lapisan udara panas. Ilusi serupa biasanya terjadi di jalan beraspal panas yang terlihat seperti permukaan air jauh di depan. Pada kenyataannya, permukaan ini adalah refleksi dari langit. Di bawah ketinggian mata, objek, biasanya terbalik, dapat muncul di "air" ini. Sebuah "kue embusan udara" terbentuk di atas permukaan tanah yang dipanaskan, dan lapisan yang paling dekat dengan bumi adalah yang paling panas dan sangat jarang sehingga gelombang cahaya yang melewatinya terdistorsi, karena kecepatan rambatnya bervariasi tergantung pada kepadatan media. Fatamorgana superior kurang umum dan lebih indah daripada fatamorgana inferior. Objek yang jauh (seringkali di bawah cakrawala laut) muncul terbalik di langit, dan terkadang gambar langsung dari objek yang sama juga muncul di atas. Fenomena ini khas untuk daerah dingin, terutama ketika ada pembalikan suhu yang signifikan, ketika lapisan udara yang lebih hangat berada di atas lapisan yang lebih dingin. Efek optik ini dimanifestasikan sebagai hasil dari pola perambatan kompleks dari bagian depan gelombang cahaya di lapisan udara dengan kepadatan yang tidak seragam. Fatamorgana yang sangat tidak biasa terjadi dari waktu ke waktu, terutama di daerah kutub. Ketika fatamorgana terjadi di darat, pohon dan komponen lanskap lainnya terbalik. Dalam semua kasus, objek di fatamorgana atas lebih jelas terlihat daripada di bawah. Ketika batas dua massa udara adalah bidang vertikal, kadang-kadang terjadi fatamorgana samping.
Api Saint Elmo. Beberapa fenomena optik di atmosfer (misalnya, cahaya dan fenomena meteorologi yang paling umum - kilat) bersifat listrik. Yang jauh lebih jarang adalah api St. Elmo - kuas biru pucat atau ungu bercahaya dari 30 cm hingga 1 m atau lebih, biasanya di puncak tiang atau ujung galangan kapal di laut. Kadang-kadang tampaknya seluruh tali-temali kapal ditutupi dengan fosfor dan bersinar. Api Elmo terkadang muncul di puncak gunung, serta di menara dan sudut tajam gedung-gedung tinggi. Fenomena ini adalah pelepasan listrik sikat di ujung konduktor listrik, ketika kekuatan medan listrik sangat meningkat di atmosfer di sekitar mereka. Will-o'-the-wisps adalah cahaya kebiruan atau kehijauan samar yang kadang-kadang terlihat di rawa-rawa, kuburan, dan ruang bawah tanah. Mereka sering muncul sebagai nyala lilin yang menyala dengan tenang, tidak memanas, yang diangkat sekitar 30 cm di atas tanah, melayang di atas objek sejenak. Cahaya tampaknya benar-benar sulit dipahami dan, ketika pengamat mendekat, cahaya itu tampaknya pindah ke tempat lain. Alasan untuk fenomena ini adalah dekomposisi residu organik dan pembakaran spontan gas metana rawa (CH4) atau fosfin (PH3). Lampu pengembara memiliki bentuk yang berbeda, terkadang bahkan bulat. Sinar hijau - kilatan sinar matahari hijau zamrud pada saat sinar terakhir Matahari menghilang di bawah cakrawala. Komponen merah dari sinar matahari menghilang terlebih dahulu, semua yang lain mengikuti secara berurutan, dan hijau zamrud tetap terakhir. Fenomena ini hanya terjadi ketika hanya tepi piringan matahari yang tersisa di atas cakrawala, jika tidak ada campuran warna. Sinar krepuskular adalah berkas sinar matahari divergen yang menjadi terlihat saat menyinari debu di atmosfer tinggi. Bayangan dari awan membentuk pita gelap, dan sinar merambat di antara mereka. Efek ini terjadi ketika Matahari rendah di cakrawala sebelum fajar atau setelah matahari terbenam.

Selubung gas yang mengelilingi planet Bumi kita, yang dikenal sebagai atmosfer, terdiri dari lima lapisan utama. Lapisan-lapisan ini berasal dari permukaan planet, dari permukaan laut (kadang-kadang di bawah) dan naik ke luar angkasa dalam urutan berikut:

• Troposfer;
• Stratosfir;
• Mesosfer;
• Termosfer;
• Eksosfer.

Diagram lapisan utama atmosfer bumi

Di antara masing-masing dari lima lapisan utama ini adalah zona transisi yang disebut "jeda" di mana terjadi perubahan suhu, komposisi, dan kepadatan udara. Bersama dengan jeda, atmosfer bumi mencakup total 9 lapisan.

Troposfer: tempat terjadinya cuaca

Dari semua lapisan atmosfer, troposfer adalah yang paling kita kenal (disadari atau tidak), karena kita hidup di dasarnya - permukaan planet. Ini menyelimuti permukaan bumi dan memanjang ke atas selama beberapa kilometer. Kata troposfer berarti "perubahan bola". Sebuah nama yang sangat pas, karena lapisan inilah yang menjadi tempat terjadinya cuaca kita sehari-hari.

Mulai dari permukaan planet, troposfer naik ke ketinggian 6 hingga 20 km. Sepertiga bagian bawah lapisan yang paling dekat dengan kita mengandung 50% dari semua gas atmosfer. Ini adalah satu-satunya bagian dari seluruh komposisi atmosfer yang bernafas. Karena fakta bahwa udara dipanaskan dari bawah oleh permukaan bumi, yang menyerap energi panas Matahari, suhu dan tekanan troposfer menurun dengan meningkatnya ketinggian.

Di bagian atas terdapat lapisan tipis yang disebut tropopause, yang hanya merupakan penyangga antara troposfer dan stratosfer.

Stratosfer: rumah ozon

Stratosfer adalah lapisan atmosfer berikutnya. Membentang dari 6-20 km sampai 50 km di atas permukaan bumi. Ini adalah lapisan di mana sebagian besar pesawat komersial terbang dan balon terbang.

Di sini, udara tidak mengalir ke atas dan ke bawah, tetapi bergerak sejajar dengan permukaan dalam arus udara yang sangat cepat. Suhu meningkat saat Anda naik, berkat melimpahnya ozon (O3) yang terbentuk secara alami, produk sampingan dari radiasi matahari, dan oksigen, yang memiliki kemampuan untuk menyerap sinar ultraviolet matahari yang berbahaya (setiap kenaikan suhu dengan ketinggian diketahui di meteorologi sebagai "inversi") .

Karena stratosfer memiliki suhu yang lebih hangat di bagian bawah dan suhu yang lebih dingin di bagian atas, konveksi (gerakan vertikal massa udara) jarang terjadi di bagian atmosfer ini. Bahkan, Anda dapat melihat badai yang mengamuk di troposfer dari stratosfer, karena lapisan tersebut bertindak sebagai "tutup" untuk konveksi, di mana awan badai tidak menembusnya.

Stratosfer sekali lagi diikuti oleh lapisan penyangga, kali ini disebut stratopause.

Mesosfer: atmosfer tengah

Mesosfer terletak sekitar 50-80 km dari permukaan bumi. Mesosfer atas adalah tempat alami terdingin di Bumi, di mana suhu bisa turun di bawah -143°C.

Termosfer: atmosfer atas

Mesosfer dan mesopause diikuti oleh termosfer, terletak antara 80 dan 700 km di atas permukaan planet, dan mengandung kurang dari 0,01% dari total udara di cangkang atmosfer. Suhu di sini mencapai +2000 ° C, tetapi karena penghalusan udara yang kuat dan kurangnya molekul gas untuk mentransfer panas, suhu tinggi ini dianggap sangat dingin.

Eksosfer: batas atmosfer dan ruang angkasa

Pada ketinggian sekitar 700-10.000 km di atas permukaan bumi adalah eksosfer - tepi luar atmosfer, berbatasan dengan ruang angkasa. Di sini satelit meteorologi berputar mengelilingi bumi.

Bagaimana dengan ionosfer?

Ionosfer bukanlah lapisan yang terpisah, dan sebenarnya istilah ini digunakan untuk merujuk pada atmosfer pada ketinggian 60 hingga 1000 km. Ini mencakup bagian paling atas dari mesosfer, seluruh termosfer, dan bagian dari eksosfer. Ionosfer mendapatkan namanya karena di bagian atmosfer ini, radiasi matahari terionisasi ketika melewati medan magnet bumi pada dan . Fenomena ini diamati dari bumi sebagai cahaya utara.