Envolvido em meteorologia e variações de longo prazo - climatologia.

A espessura da atmosfera é de 1500 km da superfície da Terra. A massa total de ar, ou seja, uma mistura de gases que compõem a atmosfera, é de 5,1-5,3 * 10 ^ 15 toneladas. O peso molecular do ar limpo e seco é 29. A pressão a 0 ° C ao nível do mar é 101.325 Pa, ou 760 mm. art. Arte.; temperatura crítica - 140,7 °C; pressão crítica 3,7 MPa. A solubilidade do ar em água a 0 ° C é de 0,036%, a 25 ° C - 0,22%.

O estado físico da atmosfera é determinado. Os principais parâmetros da atmosfera: densidade do ar, pressão, temperatura e composição. À medida que a altitude aumenta, a densidade do ar diminui. A temperatura também muda com a mudança de altitude. Vertical é caracterizada por diferentes temperaturas e propriedades elétricas, diferentes condições do ar. Dependendo da temperatura na atmosfera, as seguintes camadas principais são distinguidas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera, exosfera (esfera de dispersão). As regiões de transição da atmosfera entre conchas adjacentes são chamadas de tropopausa, estratopausa, etc., respectivamente.

Troposfera- mais baixo, principal, mais estudado, 8-10 km de altura nas regiões polares, até 10-12 km em latitudes temperadas, 16-18 km no equador. Aproximadamente 80-90% da massa total da atmosfera e quase todo o vapor de água estão concentrados na troposfera. Ao subir a cada 100 m, a temperatura na troposfera diminui em média 0,65°C e atinge -53°C na parte superior. Essa camada superior da troposfera é chamada de tropopausa. Na troposfera, a turbulência e a convecção são altamente desenvolvidas, a parte predominante é concentrada, as nuvens surgem, se desenvolvem.

Estratosfera- camada da atmosfera, localizada a uma altitude de 11 a 50 km. Uma ligeira mudança de temperatura na camada de 11-25 km (a camada inferior da estratosfera) e seu aumento na camada de 25-40 km de -56,5 para 0,8 °C (a camada superior da estratosfera ou região de inversão) são típica. Tendo atingido um valor de 273 K (0 °C) a uma altitude de cerca de 40 km, a temperatura permanece constante até uma altitude de 55 km. Essa região de temperatura constante é chamada de estratopausa e é a fronteira entre a estratosfera e a mesosfera.

É na estratosfera que a camada está localizada ozonosfera("camada de ozônio", a uma altitude de 15-20 a 55-60 km), que determina o limite superior da vida em. Um componente importante da estratosfera e da mesosfera é o ozônio, que é formado como resultado de reações fotoquímicas mais intensamente a uma altitude de 30 km. A massa total de ozônio à pressão normal seria uma camada de 1,7 a 4 mm de espessura, mas mesmo isso é suficiente para absorver o ultravioleta, que é prejudicial à vida. A destruição do ozônio ocorre quando ele interage com radicais livres, óxido nítrico, compostos contendo halogênios (incluindo "freons"). Ozônio - uma alotropia do oxigênio, é formado como resultado da seguinte reação química, geralmente após a chuva, quando o composto resultante sobe para as camadas superiores da troposfera; ozônio tem um cheiro específico.

A maior parte da parte de comprimento de onda curto da radiação ultravioleta (180-200 nm) é retida na estratosfera e a energia das ondas curtas é transformada. Sob a influência desses raios, os campos magnéticos mudam, as moléculas se quebram, ocorrem ionização, nova formação de gases e outros compostos químicos. Esses processos podem ser observados na forma de luzes do norte, raios e outros brilhos. Quase não há vapor de água na estratosfera.

Mesosfera começa a uma altitude de 50 km e se estende até 80-90 km. a uma altura de 75-85 km, cai para -88 °С. O limite superior da mesosfera é a mesopausa.

Termosfera(outro nome é ionosfera) - a camada da atmosfera que segue a mesosfera - começa a uma altitude de 80-90 km e se estende até 800 km. A temperatura do ar na termosfera aumenta rápida e constantemente e atinge várias centenas e até milhares de graus.

Exosfera- zona de dispersão, a parte externa da termosfera, localizada acima de 800 km. O gás na exosfera é altamente rarefeito e, portanto, suas partículas vazam para o espaço interplanetário (dissipação).
Até uma altura de 100 km, a atmosfera é uma mistura de gases homogênea (monofásica), bem misturada. Nas camadas mais altas, a distribuição dos gases em altura depende de suas massas moleculares, a concentração de gases mais pesados ​​diminui mais rapidamente com a distância da superfície da Terra. Devido à diminuição da densidade do gás, a temperatura cai de 0°C na estratosfera para -110°C na mesosfera. No entanto, a energia cinética de partículas individuais em altitudes de 200-250 km corresponde a uma temperatura de aproximadamente 1500 °C. Acima de 200 km, flutuações significativas na temperatura e na densidade do gás são observadas no tempo e no espaço.

A uma altitude de cerca de 2.000-3.000 km, a exosfera passa gradualmente para o chamado vácuo do espaço próximo, que é preenchido com partículas altamente rarefeitas de gás interplanetário, principalmente átomos de hidrogênio. Mas este gás é apenas parte da matéria interplanetária. A outra parte é composta por partículas semelhantes a poeira de origem cometária e meteórica. Além dessas partículas extremamente rarefeitas, a radiação eletromagnética e corpuscular de origem solar e galáctica penetra nesse espaço.

A troposfera representa cerca de 80% da massa da atmosfera, a estratosfera representa cerca de 20%; a massa da mesosfera não é superior a 0,3%, a termosfera é inferior a 0,05% da massa total da atmosfera. Com base nas propriedades elétricas na atmosfera, a neutrosfera e a ionosfera são distinguidas. Atualmente, acredita-se que a atmosfera se estenda a uma altitude de 2.000-3.000 km.

Dependendo da composição do gás na atmosfera, a homosfera e a heterosfera são distinguidas. heterosfera- esta é a área onde a gravidade afeta a separação de gases, porque. sua mistura a esta altura é desprezível. Daí segue a composição variável da heterosfera. Abaixo dela encontra-se uma parte homogênea e bem misturada da atmosfera chamada homosfera. O limite entre essas camadas é chamado de turbopausa e fica a uma altitude de cerca de 120 km.

Pressão atmosférica - a pressão do ar atmosférico sobre os objetos nele e a superfície da Terra. A pressão atmosférica normal é de 760 mm Hg. Arte. (101 325 Pa). Para cada quilômetro de altitude, a pressão cai 100 mm.

Composição da atmosfera

A concha de ar da Terra, composta principalmente por gases e várias impurezas (poeira, gotas de água, cristais de gelo, sais marinhos, produtos de combustão), cuja quantidade não é constante. Os principais gases são nitrogênio (78%), oxigênio (21%) e argônio (0,93%). A concentração de gases que compõem a atmosfera é quase constante, com exceção do dióxido de carbono CO2 (0,03%).

A atmosfera também contém SO2, CH4, NH3, CO, hidrocarbonetos, HC1, HF, vapor de Hg, I2, bem como NO e muitos outros gases em pequenas quantidades. Na troposfera há constantemente uma grande quantidade de partículas sólidas e líquidas em suspensão (aerossóis).

O espaço está cheio de energia. A energia preenche o espaço de forma desigual. Há lugares de sua concentração e descarga. Desta forma, você pode estimar a densidade. O planeta é um sistema ordenado, com a densidade máxima de matéria no centro e com uma diminuição gradual da concentração em direção à periferia. As forças de interação determinam o estado da matéria, a forma em que ela existe. A física descreve o estado de agregação das substâncias: sólido, líquido, gasoso e assim por diante.

A atmosfera é o meio gasoso que envolve o planeta. A atmosfera da Terra permite o movimento livre e a passagem da luz, criando um espaço no qual a vida prospera.

A área da superfície da Terra até uma altura de aproximadamente 16 quilômetros (do equador aos pólos, um valor menor, também depende da estação do ano) é chamada de troposfera. A troposfera é a camada que contém cerca de 80% do ar da atmosfera e quase todo o vapor de água. É aqui que ocorrem os processos que moldam o clima. A pressão e a temperatura diminuem com a altura. A razão para a diminuição da temperatura do ar é um processo adiabático, quando o gás se expande, esfria. No limite superior da troposfera, os valores podem chegar a -50, -60 graus Celsius.

Em seguida vem a Estratosfera. Estende-se até 50 quilômetros. Nesta camada da atmosfera, a temperatura aumenta com a altura, adquirindo um valor no ponto mais alto de cerca de 0 C. O aumento da temperatura é causado pelo processo de absorção dos raios ultravioleta pela camada de ozônio. A radiação provoca uma reação química. As moléculas de oxigênio se decompõem em átomos únicos que podem se combinar com moléculas normais de oxigênio para formar ozônio.

A radiação do sol com comprimentos de onda entre 10 e 400 nanômetros é classificada como ultravioleta. Quanto menor o comprimento de onda da radiação UV, maior o perigo que ela representa para os organismos vivos. Apenas uma pequena fração da radiação atinge a superfície da Terra, além disso, a parte menos ativa de seu espectro. Esta característica da natureza permite que uma pessoa obtenha um bronzeado saudável.

A próxima camada da atmosfera é chamada de Mesosfera. Limites de aproximadamente 50 km a 85 km. Na mesosfera, a concentração de ozônio, que poderia reter a energia UV, é baixa, então a temperatura começa a cair novamente com a altura. No ponto de pico, a temperatura cai para -90 C, algumas fontes indicam um valor de -130 C. A maioria dos meteoróides queimam nesta camada da atmosfera.

A camada da atmosfera que se estende de uma altura de 85 km a uma distância de 600 km da Terra é chamada de Termosfera. A termosfera é a primeira a encontrar radiação solar, incluindo o chamado vácuo ultravioleta.

O vácuo UV é retardado pelo ar, aquecendo essa camada da atmosfera a temperaturas enormes. No entanto, como a pressão aqui é extremamente baixa, esse gás aparentemente incandescente não tem o mesmo efeito sobre os objetos que nas condições da superfície da Terra. Pelo contrário, objetos colocados em tal ambiente esfriarão.

A uma altitude de 100 km, passa a linha condicional "linha Karman", considerada o início do espaço.

Auroras ocorrem na termosfera. Nesta camada da atmosfera, o vento solar interage com o campo magnético do planeta.

A última camada da atmosfera é a Exosfera, uma camada externa que se estende por milhares de quilômetros. A exosfera é praticamente um lugar vazio, porém, o número de átomos vagando por aqui é uma ordem de grandeza maior do que no espaço interplanetário.

A pessoa respira ar. A pressão normal é de 760 milímetros de mercúrio. A uma altitude de 10.000 m, a pressão é de cerca de 200 mm. art. Arte. Nessa altitude, uma pessoa provavelmente pode respirar, pelo menos não por muito tempo, mas isso requer preparação. O estado será obviamente inoperável.

A composição gasosa da atmosfera: 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, cerca de um por cento de argônio, todo o resto é uma mistura de gases representando a menor fração do total.

Seu limite superior está a uma altitude de 8-10 km em latitudes polares, 10-12 km em latitudes temperadas e 16-18 km em latitudes tropicais; menor no inverno do que no verão. A camada inferior e principal da atmosfera. Contém mais de 80% da massa total do ar atmosférico e cerca de 90% de todo o vapor de água presente na atmosfera. A turbulência e a convecção são fortemente desenvolvidas na troposfera, aparecem nuvens, desenvolvem-se ciclones e anticiclones. A temperatura diminui com a altitude com um gradiente vertical médio de 0,65°/100 m

Para "condições normais" na superfície da Terra são tomadas: densidade 1,2 kg/m3, pressão barométrica 101,35 kPa, temperatura mais 20 °C e umidade relativa de 50%. Esses indicadores condicionais têm um valor puramente de engenharia.

Estratosfera

A camada da atmosfera localizada a uma altitude de 11 a 50 km. Uma ligeira mudança na temperatura na camada de 11-25 km (camada inferior da estratosfera) e seu aumento na camada de 25-40 km de -56,5 para 0,8 ° (estratosfera superior ou região de inversão) são típicos. Tendo atingido um valor de cerca de 273 K (quase 0°C) a uma altitude de cerca de 40 km, a temperatura mantém-se constante até uma altitude de cerca de 55 km. Essa região de temperatura constante é chamada de estratopausa e é a fronteira entre a estratosfera e a mesosfera.

Estratopausa

A camada limite da atmosfera entre a estratosfera e a mesosfera. Existe um máximo na distribuição vertical da temperatura (cerca de 0 °C).

Mesosfera

mesopausa

Camada de transição entre a mesosfera e a termosfera. Há um mínimo na distribuição vertical de temperatura (cerca de -90°C).

Linha Karman

Altitude acima do nível do mar, que é convencionalmente aceita como o limite entre a atmosfera da Terra e o espaço.

Termosfera

O limite superior é de cerca de 800 km. A temperatura sobe para altitudes de 200-300 km, onde atinge valores da ordem de 1500 K, após o que permanece quase constante até altas altitudes. Sob a influência da radiação solar ultravioleta e de raios-x e da radiação cósmica, o ar é ionizado ("luzes polares") - as principais regiões da ionosfera estão dentro da termosfera. Em altitudes acima de 300 km, predomina o oxigênio atômico.

Exosfera (esfera de dispersão)

Até uma altura de 100 km, a atmosfera é uma mistura homogênea e bem misturada de gases. Nas camadas mais altas, a distribuição dos gases em altura depende de suas massas moleculares, a concentração de gases mais pesados ​​diminui mais rapidamente com a distância da superfície da Terra. Devido à diminuição da densidade do gás, a temperatura cai de 0°C na estratosfera para -110°C na mesosfera. No entanto, a energia cinética de partículas individuais em altitudes de 200 a 250 km corresponde a uma temperatura de ~1500°C. Acima de 200 km, flutuações significativas na temperatura e na densidade do gás são observadas no tempo e no espaço.

A uma altitude de cerca de 2.000-3.000 km, a exosfera passa gradualmente para o chamado vácuo espacial próximo, que é preenchido com partículas altamente rarefeitas de gás interplanetário, principalmente átomos de hidrogênio. Mas este gás é apenas parte da matéria interplanetária. A outra parte é composta por partículas semelhantes a poeira de origem cometária e meteórica. Além de partículas semelhantes a poeira extremamente rarefeitas, a radiação eletromagnética e corpuscular de origem solar e galáctica penetra nesse espaço.

A troposfera representa cerca de 80% da massa da atmosfera, a estratosfera representa cerca de 20%; a massa da mesosfera não é superior a 0,3%, a termosfera é inferior a 0,05% da massa total da atmosfera. Com base nas propriedades elétricas na atmosfera, a neutrosfera e a ionosfera são distinguidas. Atualmente, acredita-se que a atmosfera se estenda a uma altitude de 2.000-3.000 km.

Dependendo da composição do gás na atmosfera, eles emitem homosfera e heterosfera. heterosfera- esta é uma área onde a gravidade afeta a separação dos gases, uma vez que sua mistura a tal altura é desprezível. Daí segue a composição variável da heterosfera. Abaixo dela encontra-se uma parte homogênea e bem misturada da atmosfera, chamada de homosfera. O limite entre essas camadas é chamado de turbopausa, fica a uma altitude de cerca de 120 km.

Propriedades físicas

A espessura da atmosfera é de aproximadamente 2.000 a 3.000 km da superfície da Terra. A massa total de ar - (5,1-5,3)? 10 18 kg. A massa molar do ar limpo e seco é 28,966. Pressão a 0 °C ao nível do mar 101,325 kPa; temperatura crítica ?140,7°C; pressão crítica 3,7 MPa; Cp 1,0048?10? J/(kg K) (a 0°C), Cv 0,7159 10? J/(kg K) (a 0°C). Solubilidade do ar em água a 0°С - 0,036%, a 25°С - 0,22%.

Propriedades fisiológicas e outras da atmosfera

Já a uma altitude de 5 km acima do nível do mar, uma pessoa não treinada desenvolve fome de oxigênio e, sem adaptação, o desempenho de uma pessoa é significativamente reduzido. É aqui que termina a zona fisiológica da atmosfera. A respiração humana torna-se impossível a uma altitude de 15 km, embora até cerca de 115 km a atmosfera contenha oxigênio.

A atmosfera nos fornece o oxigênio que precisamos para respirar. No entanto, devido à queda na pressão total da atmosfera à medida que você sobe a uma altura, a pressão parcial do oxigênio também diminui de acordo.

Os pulmões humanos contêm constantemente cerca de 3 litros de ar alveolar. A pressão parcial de oxigênio no ar alveolar à pressão atmosférica normal é de 110 mm Hg. Art., pressão de dióxido de carbono - 40 mm Hg. Art., e vapor de água - 47 mm Hg. Arte. Com o aumento da altitude, a pressão do oxigênio cai e a pressão total de vapor de água e dióxido de carbono nos pulmões permanece quase constante - cerca de 87 mm Hg. Arte. O fluxo de oxigênio para os pulmões parará completamente quando a pressão do ar circundante se tornar igual a esse valor.

A uma altitude de cerca de 19-20 km, a pressão atmosférica cai para 47 mm Hg. Arte. Portanto, nessa altura, a água e o fluido intersticial começam a ferver no corpo humano. Fora da cabine pressurizada nessas altitudes, a morte ocorre quase instantaneamente. Assim, do ponto de vista da fisiologia humana, o "espaço" já começa a uma altitude de 15 a 19 km.

Densas camadas de ar - a troposfera e a estratosfera - nos protegem dos efeitos nocivos da radiação. Com suficiente rarefação do ar, em altitudes superiores a 36 km, a radiação ionizante, raios cósmicos primários, tem um efeito intenso sobre o corpo; em altitudes superiores a 40 km, a parte ultravioleta do espectro solar, que é perigosa para os seres humanos, opera.

À medida que nos elevamos a uma altura cada vez maior acima da superfície da Terra, fenômenos que nos são familiares observados nas camadas mais baixas da atmosfera, como a propagação do som, o surgimento da sustentação e arrasto aerodinâmico, a transferência de calor por convecção, etc. ., enfraquecem gradualmente e depois desaparecem completamente.

Em camadas rarefeitas de ar, a propagação do som é impossível. Até altitudes de 60 a 90 km, ainda é possível usar a resistência do ar e a sustentação para um voo aerodinâmico controlado. Mas a partir de altitudes de 100-130 km, os conceitos do número M e da barreira do som familiares a todo piloto perdem seu significado, passa a Linha Karman condicional, além da qual começa a esfera de vôo puramente balístico, que só pode ser controlada usando forças reativas.

Em altitudes acima de 100 km, a atmosfera também é privada de outra propriedade notável - a capacidade de absorver, conduzir e transferir energia térmica por convecção (ou seja, por meio de mistura de ar). Isso significa que vários elementos de equipamentos, equipamentos da estação espacial orbital não poderão ser resfriados de fora da maneira que geralmente é feito em um avião - com a ajuda de jatos de ar e radiadores de ar. A tal altura, como no espaço em geral, a única maneira de transferir calor é a radiação térmica.

Composição da atmosfera

A atmosfera da Terra consiste principalmente de gases e várias impurezas (poeira, gotas de água, cristais de gelo, sais marinhos, produtos de combustão).

A concentração de gases que compõem a atmosfera é quase constante, com exceção da água (H 2 O) e do dióxido de carbono (CO 2).

Composição do ar seco

Gás	Contente por volume, %	Contente por peso, %
Azoto	78,084	75,50
Oxigênio	20,946	23,10
Argônio	0,932	1,286
Água	0,5-4	-
Dióxido de carbono	0,032	0,046
Néon	1,818 × 10 −3	1,3 × 10 −3
Hélio	4,6 × 10 −4	7,2 × 10 −5
Metano	1,7 × 10 −4	-
Krypton	1,14 × 10 −4	2,9 × 10 −4
Hidrogênio	5 × 10 −5	7,6 × 10 −5
Xenon	8,7 × 10 −6	-
Óxido nitroso	5 × 10 −5	7,7 × 10 −5

Além dos gases indicados na tabela, a atmosfera contém SO 2, NH 3, CO, ozônio, hidrocarbonetos, HCl, vapores, I 2 e muitos outros gases em pequenas quantidades. Na troposfera há constantemente uma grande quantidade de partículas sólidas e líquidas em suspensão (aerossóis).

História da formação da atmosfera

De acordo com a teoria mais comum, a atmosfera da Terra esteve em quatro composições diferentes ao longo do tempo. Inicialmente, consistia em gases leves (hidrogênio e hélio) capturados do espaço interplanetário. Este chamado atmosfera primária(cerca de quatro bilhões de anos atrás). No estágio seguinte, a atividade vulcânica ativa levou à saturação da atmosfera com outros gases além do hidrogênio (dióxido de carbono, amônia, vapor de água). É assim atmosfera secundária(cerca de três bilhões de anos antes de nossos dias). Essa atmosfera era restauradora. Além disso, o processo de formação da atmosfera foi determinado pelos seguintes fatores:

• vazamento de gases leves (hidrogênio e hélio) no espaço interplanetário;
• reações químicas que ocorrem na atmosfera sob a influência da radiação ultravioleta, descargas de raios e alguns outros fatores.

Gradualmente, esses fatores levaram à formação atmosfera terciária, caracterizado por um teor muito menor de hidrogênio e um teor muito maior de nitrogênio e dióxido de carbono (formado como resultado de reações químicas de amônia e hidrocarbonetos).

Azoto

A formação de uma grande quantidade de N 2 deve-se à oxidação da atmosfera de amônia-hidrogênio pelo O 2 molecular, que começou a vir da superfície do planeta como resultado da fotossíntese, a partir de 3 bilhões de anos atrás. O N 2 também é liberado na atmosfera como resultado da desnitrificação de nitratos e outros compostos contendo nitrogênio. O nitrogênio é oxidado pelo ozônio a NO na alta atmosfera.

O nitrogênio N 2 entra em reações apenas sob condições específicas (por exemplo, durante uma descarga atmosférica). A oxidação do nitrogênio molecular pelo ozônio durante as descargas elétricas é utilizada na produção industrial de fertilizantes nitrogenados. Pode ser oxidado com baixo consumo de energia e convertido em uma forma biologicamente ativa por cianobactérias (algas verde-azuladas) e bactérias nódulos que formam rizóbios simbiose com leguminosas, as chamadas. estrume verde.

Oxigênio

A composição da atmosfera começou a mudar radicalmente com o advento dos organismos vivos na Terra, como resultado da fotossíntese, acompanhada pela liberação de oxigênio e absorção de dióxido de carbono. Inicialmente, o oxigênio era gasto na oxidação de compostos reduzidos - amônia, hidrocarbonetos, a forma ferrosa do ferro contida nos oceanos, etc. Ao final dessa etapa, o teor de oxigênio na atmosfera começou a crescer. Gradualmente, formou-se uma atmosfera moderna com propriedades oxidantes. Como isso causou mudanças sérias e abruptas em muitos processos que ocorrem na atmosfera, litosfera e biosfera, esse evento foi chamado de Catástrofe do Oxigênio.

Dióxido de carbono

O conteúdo de CO 2 na atmosfera depende da atividade vulcânica e dos processos químicos nas conchas da Terra, mas acima de tudo - da intensidade da biossíntese e decomposição da matéria orgânica na biosfera da Terra. Quase toda a biomassa atual do planeta (cerca de 2,4 × 10 12 toneladas) é formada devido ao dióxido de carbono, nitrogênio e vapor d'água contidos no ar atmosférico. Enterrada no oceano, pântanos e florestas, a matéria orgânica se transforma em carvão, petróleo e gás natural. (ver Ciclo geoquímico do carbono)

gases nobres

Poluição do ar

Recentemente, o homem começou a influenciar a evolução da atmosfera. O resultado de suas atividades foi um aumento constante e significativo do teor de dióxido de carbono na atmosfera devido à combustão de combustíveis de hidrocarbonetos acumulados em épocas geológicas anteriores. Grandes quantidades de CO 2 são consumidas durante a fotossíntese e absorvidas pelos oceanos do mundo. Este gás entra na atmosfera devido à decomposição de rochas carbonáticas e substâncias orgânicas de origem vegetal e animal, bem como devido ao vulcanismo e atividades de produção humana. Nos últimos 100 anos, o teor de CO 2 na atmosfera aumentou 10%, sendo a maior parte (360 bilhões de toneladas) proveniente da queima de combustíveis. Se a taxa de crescimento da combustão de combustível continuar, nos próximos 50 a 60 anos a quantidade de CO 2 na atmosfera dobrará e poderá levar a mudanças climáticas globais.

A combustão de combustível é a principal fonte de gases poluentes (СО,, SO 2). O dióxido de enxofre é oxidado pelo oxigênio atmosférico a SO 3 na alta atmosfera, que por sua vez interage com vapor de água e amônia, e o ácido sulfúrico resultante (H 2 SO 4) e sulfato de amônio ((NH 4) 2 SO 4) retornam ao a superfície da Terra sob a forma de um chamado. chuva ácida. O uso de motores de combustão interna leva a uma poluição significativa do ar com óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e compostos de chumbo (tetraetil chumbo Pb (CH 3 CH 2) 4)).

A poluição da atmosfera por aerossóis é causada tanto por causas naturais (erupção vulcânica, tempestades de poeira, arrastamento de gotículas de água do mar e pólen de plantas, etc.) .). A intensa remoção em larga escala de partículas sólidas para a atmosfera é uma das possíveis causas das mudanças climáticas no planeta.

Literatura

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6. Monitoramento da poluição de fundo de ambientes naturais. dentro. 1, L., 1982.

Veja também

Links

atmosfera da Terra

Atmosfera (do grego ατμός - "vapor" e σφαῖρα - "esfera") - a concha gasosa de um corpo celeste, mantida em torno dele pela gravidade. Atmosfera - a concha gasosa do planeta, composta por uma mistura de vários gases, vapor de água e poeira. A troca de matéria entre a Terra e o Cosmos ocorre através da atmosfera. A Terra recebe poeira cósmica e material de meteoritos, perde os gases mais leves: hidrogênio e hélio. A atmosfera da Terra é atravessada pela poderosa radiação do Sol, que determina o regime térmico da superfície do planeta, causando a dissociação das moléculas do gás atmosférico e a ionização dos átomos.

A atmosfera da Terra contém oxigênio, que é usado pela maioria dos organismos vivos para a respiração, e dióxido de carbono, que é consumido por plantas, algas e cianobactérias durante a fotossíntese. A atmosfera também é uma camada protetora do planeta, protegendo seus habitantes da radiação ultravioleta solar.

Todos os corpos massivos têm uma atmosfera - planetas terrestres, gigantes gasosos.

Composição da atmosfera

A atmosfera é uma mistura de gases composta por nitrogênio (78,08%), oxigênio (20,95%), dióxido de carbono (0,03%), argônio (0,93%), uma pequena quantidade de hélio, neônio, xenônio, criptônio (0,01%), 0,038% de dióxido de carbono e pequenas quantidades de hidrogênio, hélio, outros gases nobres e poluentes.

A composição moderna do ar da Terra foi estabelecida há mais de cem milhões de anos, mas o aumento acentuado da atividade de produção humana, no entanto, levou à sua mudança. Atualmente, há um aumento no teor de CO 2 em cerca de 10 a 12. Os gases que compõem a atmosfera desempenham vários papéis funcionais. No entanto, o principal significado desses gases é determinado principalmente pelo fato de que eles absorvem fortemente a energia radiante e, portanto, têm um efeito significativo no regime de temperatura da superfície e da atmosfera da Terra.

A composição inicial da atmosfera de um planeta geralmente depende das propriedades químicas e térmicas do sol durante a formação dos planetas e a subsequente liberação de gases externos. Então a composição do envelope de gás evolui sob a influência de vários fatores.

As atmosferas de Vênus e Marte são principalmente dióxido de carbono com pequenas adições de nitrogênio, argônio, oxigênio e outros gases. A atmosfera da Terra é em grande parte um produto dos organismos que vivem nela. Gigantes gasosos de baixa temperatura - Júpiter, Saturno, Urano e Netuno - podem conter principalmente gases de baixo peso molecular - hidrogênio e hélio. Gigantes gasosos de alta temperatura, como Osíris ou 51 Pegasi b, pelo contrário, não podem segurá-lo, e as moléculas de sua atmosfera estão espalhadas no espaço. Este processo é lento e contínuo.

Azoto, o gás mais comum na atmosfera, quimicamente pouco ativo.

Oxigênio, ao contrário do nitrogênio, é um elemento quimicamente muito ativo. A função específica do oxigênio é a oxidação da matéria orgânica de organismos heterotróficos, rochas e gases suboxidados emitidos na atmosfera pelos vulcões. Sem oxigênio, não haveria decomposição de matéria orgânica morta.

Estrutura atmosférica

A estrutura da atmosfera consiste em duas partes: a interna - troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera, ou ionosfera, e a externa - magnetosfera (exosfera).

1) Troposfera- esta é a parte inferior da atmosfera, na qual 3/4 está concentrado, ou seja, ~ 80% de toda a atmosfera da Terra. Sua altura é determinada pela intensidade das correntes de ar verticais (ascendentes ou descendentes) causadas pelo aquecimento da superfície da terra e do oceano, de modo que a espessura da troposfera no equador é de 16 a 18 km, em latitudes temperadas de 10 a 11 km , e nos pólos - até 8 km. A temperatura do ar na troposfera em altitude diminui 0,6ºС a cada 100m e varia de +40 a -50ºС.

2) Estratosfera localizado acima da troposfera e tem uma altura de até 50 km da superfície do planeta. A temperatura a uma altitude de até 30 km é constante -50ºС. Então começa a subir e a uma altitude de 50 km atinge +10ºС.

O limite superior da biosfera é a tela de ozônio.

A tela de ozônio é uma camada da atmosfera dentro da estratosfera, localizada em diferentes alturas da superfície da Terra e com uma densidade máxima de ozônio a uma altitude de 20-26 km.

A altura da camada de ozônio nos pólos é estimada em 7-8 km, no equador em 17-18 km, e a altura máxima da presença de ozônio é de 45-50 km. Acima da tela de ozônio, a vida é impossível devido à forte radiação ultravioleta do Sol. Se você comprimir todas as moléculas de ozônio, obterá uma camada de ~ 3 mm ao redor do planeta.

3) Mesosfera– o limite superior desta camada está localizado até uma altura de 80 km. Sua principal característica é uma queda acentuada na temperatura -90ºС em seu limite superior. Nuvens prateadas consistindo de cristais de gelo são fixadas aqui.

4) Ionosfera (termosfera) - localizada até uma altitude de 800 km e é caracterizada por um aumento significativo da temperatura:

150km temperatura +240ºС,

200km temperatura +500ºС,

600km temperatura +1500ºС.

Sob a influência da radiação ultravioleta do sol, os gases estão em estado ionizado. A ionização está associada ao brilho dos gases e à ocorrência de auroras.

A ionosfera tem a capacidade de refletir repetidamente as ondas de rádio, o que fornece comunicações de rádio de longo alcance no planeta.

5) Exosfera- está localizado acima de 800 km e se estende até 3000 km. Aqui a temperatura é >2000ºС. A velocidade do movimento do gás se aproxima do crítico ~ 11,2 km/s. Dominam os átomos de hidrogênio e hélio, que formam uma coroa luminosa ao redor da Terra, estendendo-se a uma altitude de 20.000 km.

Funções da atmosfera

1) Termorregulação - o clima e o clima na Terra dependem da distribuição de calor, pressão.

2) Suporte de vida.

3) Na troposfera, há um movimento global vertical e horizontal das massas de ar, que determina o ciclo da água, a transferência de calor.

4) Quase todos os processos geológicos de superfície são devidos à interação da atmosfera, litosfera e hidrosfera.

5) Protetora - a atmosfera protege a Terra do espaço, da radiação solar e da poeira de meteoritos.

Funções da atmosfera. Sem uma atmosfera, a vida na Terra seria impossível. Uma pessoa consome diariamente 12-15 kg. ar, inalando a cada minuto de 5 a 100 litros, o que excede significativamente a necessidade média diária de comida e água. Além disso, a atmosfera protege de maneira confiável uma pessoa dos perigos que a ameaçam do espaço sideral: não deixa passar meteoritos e radiação cósmica. Uma pessoa pode viver cinco semanas sem comida, cinco dias sem água e cinco minutos sem ar. A vida normal das pessoas requer não apenas ar, mas também uma certa pureza. A saúde das pessoas, o estado da flora e da fauna, a resistência e a durabilidade das estruturas dos edifícios e estruturas dependem da qualidade do ar. O ar poluído é prejudicial para as águas, terra, mares, solos. A atmosfera determina a luz e regula os regimes térmicos da terra, contribui para a redistribuição do calor no globo. O envelope de gás protege a Terra do resfriamento e aquecimento excessivos. Se nosso planeta não estivesse cercado por uma camada de ar, em um dia a amplitude das flutuações de temperatura chegaria a 200 C. A atmosfera salva tudo o que vive na Terra dos raios ultravioleta, raios X e cósmicos destrutivos. A importância da atmosfera na distribuição da luz é grande. Seu ar quebra os raios do sol em um milhão de pequenos raios, os espalha e cria uma iluminação uniforme. A atmosfera serve como condutora de sons.

ATMOSFERA
envoltório gasoso ao redor de um corpo celeste. Suas características dependem do tamanho, massa, temperatura, velocidade de rotação e composição química de um determinado corpo celeste, e também são determinadas pela história de sua formação desde o momento de seu nascimento. A atmosfera da Terra é composta por uma mistura de gases chamada ar. Seus principais constituintes são nitrogênio e oxigênio em uma proporção de aproximadamente 4:1. Uma pessoa é afetada principalmente pelo estado dos 15-25 km inferiores da atmosfera, pois é nessa camada inferior que a maior parte do ar está concentrada. A ciência que estuda a atmosfera é chamada de meteorologia, embora o assunto dessa ciência seja também o clima e seu efeito sobre os seres humanos. O estado das camadas superiores da atmosfera, localizadas em altitudes de 60 a 300 e até 1.000 km da superfície da Terra, também está mudando. Ventos fortes, tempestades se desenvolvem aqui, e fenômenos elétricos incríveis como as auroras aparecem. Muitos desses fenômenos estão associados a fluxos de radiação solar, radiação cósmica e campo magnético da Terra. As altas camadas da atmosfera também são um laboratório químico, pois ali, em condições próximas ao vácuo, alguns gases atmosféricos, sob a influência de um poderoso fluxo de energia solar, entram em reações químicas. A ciência que estuda esses fenômenos e processos inter-relacionados é chamada de física das altas camadas da atmosfera.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DA ATMOSFERA DA TERRA
Dimensões. Até que foguetes de sondagem e satélites artificiais explorassem as camadas externas da atmosfera a distâncias várias vezes maiores que o raio da Terra, acreditava-se que à medida que você se afastava da superfície da Terra, a atmosfera gradualmente se tornava mais rarefeita e passa suavemente para o espaço interplanetário . Já foi estabelecido que os fluxos de energia das camadas profundas do Sol penetram no espaço sideral muito além da órbita da Terra, até os limites externos do Sistema Solar. Este assim chamado. O vento solar flui ao redor do campo magnético da Terra, formando uma "cavidade" alongada dentro da qual a atmosfera da Terra está concentrada. O campo magnético da Terra é visivelmente reduzido no lado diurno voltado para o Sol e forma uma longa língua, provavelmente se estendendo além da órbita da Lua, no lado noturno oposto. O limite do campo magnético da Terra é chamado de magnetopausa. No lado do dia, esse limite passa a uma distância de cerca de sete raios terrestres da superfície, mas durante os períodos de maior atividade solar está ainda mais próximo da superfície da Terra. A magnetopausa é também o limite da atmosfera terrestre, cuja camada externa também é chamada de magnetosfera, pois contém partículas carregadas (íons), cujo movimento é devido ao campo magnético da Terra. O peso total dos gases atmosféricos é de aproximadamente 4,5 x 1015 toneladas Assim, o "peso" da atmosfera por unidade de área, ou pressão atmosférica, é de aproximadamente 11 toneladas/m2 ao nível do mar.
Significado para a vida. Segue-se do exposto que a Terra está separada do espaço interplanetário por uma poderosa camada protetora. O espaço sideral é permeado de poderosa radiação ultravioleta e de raios X do Sol e radiação cósmica ainda mais forte, e esses tipos de radiação são prejudiciais a todos os seres vivos. Na borda externa da atmosfera, a intensidade da radiação é letal, mas uma parte significativa dela é retida pela atmosfera longe da superfície da Terra. A absorção dessa radiação explica muitas propriedades das altas camadas da atmosfera e, principalmente, os fenômenos elétricos que ali ocorrem. A camada superficial mais baixa da atmosfera é especialmente importante para uma pessoa que vive no ponto de contato das conchas sólidas, líquidas e gasosas da Terra. A camada superior da Terra "sólida" é chamada de litosfera. Cerca de 72% da superfície da Terra é coberta pelas águas dos oceanos, que compõem a maior parte da hidrosfera. A atmosfera faz fronteira tanto com a litosfera quanto com a hidrosfera. O homem vive no fundo do oceano aéreo e próximo ou acima do nível do oceano aquático. A interação desses oceanos é um dos fatores importantes que determinam o estado da atmosfera.
Composto. As camadas inferiores da atmosfera consistem em uma mistura de gases (ver tabela). Além dos listados na tabela, outros gases também estão presentes na forma de pequenas impurezas no ar: ozônio, metano, substâncias como monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio e enxofre, amônia.

COMPOSIÇÃO DA ATMOSFERA

Nas altas camadas da atmosfera, a composição do ar muda sob a influência da forte radiação do Sol, o que leva à quebra das moléculas de oxigênio em átomos. O oxigênio atômico é o principal componente das altas camadas da atmosfera. Finalmente, nas camadas mais distantes da atmosfera da superfície da Terra, os gases mais leves, hidrogênio e hélio, tornam-se os principais componentes. Como a maior parte da matéria está concentrada nos 30 km inferiores, as mudanças na composição do ar em altitudes acima de 100 km não têm um efeito perceptível na composição geral da atmosfera.
Troca de energia. O sol é a principal fonte de energia que chega à Terra. Estando a uma distância de aprox. A 150 milhões de km do Sol, a Terra recebe cerca de um bilionésimo da energia que irradia, principalmente na parte visível do espectro, que o homem chama de "luz". A maior parte dessa energia é absorvida pela atmosfera e litosfera. A Terra também irradia energia, principalmente na forma de radiação infravermelha. Assim, estabelece-se um equilíbrio entre a energia recebida do Sol, o aquecimento da Terra e da atmosfera e o fluxo inverso da energia térmica irradiada para o espaço. O mecanismo desse equilíbrio é extremamente complexo. Moléculas de poeira e gás espalham a luz, refletindo-a parcialmente no espaço do mundo. As nuvens refletem ainda mais a radiação recebida. Parte da energia é absorvida diretamente pelas moléculas do gás, mas principalmente pelas rochas, vegetação e águas superficiais. O vapor de água e o dióxido de carbono presentes na atmosfera transmitem a radiação visível, mas absorvem a radiação infravermelha. A energia térmica se acumula principalmente nas camadas mais baixas da atmosfera. Um efeito semelhante ocorre em uma estufa quando o vidro deixa a luz entrar e o solo aquece. Como o vidro é relativamente opaco à radiação infravermelha, o calor se acumula na estufa. O aquecimento da baixa atmosfera devido à presença de vapor de água e dióxido de carbono é muitas vezes referido como o efeito estufa. A nebulosidade desempenha um papel significativo na conservação do calor nas camadas mais baixas da atmosfera. Se as nuvens se dissiparem ou a transparência das massas de ar aumentar, a temperatura inevitavelmente diminuirá à medida que a superfície da Terra irradia livremente energia térmica para o espaço circundante. A água na superfície da Terra absorve a energia solar e evapora, transformando-se em gás - vapor de água, que transporta uma enorme quantidade de energia para a atmosfera mais baixa. Quando o vapor de água se condensa e forma nuvens ou neblina, essa energia é liberada na forma de calor. Cerca de metade da energia solar que atinge a superfície da Terra é gasta na evaporação da água e entra na atmosfera inferior. Assim, devido ao efeito estufa e à evaporação da água, a atmosfera se aquece por baixo. Isso explica em parte a alta atividade de sua circulação em comparação com a circulação do Oceano Mundial, que aquece apenas de cima e, portanto, é muito mais estável que a atmosfera.
Veja também METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA. Além do aquecimento geral da atmosfera pela "luz" solar, ocorre um aquecimento significativo de algumas de suas camadas devido à radiação ultravioleta e de raios X do Sol. Estrutura. Comparado com líquidos e sólidos, em substâncias gasosas, a força de atração entre as moléculas é mínima. À medida que a distância entre as moléculas aumenta, os gases são capazes de se expandir indefinidamente se nada os impedir. O limite inferior da atmosfera é a superfície da Terra. A rigor, essa barreira é impenetrável, pois ocorrem trocas gasosas entre ar e água e até mesmo entre ar e rochas, mas neste caso esses fatores podem ser desprezados. Como a atmosfera é uma casca esférica, ela não tem limites laterais, mas apenas um limite inferior e um limite superior (externo) aberto do lado do espaço interplanetário. Através da fronteira externa, alguns gases neutros vazam, bem como o fluxo de matéria do espaço exterior circundante. A maioria das partículas carregadas, com exceção dos raios cósmicos de alta energia, são capturadas pela magnetosfera ou repelidas por ela. A atmosfera também é afetada pela força da gravidade, que mantém a camada de ar na superfície da Terra. Os gases atmosféricos são comprimidos pelo seu próprio peso. Essa compressão é máxima no limite inferior da atmosfera e, portanto, a densidade do ar é a mais alta aqui. Em qualquer altura acima da superfície da Terra, o grau de compressão do ar depende da massa da coluna de ar sobrejacente, de modo que a densidade do ar diminui com a altura. A pressão, igual à massa da coluna de ar sobrejacente por unidade de área, está diretamente relacionada à densidade e, portanto, também diminui com a altura. Se a atmosfera fosse um "gás ideal" com uma composição constante independente da altura, uma temperatura constante e uma força da gravidade constante agindo sobre ela, então a pressão diminuiria por um fator de 10 para cada 20 km de altitude. A atmosfera real difere ligeiramente do gás ideal até cerca de 100 km, e então a pressão diminui mais lentamente com a altura, à medida que a composição do ar muda. Pequenas mudanças no modelo descrito também são introduzidas por uma diminuição da gravidade com o aumento da distância do centro da Terra, chegando a aprox. 3% para cada 100 km de altitude. Ao contrário da pressão atmosférica, a temperatura não diminui continuamente com a altitude. Como mostrado na fig. 1, diminui para aproximadamente 10 km e depois começa a subir novamente. Isso ocorre quando o oxigênio absorve a radiação solar ultravioleta. Nesse caso, é formado o gás ozônio, cujas moléculas consistem em três átomos de oxigênio (O3). Também absorve a radiação ultravioleta e, portanto, essa camada da atmosfera, chamada ozonosfera, aquece. Mais alto, a temperatura cai novamente, uma vez que há muito menos moléculas de gás, e a absorção de energia é correspondentemente reduzida. Em camadas ainda mais altas, a temperatura aumenta novamente devido à absorção da radiação ultravioleta e de raios-X de menor comprimento de onda do Sol pela atmosfera. Sob a influência desta poderosa radiação, a atmosfera é ionizada, ou seja, Uma molécula de gás perde um elétron e adquire uma carga elétrica positiva. Tais moléculas tornam-se íons carregados positivamente. Devido à presença de elétrons e íons livres, essa camada da atmosfera adquire as propriedades de um condutor elétrico. Acredita-se que a temperatura continue a subir a alturas onde a atmosfera rarefeita passa para o espaço interplanetário. A uma distância de vários milhares de quilômetros da superfície da Terra, provavelmente prevalecem temperaturas de 5.000 ° a 10.000 ° C. Embora as moléculas e os átomos tenham velocidades de movimento muito altas e, portanto, uma temperatura alta, esse gás rarefeito não é "quente" no sentido usual. . Devido ao escasso número de moléculas em grandes altitudes, sua energia térmica total é muito pequena. Assim, a atmosfera consiste em camadas separadas (ou seja, uma série de conchas concêntricas ou esferas), cuja seleção depende de qual propriedade é de maior interesse. Com base na distribuição de temperatura média, os meteorologistas desenvolveram um esquema para a estrutura de uma "atmosfera média" ideal (ver Fig. 1).

Troposfera - a camada inferior da atmosfera, estendendo-se até o primeiro mínimo térmico (a chamada tropopausa). O limite superior da troposfera depende da latitude geográfica (nos trópicos - 18-20 km, nas latitudes temperadas - cerca de 10 km) e da época do ano. O Serviço Nacional de Meteorologia dos EUA realizou sondagens perto do Pólo Sul e revelou mudanças sazonais na altura da tropopausa. Em março, a tropopausa está a uma altitude de aprox. 7,5km. De março a agosto ou setembro há um resfriamento constante da troposfera, e seu limite sobe por um curto período em agosto ou setembro a uma altura de aproximadamente 11,5 km. Então, de setembro a dezembro, cai rapidamente e atinge sua posição mais baixa - 7,5 km, onde permanece até março, flutuando em apenas 0,5 km. É na troposfera que se forma principalmente o clima, que determina as condições para a existência humana. A maior parte do vapor de água atmosférico está concentrado na troposfera e, portanto, as nuvens se formam principalmente aqui, embora algumas delas, constituídas por cristais de gelo, também sejam encontradas nas camadas mais altas. A troposfera é caracterizada por turbulências e fortes correntes de ar (ventos) e tempestades. Na troposfera superior, existem fortes correntes de ar de direção estritamente definida. Redemoinhos turbulentos, como pequenos redemoinhos, são formados sob a influência de atrito e interação dinâmica entre massas de ar em movimento lento e rápido. Como geralmente não há cobertura de nuvens nessas camadas altas, essa turbulência é chamada de "turbulência de ar limpo".
Estratosfera. A camada superior da atmosfera é muitas vezes erroneamente descrita como uma camada com temperaturas relativamente constantes, onde os ventos sopram mais ou menos constantemente e onde os elementos meteorológicos mudam pouco. As camadas superiores da estratosfera aquecem à medida que o oxigênio e o ozônio absorvem a radiação ultravioleta solar. O limite superior da estratosfera (estratopausa) é desenhado onde a temperatura aumenta ligeiramente, atingindo um máximo intermediário, que muitas vezes é comparável à temperatura da camada de ar superficial. Com base em observações feitas com aviões e balões adaptados para voar em altitude constante, perturbações turbulentas e ventos fortes soprando em diferentes direções foram estabelecidos na estratosfera. Como na troposfera, observam-se poderosos vórtices de ar, que são especialmente perigosos para aeronaves de alta velocidade. Ventos fortes, chamados de correntes de jato, sopram em zonas estreitas ao longo das fronteiras de latitudes temperadas voltadas para os pólos. No entanto, essas zonas podem mudar, desaparecer e reaparecer. As correntes de jato geralmente penetram na tropopausa e aparecem na troposfera superior, mas sua velocidade diminui rapidamente com a diminuição da altitude. É possível que parte da energia que entra na estratosfera (principalmente gasta na formação de ozônio) afete os processos na troposfera. A mistura particularmente ativa está associada às frentes atmosféricas, onde extensos fluxos de ar estratosférico foram registrados significativamente abaixo da tropopausa, e o ar troposférico foi atraído para as camadas inferiores da estratosfera. Progressos significativos foram feitos no estudo da estrutura vertical das camadas inferiores da atmosfera em conexão com o aprimoramento da técnica de lançamento de radiossondas para altitudes de 25 a 30 km. A mesosfera, localizada acima da estratosfera, é uma concha na qual, até uma altura de 80-85 km, a temperatura cai ao mínimo para a atmosfera como um todo. Baixas temperaturas recordes de até -110°C foram registradas por foguetes meteorológicos lançados da instalação EUA-Canadá em Fort Churchill (Canadá). O limite superior da mesosfera (mesopausa) coincide aproximadamente com o limite inferior da região de absorção ativa dos raios X e o menor comprimento de onda da radiação ultravioleta do Sol, que é acompanhada pelo aquecimento e ionização do gás. Nas regiões polares no verão, os sistemas de nuvens aparecem frequentemente na mesopausa, que ocupam uma grande área, mas têm pouco desenvolvimento vertical. Essas nuvens que brilham à noite geralmente permitem detectar movimentos ondulantes de ar em grande escala na mesosfera. A composição dessas nuvens, fontes de umidade e núcleos de condensação, dinâmica e relação com fatores meteorológicos ainda são pouco estudados. A termosfera é uma camada da atmosfera na qual a temperatura aumenta continuamente. Sua potência pode chegar a 600 km. A pressão e, consequentemente, a densidade de um gás diminuem constantemente com a altura. Perto da superfície terrestre, 1 m3 de ar contém aprox. 2,5x1025 moléculas, a uma altura de aprox. 100 km, nas camadas inferiores da termosfera - aproximadamente 1019, a uma altitude de 200 km, na ionosfera - 5 * 10 15 e, segundo cálculos, a uma altitude de aprox. 850 km - aproximadamente 1012 moléculas. No espaço interplanetário, a concentração de moléculas é de 10 8-10 9 por 1 m3. A uma altura de aprox. 100 km, o número de moléculas é pequeno e raramente colidem umas com as outras. A distância média percorrida por uma molécula em movimento caótico antes de colidir com outra molécula semelhante é chamada de caminho livre médio. A camada na qual esse valor aumenta tanto que a probabilidade de colisões intermoleculares ou interatômicas pode ser desprezada está localizada na fronteira entre a termosfera e a camada sobrejacente (exosfera) e é chamada de pausa térmica. A termopausa está localizada a aproximadamente 650 km da superfície da Terra. A uma certa temperatura, a velocidade do movimento de uma molécula depende de sua massa: moléculas mais leves se movem mais rápido que as mais pesadas. Na baixa atmosfera, onde o caminho livre é muito curto, não há separação perceptível de gases de acordo com seu peso molecular, mas é expresso acima de 100 km. Além disso, sob a influência da radiação ultravioleta e de raios X do Sol, as moléculas de oxigênio se decompõem em átomos, cuja massa é metade da massa da molécula. Portanto, à medida que nos afastamos da superfície da Terra, o oxigênio atômico torna-se cada vez mais importante na composição da atmosfera e a uma altitude de aprox. 200 km torna-se seu principal componente. Mais alto, a uma distância de cerca de 1200 km da superfície da Terra, predominam os gases leves - hélio e hidrogênio. Eles são a camada externa da atmosfera. Essa separação por peso, chamada separação difusa, é semelhante à separação de misturas com uma centrífuga. A exosfera é a camada externa da atmosfera, que é isolada com base nas mudanças de temperatura e nas propriedades do gás neutro. Moléculas e átomos na exosfera giram em torno da Terra em órbitas balísticas sob a influência da gravidade. Algumas dessas órbitas são parabólicas e semelhantes às trajetórias de projéteis. As moléculas podem girar em torno da Terra e em órbitas elípticas, como os satélites. Algumas moléculas, principalmente hidrogênio e hélio, têm trajetórias abertas e escapam para o espaço sideral (Fig. 2).

RELAÇÕES SOLAR-TERRESTRE E SUA INFLUÊNCIA NA ATMOSFERA
marés atmosféricas. A atração do Sol e da Lua provoca marés na atmosfera, semelhantes às marés terrestres e marítimas. Mas as marés atmosféricas têm uma diferença significativa: a atmosfera reage mais fortemente à atração do Sol, enquanto a crosta terrestre e o oceano - à atração da Lua. Isso se explica pelo fato de que a atmosfera é aquecida pelo Sol e, além da maré gravitacional, surge uma poderosa maré térmica. Em geral, os mecanismos de formação das marés atmosféricas e marítimas são semelhantes, exceto que, para prever a reação do ar às influências gravitacionais e térmicas, é necessário levar em conta sua compressibilidade e distribuição de temperatura. Não está totalmente claro por que as marés solares semidiurnas (12 horas) na atmosfera predominam sobre as marés solares diurnas e lunares semidiurnas, embora as forças motrizes dos dois últimos processos sejam muito mais poderosas. Anteriormente, acreditava-se que ocorresse uma ressonância na atmosfera, que amplificaria precisamente as oscilações com um período de 12 horas. No entanto, observações feitas com a ajuda de foguetes geofísicos indicam que não há razões térmicas para tal ressonância. Ao resolver este problema, deve-se provavelmente levar em conta todas as características hidrodinâmicas e térmicas da atmosfera. Na superfície da Terra perto do equador, onde a influência das flutuações das marés é máxima, proporciona uma mudança na pressão atmosférica de 0,1%. A velocidade dos ventos de maré é de aprox. 0,3 km/h. Devido à complexa estrutura térmica da atmosfera (especialmente a presença de uma temperatura mínima na mesopausa), as correntes de ar de maré se intensificam e, por exemplo, a uma altitude de 70 km, sua velocidade é cerca de 160 vezes maior do que na Terra. superfície, o que tem importantes consequências geofísicas. Acredita-se que na parte inferior da ionosfera (camada E) as oscilações de maré movem o gás ionizado verticalmente no campo magnético da Terra e, portanto, surgem correntes elétricas aqui. Esses sistemas de correntes constantemente emergentes na superfície da Terra são estabelecidos por perturbações do campo magnético. As variações diurnas do campo magnético estão em boa concordância com os valores calculados, o que atesta convincentemente a favor da teoria dos mecanismos de maré do "dínamo atmosférico". As correntes elétricas que surgem na parte inferior da ionosfera (camada E) devem se mover para algum lugar e, portanto, o circuito deve ser fechado. A analogia com o dínamo torna-se completa se considerarmos o movimento que se aproxima como o trabalho do motor. Supõe-se que a circulação reversa da corrente elétrica seja realizada em uma camada superior da ionosfera (F), e esse contrafluxo pode explicar algumas das características peculiares dessa camada. Finalmente, o efeito de maré também deve gerar correntes horizontais na camada E e, portanto, na camada F.
Ionosfera. Tentando explicar o mecanismo da ocorrência das auroras, cientistas do século XIX. sugeriram que na atmosfera existe uma zona com partículas eletricamente carregadas. No século 20 evidências convincentes foram obtidas experimentalmente para a existência de uma camada refletindo ondas de rádio em altitudes de 85 a 400 km. Sabe-se agora que suas propriedades elétricas são o resultado da ionização do gás atmosférico. Portanto, essa camada é geralmente chamada de ionosfera. O impacto nas ondas de rádio se deve principalmente à presença de elétrons livres na ionosfera, embora o mecanismo de propagação das ondas de rádio esteja associado à presença de íons grandes. Estes últimos também são de interesse no estudo das propriedades químicas da atmosfera, pois são mais ativos que átomos e moléculas neutras. As reações químicas que ocorrem na ionosfera desempenham um papel importante em seu equilíbrio energético e elétrico.
ionosfera normal. Observações realizadas com a ajuda de foguetes e satélites geofísicos forneceram muitas informações novas, indicando que a ionização da atmosfera ocorre sob a influência da radiação solar de amplo espectro. Sua parte principal (mais de 90%) está concentrada na parte visível do espectro. A radiação ultravioleta com comprimento de onda mais curto e mais energia do que os raios de luz violeta é emitida pelo hidrogênio da parte interna da atmosfera do Sol (cromosfera), e a radiação de raios X, que tem energia ainda maior, é emitida pelos gases do Sol. concha externa (coroa). O estado normal (médio) da ionosfera é devido à radiação poderosa constante. Mudanças regulares ocorrem na ionosfera normal sob a influência da rotação diária da Terra e diferenças sazonais no ângulo de incidência dos raios solares ao meio-dia, mas também ocorrem mudanças imprevisíveis e abruptas no estado da ionosfera.
Distúrbios na ionosfera. Como se sabe, poderosas perturbações que se repetem ciclicamente surgem no Sol, que atingem um máximo a cada 11 anos. As observações no âmbito do programa do Ano Geofísico Internacional (AGI) coincidiram com o período de maior atividade solar para todo o período de observações meteorológicas sistemáticas, ou seja, desde o início do século XVIII Durante períodos de alta atividade, algumas áreas do Sol aumentam o brilho várias vezes e enviam pulsos poderosos de radiação ultravioleta e de raios X. Tais fenômenos são chamados de explosões solares. Eles duram de vários minutos a uma ou duas horas. Durante uma erupção, o gás solar (principalmente prótons e elétrons) entra em erupção e partículas elementares correm para o espaço sideral. A radiação eletromagnética e corpuscular do Sol nos momentos de tais explosões tem um forte efeito sobre a atmosfera da Terra. A reação inicial é observada 8 minutos após o flash, quando intensa radiação ultravioleta e de raios X atinge a Terra. Como resultado, a ionização aumenta acentuadamente; os raios X penetram na atmosfera até o limite inferior da ionosfera; o número de elétrons nessas camadas aumenta tanto que os sinais de rádio são quase completamente absorvidos ("extintos"). A absorção adicional de radiação causa aquecimento do gás, o que contribui para o desenvolvimento de ventos. O gás ionizado é um condutor elétrico e, quando se move no campo magnético da Terra, aparece um efeito dínamo e é gerada uma corrente elétrica. Tais correntes podem, por sua vez, causar perturbações perceptíveis no campo magnético e se manifestar na forma de tempestades magnéticas. Esta fase inicial leva apenas um curto período de tempo, correspondendo à duração de uma erupção solar. Durante explosões poderosas no Sol, um fluxo de partículas aceleradas corre para o espaço sideral. Quando se dirige para a Terra, inicia-se a segunda fase, que tem grande influência no estado da atmosfera. Muitos fenômenos naturais, entre os quais as auroras são mais conhecidas, indicam que um número significativo de partículas carregadas atinge a Terra (veja também LUZES POLARES). No entanto, os processos de desprendimento dessas partículas do Sol, suas trajetórias no espaço interplanetário e os mecanismos de interação com o campo magnético da Terra e a magnetosfera ainda são pouco estudados. O problema tornou-se mais complicado após a descoberta em 1958 por James Van Allen de conchas mantidas pelo campo geomagnético, constituídas por partículas carregadas. Essas partículas se movem de um hemisfério para outro, girando em espirais ao redor das linhas do campo magnético. Perto da Terra, a uma altura que depende da forma das linhas de força e da energia das partículas, existem "pontos de reflexão", nos quais as partículas mudam sua direção de movimento para o oposto (Fig. 3). Como a força do campo magnético diminui com a distância da Terra, as órbitas ao longo das quais essas partículas se movem são um pouco distorcidas: os elétrons se desviam para o leste e os prótons para o oeste. Portanto, eles são distribuídos em forma de cinturões ao redor do globo.

Algumas consequências do aquecimento da atmosfera pelo Sol. A energia solar afeta toda a atmosfera. Já mencionamos os cinturões formados por partículas carregadas no campo magnético da Terra e girando em torno dele. Esses cinturões estão mais próximos da superfície da Terra nas regiões circumpolares (veja a Fig. 3), onde as auroras são observadas. A Figura 1 mostra que as regiões de aurora no Canadá têm temperaturas termoféricas significativamente mais altas do que as do sudoeste dos EUA. É provável que as partículas capturadas cedam parte de sua energia para a atmosfera, principalmente ao colidir com moléculas de gás próximas aos pontos de reflexão, e deixem suas órbitas anteriores. É assim que as altas camadas da atmosfera são aquecidas na zona da aurora. Outra descoberta importante foi feita ao estudar as órbitas de satélites artificiais. Luigi Iacchia, astrônomo do Smithsonian Astrophysical Observatory, acredita que os pequenos desvios dessas órbitas se devem a mudanças na densidade da atmosfera à medida que é aquecida pelo Sol. Ele sugeriu a existência de uma densidade eletrônica máxima na ionosfera a uma altitude de mais de 200 km, o que não corresponde ao meio-dia solar, mas sob a influência de forças de atrito fica atrás dele em cerca de duas horas. Neste momento, os valores da densidade atmosférica, típicos para uma altitude de 600 km, são observados a um nível de aprox. 950km. Além disso, a concentração máxima de elétrons sofre flutuações irregulares devido a flashes de curto prazo de radiação ultravioleta e de raios X do Sol. L. Yakkia também descobriu flutuações de curto prazo na densidade do ar, correspondendo a explosões solares e distúrbios do campo magnético. Esses fenômenos são explicados pela intrusão de partículas de origem solar na atmosfera terrestre e pelo aquecimento das camadas onde orbitam os satélites.
ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA
Na camada superficial da atmosfera, uma pequena parte das moléculas sofre ionização sob a influência de raios cósmicos, radiação de rochas radioativas e produtos de decaimento do rádio (principalmente radônio) no próprio ar. No processo de ionização, um átomo perde um elétron e adquire uma carga positiva. Um elétron livre rapidamente se combina com outro átomo, formando um íon carregado negativamente. Esses íons positivos e negativos emparelhados têm dimensões moleculares. Moléculas na atmosfera tendem a se agrupar em torno desses íons. Várias moléculas combinadas com um íon formam um complexo comumente chamado de "íon leve". A atmosfera também contém complexos de moléculas, conhecidos na meteorologia como núcleos de condensação, em torno dos quais, quando o ar está saturado de umidade, inicia-se o processo de condensação. Esses núcleos são partículas de sal e poeira, bem como poluentes liberados no ar de fontes industriais e outras. Os íons leves geralmente se ligam a esses núcleos para formar "íons pesados". Sob a influência de um campo elétrico, íons leves e pesados ​​se movem de uma área da atmosfera para outra, transferindo cargas elétricas. Embora a atmosfera não seja geralmente considerada um meio eletricamente condutor, ela tem uma pequena quantidade de condutividade. Portanto, um corpo carregado deixado no ar perde lentamente sua carga. A condutividade atmosférica aumenta com a altura devido ao aumento da intensidade dos raios cósmicos, perda de íons reduzida sob condições de pressão mais baixas (e, portanto, caminho livre médio mais longo) e devido a menos núcleos pesados. A condutividade da atmosfera atinge o seu valor máximo a uma altura de aprox. 50 km, assim chamado. "nível de compensação". Sabe-se que entre a superfície da Terra e o "nível de compensação" há sempre uma diferença de potencial de várias centenas de quilovolts, ou seja, campo elétrico constante. Descobriu-se que a diferença de potencial entre um certo ponto no ar a uma altura de vários metros e a superfície da Terra é muito grande - mais de 100 V. A atmosfera tem uma carga positiva e a superfície da Terra é carregada negativamente. Como o campo elétrico é uma área, em cada ponto do qual existe um determinado valor de potencial, podemos falar em gradiente de potencial. Em tempo claro, dentro dos poucos metros mais baixos, a força do campo elétrico da atmosfera é quase constante. Devido às diferenças na condutividade elétrica do ar na camada superficial, o gradiente de potencial está sujeito a flutuações diurnas, cujo curso varia significativamente de lugar para lugar. Na ausência de fontes locais de poluição do ar - sobre os oceanos, no alto das montanhas ou nas regiões polares - o curso diário do gradiente potencial em tempo claro é o mesmo. A magnitude do gradiente depende do universal, ou Greenwich Mean Time (UT) e atinge um máximo às 19:00 E. Appleton sugeriu que esta condutividade elétrica máxima provavelmente coincide com a maior atividade de tempestade em escala planetária. Descargas de raios durante tempestades carregam uma carga negativa para a superfície da Terra, uma vez que as bases das nuvens cumulonimbus mais ativas têm uma carga negativa significativa. Os topos das nuvens de trovoada têm uma carga positiva, que, de acordo com os cálculos de Holzer e Saxon, flui de seus topos durante as tempestades. Sem reabastecimento constante, a carga na superfície da Terra seria neutralizada pela condutividade da atmosfera. A suposição de que a diferença de potencial entre a superfície da Terra e o "nível de compensação" é mantida devido a tempestades é suportada por dados estatísticos. Por exemplo, o número máximo de trovoadas é observado no vale do rio. Amazonas. Na maioria das vezes, as tempestades ocorrem lá no final do dia, ou seja, OK. 19:00 Greenwich Mean Time, quando o gradiente potencial está em seu máximo em qualquer lugar do mundo. Além disso, as variações sazonais na forma das curvas da variação diurna do gradiente potencial também estão de acordo com os dados sobre a distribuição global das trovoadas. Alguns pesquisadores argumentam que a fonte do campo elétrico da Terra pode ser de origem externa, pois acredita-se que existam campos elétricos na ionosfera e na magnetosfera. Esta circunstância provavelmente explica o aparecimento de formas alongadas muito estreitas de auroras, semelhantes aos bastidores e arcos.
(veja também LUZES POLARES). Devido ao gradiente de potencial e condutividade da atmosfera entre o "nível de compensação" e a superfície da Terra, as partículas carregadas começam a se mover: íons carregados positivamente - em direção à superfície da Terra e carregados negativamente - para cima. Esta corrente é de aprox. 1800 A. Embora esse valor pareça grande, deve-se lembrar que ele está distribuído por toda a superfície da Terra. A força da corrente em uma coluna de ar com uma área de base de 1 m2 é de apenas 4 * 10 -12 A. Por outro lado, a força da corrente durante uma descarga atmosférica pode atingir vários amperes, embora, é claro, essa descarga tem uma curta duração - de frações de segundo a um segundo inteiro ou um pouco mais com descargas repetidas. O relâmpago é de grande interesse não apenas como um fenômeno peculiar da natureza. Permite observar uma descarga elétrica em meio gasoso a uma tensão de várias centenas de milhões de volts e uma distância entre os eletrodos de vários quilômetros. Em 1750, B. Franklin propôs à Royal Society de Londres que eles experimentassem com uma barra de ferro fixada em uma base isolante e montada em uma torre alta. Ele esperava que, quando uma nuvem de trovoada se aproximasse da torre, uma carga de sinal oposto se concentrasse na extremidade superior da haste inicialmente neutra, e uma carga de mesmo sinal da base da nuvem se concentrasse na extremidade inferior. . Se a intensidade do campo elétrico durante uma descarga atmosférica aumentar suficientemente, a carga da extremidade superior da haste será parcialmente drenada para o ar e a haste adquirirá uma carga do mesmo sinal da base da nuvem. A experiência proposta por Franklin não foi realizada na Inglaterra, mas foi montada em 1752 em Marly, perto de Paris, pelo físico francês Jean d'Alembert, que utilizou uma barra de ferro de 12 m de comprimento inserida em uma garrafa de vidro (que serviu de isolante), mas não o colocou na torre. Em 10 de maio, seu assistente relatou que quando uma nuvem de trovoada estava sobre uma haste, faíscas eram produzidas quando um fio aterrado era trazido a ela. O próprio Franklin, desconhecendo a experiência bem-sucedida realizada na França, em junho daquele ano realizou seu famoso experimento com uma pipa e observou faíscas elétricas na ponta de um fio amarrado a ela. .Estudos mais detalhados de raios tornaram-se possíveis no final do século XIX devido ao aperfeiçoamento dos métodos fotográficos, principalmente após a invenção dos aparelhos com lentes rotativas, que possibilitaram a fixação de processos em rápida evolução. Tal câmera foi amplamente utilizada no estudo de descargas de faísca. Constatou-se que existem vários tipos de raios, sendo os mais comuns os lineares, planos (intra-nuvem) e globulares (descargas de ar). O raio linear é uma descarga de faísca entre uma nuvem e a superfície da terra, seguindo um canal com ramos descendentes. Relâmpagos planos ocorrem dentro de uma nuvem de trovoada e se parecem com flashes de luz dispersa. As descargas aéreas de raios esféricos, a partir de uma nuvem de trovoada, são frequentemente direcionadas horizontalmente e não atingem a superfície da Terra.

Uma descarga atmosférica geralmente consiste em três ou mais descargas repetidas - impulsos que seguem o mesmo caminho. Os intervalos entre os pulsos sucessivos são muito curtos, de 1/100 a 1/10 s (é isso que faz o relâmpago piscar). Em geral, o flash dura cerca de um segundo ou menos. Um processo típico de desenvolvimento de relâmpagos pode ser descrito da seguinte forma. Primeiro, um líder de descarga fracamente luminoso corre de cima para a superfície da Terra. Quando ele o alcança, uma descarga reversa, ou principal, brilhantemente brilhante passa da terra até o canal estabelecido pelo líder. O líder de descarga, via de regra, se move em ziguezague. A velocidade de sua propagação varia de cem a várias centenas de quilômetros por segundo. Em seu caminho, ioniza as moléculas de ar, criando um canal com maior condutividade, através do qual a descarga reversa se move para cima a uma velocidade cerca de cem vezes maior que a da descarga líder. É difícil determinar o tamanho do canal, mas o diâmetro da descarga líder é estimado em 1-10 m, e o da descarga reversa, vários centímetros. Descargas de raios criam interferência de rádio emitindo ondas de rádio em uma ampla faixa - de 30 kHz a frequências ultrabaixas. A maior radiação das ondas de rádio está provavelmente na faixa de 5 a 10 kHz. Essa interferência de rádio de baixa frequência é "concentrada" no espaço entre o limite inferior da ionosfera e a superfície da Terra e é capaz de se propagar a distâncias de milhares de quilômetros da fonte.
MUDANÇAS NA ATMOSFERA
Impacto de meteoros e meteoritos. Embora às vezes as chuvas de meteoros causem uma impressão profunda com seus efeitos de iluminação, meteoros individuais raramente são vistos. Muito mais numerosos são os meteoros invisíveis, pequenos demais para serem vistos no momento em que são engolidos pela atmosfera. Alguns dos menores meteoros provavelmente não aquecem, mas são capturados apenas pela atmosfera. Essas pequenas partículas que variam em tamanho de alguns milímetros a dez milésimos de milímetro são chamadas de micrometeoritos. A quantidade de matéria meteórica que entra na atmosfera todos os dias é de 100 a 10.000 toneladas, sendo a maior parte dessa matéria micrometeoritos. Como a matéria meteórica queima parcialmente na atmosfera, sua composição gasosa é reabastecida com vestígios de vários elementos químicos. Por exemplo, meteoros de pedra trazem lítio para a atmosfera. A combustão de meteoros metálicos leva à formação de minúsculas gotículas esféricas de ferro, ferro-níquel e outras que passam pela atmosfera e se depositam na superfície da Terra. Eles podem ser encontrados na Groenlândia e na Antártida, onde as camadas de gelo permanecem quase inalteradas por anos. Oceanologistas os encontram em sedimentos do fundo do oceano. A maioria das partículas de meteoros que entram na atmosfera são depositadas em aproximadamente 30 dias. Alguns cientistas acreditam que essa poeira cósmica desempenha um papel importante na formação de fenômenos atmosféricos como a chuva, pois serve como núcleo de condensação do vapor d'água. Portanto, assume-se que a precipitação está estatisticamente associada a grandes chuvas de meteoros. No entanto, alguns especialistas acreditam que, como a entrada total de matéria meteórica é muitas dezenas de vezes maior do que com a maior chuva de meteoros, a mudança na quantidade total desse material que ocorre como resultado de uma dessas chuvas pode ser negligenciada. No entanto, não há dúvida de que os maiores micrometeoritos e, claro, os meteoritos visíveis deixam longos vestígios de ionização nas altas camadas da atmosfera, principalmente na ionosfera. Esses traços podem ser usados ​​para comunicações de rádio de longa distância, pois refletem ondas de rádio de alta frequência. A energia dos meteoros que entram na atmosfera é gasta principalmente, e talvez completamente, em seu aquecimento. Este é um dos componentes menores do equilíbrio térmico da atmosfera.
Dióxido de carbono de origem industrial. No período Carbonífero, a vegetação lenhosa era generalizada na Terra. A maior parte do dióxido de carbono absorvido pelas plantas naquela época foi acumulado em depósitos de carvão e em depósitos de petróleo. As pessoas aprenderam a usar as enormes reservas desses minerais como fonte de energia e agora estão devolvendo rapidamente o dióxido de carbono à circulação das substâncias. O fóssil é provavelmente ca. 4*10 13 toneladas de carbono. Ao longo do século passado, a humanidade queimou tanto combustível fóssil que aproximadamente 4 * 10 11 toneladas de carbono entraram novamente na atmosfera. Atualmente existem aprox. 2 * 10 12 toneladas de carbono, e nos próximos cem anos esse número pode dobrar devido à queima de combustíveis fósseis. No entanto, nem todo carbono permanecerá na atmosfera: parte dele se dissolverá nas águas do oceano, parte será absorvida pelas plantas e parte será ligada no processo de intemperismo das rochas. Ainda não é possível prever quanto dióxido de carbono estará na atmosfera ou que efeito terá no clima do mundo. No entanto, acredita-se que qualquer aumento em seu conteúdo causará aquecimento, embora não seja necessário que qualquer aquecimento afete significativamente o clima. A concentração de dióxido de carbono na atmosfera, de acordo com os resultados das medições, está aumentando visivelmente, embora em ritmo lento. Os dados climáticos para Svalbard e Little America Station na plataforma de gelo Ross na Antártida indicam um aumento nas temperaturas médias anuais durante um período de aproximadamente 50 anos em 5° e 2,5°C, respectivamente.
O impacto da radiação cósmica. Quando raios cósmicos de alta energia interagem com componentes individuais da atmosfera, isótopos radioativos são formados. Dentre eles, destaca-se o isótopo de carbono 14C, que se acumula nos tecidos vegetais e animais. Ao medir a radioatividade de substâncias orgânicas que não trocam carbono com o meio ambiente há muito tempo, sua idade pode ser determinada. O método do radiocarbono estabeleceu-se como o método mais confiável para datar organismos fósseis e objetos da cultura material, cuja idade não ultrapassa 50 mil anos. Outros isótopos radioativos com meias-vidas longas poderiam ser usados ​​para datar materiais com centenas de milhares de anos se o problema fundamental de medir níveis extremamente baixos de radioatividade for resolvido.
(veja também RADIOCARBON DATAÇÃO).
ORIGEM DA ATMOSFERA DA TERRA
A história da formação da atmosfera ainda não foi restaurada de forma absolutamente confiável. Apesar disso, algumas prováveis ​​mudanças em sua composição foram identificadas. A formação da atmosfera começou imediatamente após a formação da Terra. Há boas razões para acreditar que no processo de evolução da Pra-Terra e sua aquisição de dimensões e massa próximas às modernas, ela perdeu quase completamente sua atmosfera original. Acredita-se que em um estágio inicial a Terra estava em estado fundido e ca. Há 4,5 bilhões de anos, tomou forma em um corpo sólido. Este marco é tido como o início da cronologia geológica. Desde então, tem havido uma lenta evolução da atmosfera. Alguns processos geológicos, como erupções de lava durante erupções vulcânicas, foram acompanhados pela liberação de gases das entranhas da Terra. Eles provavelmente incluíam nitrogênio, amônia, metano, vapor de água, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Sob a influência da radiação ultravioleta solar, o vapor de água se decompôs em hidrogênio e oxigênio, mas o oxigênio liberado reagiu com o monóxido de carbono para formar dióxido de carbono. A amônia se decompõe em nitrogênio e hidrogênio. O hidrogênio no processo de difusão subiu e saiu da atmosfera, enquanto o nitrogênio mais pesado não conseguiu escapar e se acumulou gradualmente, tornando-se seu principal componente, embora parte dele tenha sido ligado durante as reações químicas. Sob a influência de raios ultravioleta e descargas elétricas, uma mistura de gases, provavelmente presente na atmosfera original da Terra, entrou em reações químicas, resultando na formação de substâncias orgânicas, em particular aminoácidos. Consequentemente, a vida poderia se originar em uma atmosfera fundamentalmente diferente da moderna. Com o advento das plantas primitivas, iniciou-se o processo de fotossíntese (ver também FOTOSSÍNTESE), acompanhado pela liberação de oxigênio livre. Este gás, especialmente após a difusão na atmosfera superior, começou a proteger suas camadas inferiores e a superfície da Terra da radiação ultravioleta e de raios-X com risco de vida. Estima-se que apenas 0,00004 do volume atual de oxigênio poderia levar à formação de uma camada com metade da concentração atual de ozônio, o que, no entanto, forneceu uma proteção muito significativa contra os raios ultravioleta. Também é provável que a atmosfera primária continha muito dióxido de carbono. Foi consumido durante a fotossíntese, e sua concentração deve ter diminuído à medida que o mundo vegetal evoluiu, e também devido à absorção durante alguns processos geológicos. Como o efeito estufa está associado à presença de dióxido de carbono na atmosfera, alguns cientistas acreditam que as flutuações em sua concentração são uma das causas importantes de mudanças climáticas de grande escala na história da Terra, como as eras glaciais. O hélio presente na atmosfera moderna é provavelmente principalmente um produto do decaimento radioativo do urânio, tório e rádio. Esses elementos radioativos emitem partículas alfa, que são os núcleos dos átomos de hélio. Como nenhuma carga elétrica é criada ou destruída durante o decaimento radioativo, existem dois elétrons para cada partícula alfa. Como resultado, combina com eles, formando átomos de hélio neutros. Os elementos radioativos estão contidos em minerais dispersos na espessura das rochas, de modo que uma parte significativa do hélio formado como resultado do decaimento radioativo é armazenado neles, volatilizando muito lentamente na atmosfera. Uma certa quantidade de hélio sobe para a exosfera devido à difusão, mas devido ao influxo constante da superfície da Terra, o volume desse gás na atmosfera permanece inalterado. Com base na análise espectral da luz das estrelas e no estudo de meteoritos, é possível estimar a abundância relativa de vários elementos químicos no Universo. A concentração de néon no espaço é cerca de dez bilhões de vezes maior do que na Terra, criptônio - dez milhões de vezes e xenônio - um milhão de vezes. Segue-se que a concentração desses gases inertes, que estavam originalmente presentes na atmosfera da Terra e não foram reabastecidos no curso de reações químicas, diminuiu muito, provavelmente mesmo no estágio de perda da atmosfera primária da Terra. Uma exceção é o gás inerte argônio, pois ainda é formado na forma do isótopo 40Ar no processo de decaimento radioativo do isótopo de potássio.
FENÔMENOS ÓPTICOS
A variedade de fenômenos ópticos na atmosfera se deve a várias razões. Os fenômenos mais comuns incluem relâmpagos (veja acima) e as muito pitorescas auroras boreais e auroras boreais (veja também LUZES POLARES). Além disso, o arco-íris, gal, parélio (falso sol) e arcos, coroa, halos e fantasmas de Brocken, miragens, fogos de St. Elmo, nuvens luminosas, raios verdes e crepusculares são de particular interesse. O arco-íris é o fenômeno atmosférico mais bonito. Normalmente, este é um enorme arco, composto por listras multicoloridas, observadas quando o Sol ilumina apenas parte do céu e o ar fica saturado de gotículas de água, por exemplo, durante a chuva. Os arcos multicoloridos estão dispostos em uma sequência de espectro (vermelho, laranja, amarelo, verde, ciano, índigo, violeta), mas as cores quase nunca são puras porque as bandas se sobrepõem. Como regra, as características físicas dos arco-íris variam significativamente e, portanto, são muito diversas na aparência. Sua característica comum é que o centro do arco está sempre localizado em uma linha reta traçada do Sol ao observador. O arco-íris principal é um arco composto pelas cores mais brilhantes - vermelho por fora e roxo por dentro. Às vezes, apenas um arco é visível, mas geralmente um arco secundário aparece do lado de fora do arco-íris principal. Ele não tem cores tão brilhantes quanto o primeiro, e as listras vermelhas e roxas mudam de lugar: o vermelho está localizado no interior. A formação do arco-íris principal é explicada pela dupla refração (ver também ÓPTICA) e reflexão interna única dos raios solares (ver Fig. 5). Penetrando dentro de uma gota de água (A), um raio de luz é refratado e decomposto, como ao passar por um prisma. Em seguida, atinge a superfície oposta da gota (B), é refletida e sai da gota para o exterior (C). Neste caso, o feixe de luz, antes de atingir o observador, é refratado uma segunda vez. O feixe branco inicial é decomposto em raios de cores diferentes com um ângulo de divergência de 2°. Quando um arco-íris secundário é formado, ocorre a dupla refração e dupla reflexão dos raios do sol (ver Fig. 6). Neste caso, a luz é refratada, penetrando no interior da gota através de sua parte inferior (A), e é refletida da superfície interna da gota, primeiro no ponto B, depois no ponto C. No ponto D, a luz é refratada , deixando a gota em direção ao observador.

Ao nascer e ao pôr do sol, o observador vê um arco-íris em forma de arco igual a meio círculo, pois o eixo do arco-íris é paralelo ao horizonte. Se o Sol estiver mais alto acima do horizonte, o arco do arco-íris é menor que meio círculo. Quando o Sol se eleva acima de 42° acima do horizonte, o arco-íris desaparece. Em todos os lugares, exceto em altas latitudes, um arco-íris não pode aparecer ao meio-dia quando o Sol está muito alto. É interessante estimar a distância até o arco-íris. Embora pareça que o arco multicolorido esteja localizado no mesmo plano, isso é uma ilusão. De fato, o arco-íris tem grande profundidade e pode ser representado como a superfície de um cone oco, no topo do qual está o observador. O eixo do cone liga o Sol, o observador e o centro do arco-íris. O observador olha, por assim dizer, ao longo da superfície desse cone. Duas pessoas nunca podem ver exatamente o mesmo arco-íris. Claro, pode-se observar o mesmo efeito em geral, mas os dois arco-íris estão em posições diferentes e são formados por gotas de água diferentes. Quando a chuva ou neblina forma um arco-íris, o efeito óptico completo é alcançado pelo efeito combinado de todas as gotas de água que cruzam a superfície do cone do arco-íris com o observador no ápice. O papel de cada gota é fugaz. A superfície do cone do arco-íris consiste em várias camadas. Atravessando-os rapidamente e passando por uma série de pontos críticos, cada gota decompõe instantaneamente o raio do sol em todo o espectro em uma sequência estritamente definida - do vermelho ao roxo. Muitas gotas cruzam a superfície do cone da mesma maneira, de modo que o arco-íris aparece para o observador como contínuo tanto ao longo quanto ao longo de seu arco. Halo - arcos de luz branca ou iridescente e círculos ao redor do disco do Sol ou da Lua. Eles surgem devido à refração ou reflexão da luz por cristais de gelo ou neve na atmosfera. Os cristais que formam o halo estão localizados na superfície de um cone imaginário com o eixo direcionado do observador (do topo do cone) ao Sol. Sob certas condições, a atmosfera está saturada de pequenos cristais, muitos de cujas faces formam um ângulo reto com o plano que passa pelo Sol, o observador e esses cristais. Tais facetas refletem os raios de luz que chegam com um desvio de 22°, formando um halo avermelhado por dentro, mas também pode consistir em todas as cores do espectro. Menos comum é um halo com um raio angular de 46°, localizado concentricamente em torno de um halo de 22°. Seu lado interno também tem um tom avermelhado. A razão para isso também é a refração da luz, que ocorre neste caso nas faces do cristal que formam ângulos retos. A largura do anel de tal halo excede 2,5°. Ambos os halos de 46 graus e 22 graus tendem a ser mais brilhantes na parte superior e inferior do anel. O raro halo de 90 graus é um anel levemente luminoso, quase incolor, que tem um centro comum com os outros dois halos. Se for colorido, tem uma cor vermelha na parte externa do anel. O mecanismo de aparecimento deste tipo de halo não foi totalmente elucidado (Fig. 7).

Parélio e arcos. Círculo parélico (ou círculo de sóis falsos) - um anel branco centrado no ponto zênite, passando pelo Sol paralelo ao horizonte. O motivo de sua formação é o reflexo da luz solar nas bordas das superfícies dos cristais de gelo. Se os cristais estiverem distribuídos de maneira suficientemente uniforme no ar, um círculo completo se torna visível. Parhelias, ou falsos sóis, são manchas luminosas semelhantes ao Sol, que se formam nos pontos de intersecção do círculo parélico com o halo, tendo raios angulares de 22°, 46° e 90°. O parélio mais frequentemente formado e mais brilhante se forma na interseção com um halo de 22 graus, geralmente colorido em quase todas as cores do arco-íris. Sóis falsos em interseções com halos de 46 e 90 graus são observados com muito menos frequência. Parélios que ocorrem em interseções com halos de 90 graus são chamados de parantelia, ou falsos contra-sóis. Às vezes, um antelium (contra-sol) também é visível - um ponto brilhante localizado no anel do parélio exatamente oposto ao Sol. Supõe-se que a causa desse fenômeno seja a dupla reflexão interna da luz solar. O feixe refletido segue o mesmo caminho que o feixe incidente, mas na direção oposta. O arco circunzenital, às vezes incorretamente referido como o arco tangente superior do halo de 46 graus, é um arco de 90° ou menos centrado no ponto zênite e aproximadamente 46° acima do Sol. Raramente é visível e apenas por alguns minutos, tem cores brilhantes, e a cor vermelha está confinada ao lado externo do arco. O arco circunzenital é notável por sua coloração, brilho e contornos claros. Outro efeito óptico curioso e muito raro do tipo halo é o arco Lovitz. Eles surgem como uma continuação da parélio na interseção com o halo de 22 graus, passam do lado externo do halo e são ligeiramente côncavos em direção ao Sol. Pilares de luz esbranquiçada, assim como várias cruzes, às vezes são vistos ao amanhecer ou ao anoitecer, especialmente nas regiões polares, e podem acompanhar tanto o Sol quanto a Lua. Às vezes, halos lunares e outros efeitos semelhantes aos descritos acima são observados, com o halo lunar mais comum (anel ao redor da Lua) tendo um raio angular de 22°. Como falsos sóis, falsas luas podem surgir. Coroas, ou coroas, são pequenos anéis coloridos concêntricos ao redor do Sol, Lua ou outros objetos brilhantes que são observados de tempos em tempos quando a fonte de luz está atrás de nuvens translúcidas. O raio da coroa é menor que o raio do halo e é de aprox. 1-5°, o anel azul ou violeta está mais próximo do Sol. Uma coroa é formada quando a luz é espalhada por pequenas gotas de água que formam uma nuvem. Às vezes, a coroa parece um ponto luminoso (ou halo) ao redor do Sol (ou Lua), que termina com um anel avermelhado. Em outros casos, pelo menos dois anéis concêntricos de maior diâmetro, muito fracamente coloridos, são visíveis fora do halo. Este fenômeno é acompanhado por nuvens iridescentes. Às vezes, as bordas de nuvens muito altas são pintadas em cores brilhantes.
Glória (halos). Sob condições especiais, ocorrem fenômenos atmosféricos incomuns. Se o Sol está atrás do observador e sua sombra é projetada em nuvens próximas ou em uma cortina de neblina, sob um certo estado da atmosfera ao redor da sombra da cabeça de uma pessoa, você pode ver um círculo luminoso colorido - um halo. Normalmente, esse halo é formado devido à reflexão da luz pelas gotas de orvalho em um gramado. As glórias também são bastante comuns em torno da sombra que o avião projeta nas nuvens subjacentes.
Fantasmas do Brocken. Em algumas regiões do globo, quando a sombra de um observador sobre uma colina, ao nascer ou ao pôr do sol, cai atrás dele sobre nuvens localizadas a uma curta distância, revela-se um efeito marcante: a sombra adquire dimensões colossais. Isso se deve à reflexão e refração da luz pelas menores gotas de água no nevoeiro. O fenômeno descrito é chamado de "fantasma do Brocken" após o pico nas montanhas Harz na Alemanha.
Miragens- um efeito óptico causado pela refração da luz ao passar por camadas de ar de diferentes densidades e se expressa na aparência de uma imagem virtual. Nesse caso, objetos distantes podem ser levantados ou abaixados em relação à sua posição real, e também podem ser distorcidos e adquirir formas irregulares e fantásticas. As miragens são frequentemente observadas em climas quentes, como em planícies arenosas. As miragens inferiores são comuns, quando a superfície distante e quase plana do deserto assume a aparência de mar aberto, especialmente quando vista de uma pequena elevação ou simplesmente acima de uma camada de ar aquecido. Uma ilusão semelhante geralmente ocorre em uma estrada pavimentada aquecida que parece uma superfície de água muito à frente. Na realidade, esta superfície é um reflexo do céu. Abaixo do nível dos olhos, objetos, geralmente de cabeça para baixo, podem aparecer nessa "água". Um "bolo de camada de ar" é formado acima da superfície terrestre aquecida, e a camada mais próxima da terra é a mais aquecida e tão rarefeita que as ondas de luz que passam por ela são distorcidas, pois sua velocidade de propagação varia de acordo com a densidade do meio. As miragens superiores são menos comuns e mais cênicas do que as miragens inferiores. Objetos distantes (geralmente abaixo do horizonte do mar) aparecem de cabeça para baixo no céu e, às vezes, uma imagem direta do mesmo objeto também aparece acima. Esse fenômeno é típico de regiões frias, principalmente quando há uma significativa inversão de temperatura, quando uma camada de ar mais quente está acima da camada mais fria. Este efeito óptico se manifesta como resultado de padrões complexos de propagação da frente de ondas de luz em camadas de ar com densidade não uniforme. Miragens muito incomuns ocorrem de tempos em tempos, especialmente nas regiões polares. Quando as miragens ocorrem em terra, as árvores e outros componentes da paisagem ficam de cabeça para baixo. Em todos os casos, os objetos nas miragens superiores são mais claramente visíveis do que nas inferiores. Quando o limite de duas massas de ar é um plano vertical, às vezes são observadas miragens laterais.
O fogo de São Elmo. Alguns fenômenos ópticos na atmosfera (por exemplo, brilho e o fenômeno meteorológico mais comum - relâmpagos) são de natureza elétrica. Muito menos comuns são as fogueiras de São Elmo - pincéis luminosos azul-claros ou roxos de 30 cm a 1 m ou mais de comprimento, geralmente nos topos dos mastros ou nas extremidades dos estaleiros dos navios no mar. Às vezes parece que todo o cordame do navio está coberto de fósforo e brilha. As fogueiras de Elmo às vezes aparecem nos picos das montanhas, bem como em pináculos e cantos afiados de prédios altos. Este fenômeno são descargas elétricas em escova nas extremidades dos condutores elétricos, quando a intensidade do campo elétrico é muito aumentada na atmosfera ao seu redor. Will-o'-the-wisps são um leve brilho azulado ou esverdeado que às vezes é visto em pântanos, cemitérios e criptas. Eles geralmente aparecem como uma chama de vela que queima calmamente, sem aquecimento, erguida cerca de 30 cm acima do solo, pairando sobre o objeto por um momento. A luz parece ser completamente elusiva e, à medida que o observador se aproxima, parece mover-se para outro lugar. A razão para este fenômeno é a decomposição de resíduos orgânicos e a combustão espontânea do gás metano (CH4) ou fosfina (PH3). As luzes errantes têm uma forma diferente, às vezes até esférica. Feixe verde - um flash de luz do sol verde esmeralda no momento em que o último raio do sol desaparece abaixo do horizonte. O componente vermelho da luz solar desaparece primeiro, todos os outros seguem em ordem e o verde esmeralda permanece por último. Esse fenômeno ocorre apenas quando apenas a borda do disco solar permanece acima do horizonte, caso contrário, há uma mistura de cores. Os raios crepusculares são feixes divergentes de luz solar que se tornam visíveis quando iluminam a poeira na alta atmosfera. As sombras das nuvens formam faixas escuras e os raios se propagam entre elas. Este efeito ocorre quando o Sol está baixo no horizonte antes do amanhecer ou após o pôr do sol.