> Atmosféra Zeme

Popis Zemská atmosféra pre deti všetkých vekových kategórií: z čoho pozostáva vzduch, prítomnosť plynov, fotovrstvy, podnebie a počasie tretej planéty slnečnej sústavy.

Pre tých najmenších Je už známe, že Zem je jedinou planétou v našom systéme, ktorá má životaschopnú atmosféru. Plynová prikrývka je nielen bohatá na vzduch, ale chráni nás aj pred nadmerným teplom a slnečným žiarením. Dôležité vysvetliť deťomže systém je neuveriteľne dobre navrhnutý, pretože umožňuje povrchu zohriať sa cez deň a ochladzovať v noci pri zachovaní prijateľnej rovnováhy.

Začať vysvetlenie pre deti Je to možné z toho, že zemeguľa zemskej atmosféry siaha cez 480 km, no väčšina z nej sa nachádza 16 km od povrchu. Čím vyššia nadmorská výška, tým nižší tlak. Ak vezmeme hladinu mora, potom je tlak 1 kg na centimeter štvorcový. Ale v nadmorskej výške 3 km sa zmení - 0,7 kg na štvorcový centimeter. Samozrejme, v takýchto podmienkach je ťažšie dýchať ( deti mohli by ste to cítiť, keby ste sa niekedy vybrali na túru do hôr).

Zloženie ovzdušia Zeme – výklad pre deti

Medzi plyny patria:

• Dusík - 78%.
• Kyslík - 21%.
• Argón - 0,93%.
• Oxid uhličitý - 0,038%.
• V malom množstve je tu aj vodná para a iné plynné nečistoty.

Atmosférické vrstvy Zeme - vysvetlenie pre deti

rodičia alebo učitelia v škole treba pripomenúť, že zemská atmosféra je rozdelená do 5 úrovní: exosféra, termosféra, mezosféra, stratosféra a troposféra. S každou vrstvou sa atmosféra rozpúšťa viac a viac, až sa plyny nakoniec rozptýlia do priestoru.

Troposféra je najbližšie k povrchu. S hrúbkou 7-20 km tvorí polovicu zemskej atmosféry. Čím bližšie k Zemi, tým viac sa vzduch ohrieva. Zhromažďuje sa tu takmer všetka vodná para a prach. Deti možno neprekvapí, že práve na tejto úrovni plávajú oblaky.

Stratosféra začína od troposféry a stúpa 50 km nad povrch. Je tu veľa ozónu, ktorý ohrieva atmosféru a šetrí pred škodlivým slnečným žiarením. Vzduch je 1000-krát redší ako nad morom a nezvyčajne suchý. Preto sa tu lietadlá cítia skvele.

Mezosféra: 50 km až 85 km nad povrchom. Vrch sa nazýva mezopauza a je to najchladnejšie miesto v zemskej atmosfére (-90°C). Je veľmi ťažké ho preskúmať, pretože prúdové lietadlá sa tam nemôžu dostať a orbitálna výška satelitov je príliš vysoká. Vedci vedia len to, že tu horia meteory.

Termosféra: 90 km a medzi 500-1000 km. Teplota dosahuje 1500°C. Považuje sa za súčasť zemskej atmosféry, no je dôležitá vysvetliť deťomže hustota vzduchu je tu taká nízka, že väčšina z neho je už vnímaná ako vesmír. V skutočnosti sa tu nachádzajú raketoplány a Medzinárodná vesmírna stanica. Okrem toho sa tu tvoria polárne žiary. Nabité kozmické častice prichádzajú do kontaktu s atómami a molekulami termosféry a prenášajú ich na vyššiu energetickú hladinu. Z tohto dôvodu vidíme tieto fotóny svetla vo forme polárnych žiar.

Exosféra je najvyššia vrstva. Neuveriteľne tenká čiara splynutia atmosféry s priestorom. Pozostáva zo široko rozptýlených častíc vodíka a hélia.

Klíma a počasie Zeme – výklad pre deti

Pre tých najmenších potrebu vysvetliťže Zem vďaka regionálnej klíme, ktorá sa vyznačuje extrémnym chladom na póloch a tropickým teplom na rovníku, dokáže uživiť veľa živých druhov. deti mali vedieť, že regionálna klíma je počasie, ktoré v určitej oblasti zostáva nezmenené 30 rokov. Samozrejme, niekedy sa môže zmeniť aj na niekoľko hodín, no väčšinou zostáva stabilný.

Okrem toho sa rozlišuje aj globálna suchozemská klíma - priemerná regionálna. V histórii ľudstva sa to zmenilo. Dnes je tu rýchle oteplenie. Vedci bijú na poplach, pretože človekom spôsobené skleníkové plyny zachytávajú teplo v atmosfére a riskujú, že našu planétu premenia na Venušu.

Zloženie zeme. Vzduch

Vzduch je mechanická zmes rôznych plynov, ktoré tvoria zemskú atmosféru. Vzduch je nevyhnutný pre dýchanie živých organizmov a má široké využitie v priemysle.

To, že vzduch je zmes a nie homogénna látka, dokázali experimenty škótskeho vedca Josepha Blacka. Pri jednom z nich vedec zistil, že pri zahrievaní bielej magnézie (uhličitan horečnatý) sa uvoľňuje „viazaný vzduch“, teda oxid uhličitý, a vzniká spálená magnézia (oxid horečnatý). Naproti tomu pri spaľovaní vápenca sa odstraňuje „viazaný vzduch“. Na základe týchto experimentov vedec dospel k záveru, že rozdiel medzi uhličitými a žieravými zásadami je v tom, že prvá obsahuje oxid uhličitý, ktorý je jednou zo zložiek vzduchu. Dnes vieme, že okrem oxidu uhličitého zloženie zemského vzduchu zahŕňa:

Pomer plynov v zemskej atmosfére uvedený v tabuľke je typický pre jej spodné vrstvy, až do výšky 120 km. V týchto oblastiach leží dobre premiešaná, homogénna oblasť, nazývaná homosféra. Nad homosférou leží heterosféra, ktorá sa vyznačuje rozkladom molekúl plynu na atómy a ióny. Regióny sú od seba oddelené turbopauzou.

Chemická reakcia, pri ktorej sa vplyvom slnečného a kozmického žiarenia molekuly rozkladajú na atómy, sa nazýva fotodisociácia. Pri rozpade molekulárneho kyslíka vzniká atómový kyslík, ktorý je vo výškach nad 200 km hlavným plynom atmosféry. Vo výškach nad 1200 km začína prevládať vodík a hélium, ktoré sú z plynov najľahšie.

Keďže prevažná časť vzduchu je sústredená v 3 nižších vrstvách atmosféry, zmeny v zložení vzduchu vo výškach nad 100 km nemajú badateľný vplyv na celkové zloženie atmosféry.

Dusík je najbežnejším plynom, ktorý tvorí viac ako tri štvrtiny objemu zemského vzduchu. Moderný dusík vznikol, keď bola ranná amoniakovo-vodíková atmosféra oxidovaná molekulárnym kyslíkom, ktorý vzniká pri fotosyntéze. V súčasnosti sa malé množstvo dusíka v atmosfére dostáva do atmosféry ako dôsledok denitrifikácie - procesu redukcie dusičnanov na dusitany s následnou tvorbou plynných oxidov a molekulárneho dusíka, ktorý produkujú anaeróbne prokaryoty. Časť dusíka sa dostáva do atmosféry počas sopečných erupcií.

Vo vyšších vrstvách atmosféry, keď sú vystavené elektrickým výbojom za účasti ozónu, sa molekulárny dusík oxiduje na oxid dusnatý:

N2 + O2 -> 2NO

Za normálnych podmienok monoxid okamžite reaguje s kyslíkom za vzniku oxidu dusného:

2NO + 02 -> 2N20

Dusík je najdôležitejším chemickým prvkom v zemskej atmosfére. Dusík je súčasťou bielkovín, poskytuje rastlinám minerálnu výživu. Určuje rýchlosť biochemických reakcií, zohráva úlohu riedidla kyslíka.

Kyslík je druhý najrozšírenejší plyn v zemskej atmosfére. Tvorba tohto plynu je spojená s fotosyntetickou aktivitou rastlín a baktérií. A čím rozmanitejšie a početnejšie boli fotosyntetické organizmy, tým významnejší bol proces obsahu kyslíka v atmosfére. Pri odplyňovaní plášťa sa uvoľňuje malé množstvo ťažkého kyslíka.

V horných vrstvách troposféry a stratosféry sa vplyvom ultrafialového slnečného žiarenia (označujeme ho hν) tvorí ozón:

O 2 + hν → 2O

V dôsledku pôsobenia toho istého ultrafialového žiarenia sa ozón rozkladá:

O 3 + hν → O 2 + O

O 3 + O → 2O 2

V dôsledku prvej reakcie vzniká atómový kyslík v dôsledku druhého - molekulárneho kyslíka. Všetky 4 reakcie sa nazývajú Chapmanov mechanizmus podľa britského vedca Sidneyho Chapmana, ktorý ich objavil v roku 1930.

Kyslík sa používa na dýchanie živých organizmov. S jeho pomocou dochádza k procesom oxidácie a spaľovania.

Ozón slúži na ochranu živých organizmov pred ultrafialovým žiarením, ktoré spôsobuje nezvratné mutácie. Najvyššia koncentrácia ozónu je pozorovaná v spodnej stratosfére v rámci tzv. ozónová vrstva alebo ozónová clona ležiaca vo výškach 22-25 km. Obsah ozónu je malý: pri normálnom tlaku by všetok ozón zemskej atmosféry zaberal vrstvu hrubú len 2,91 mm.

Vznik tretieho najbežnejšieho plynu v atmosfére, argónu, ale aj neónu, hélia, kryptónu a xenónu, súvisí so sopečnými erupciami a rozpadom rádioaktívnych prvkov.

Najmä hélium je produktom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a rádia: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (v týchto reakciách sa α- častica je jadro hélia, ktoré v procese straty energie zachytáva elektróny a stáva sa 4 He).

Argón vzniká pri rozpade rádioaktívneho izotopu draslíka: 40 K → 40 Ar + γ.

Neón uniká z magmatických hornín.

Kryptón vzniká ako konečný produkt rozpadu uránu (235 U a 238 U) a tória Th.

Prevažná časť atmosférického kryptónu vznikla v raných fázach vývoja Zeme v dôsledku rozpadu transuránových prvkov s fenomenálne krátkym polčasom rozpadu alebo pochádza z vesmíru, pričom obsah kryptónu je desaťmiliónkrát vyšší ako na Zemi. .

Xenón je výsledkom štiepenia uránu, ale väčšina tohto plynu zostala z raných štádií formovania Zeme, z primárnej atmosféry.

Oxid uhličitý sa do atmosféry dostáva v dôsledku sopečných erupcií a v procese rozkladu organickej hmoty. Jeho obsah v atmosfére stredných zemepisných šírok Zeme sa značne líši v závislosti od ročných období: v zime sa množstvo CO 2 zvyšuje av lete klesá. Toto kolísanie súvisí s aktivitou rastlín, ktoré využívajú oxid uhličitý v procese fotosyntézy.

Vodík vzniká v dôsledku rozkladu vody slnečným žiarením. Keďže je však najľahším z plynov, ktoré tvoria atmosféru, neustále uniká do vesmíru, a preto je jeho obsah v atmosfére veľmi malý.

Vodná para je výsledkom vyparovania vody z hladiny jazier, riek, morí a pevniny.

Koncentrácia hlavných plynov v spodných vrstvách atmosféry, s výnimkou vodnej pary a oxidu uhličitého, je konštantná. V malom množstve obsahuje atmosféra oxid síry SO 2, amoniak NH 3, oxid uhoľnatý CO, ozón O 3, chlorovodík HCl, fluorovodík HF, oxid dusnatý NO, uhľovodíky, pary ortuti Hg, jód I 2 a mnohé ďalšie. V spodnej atmosférickej vrstve troposféry sa neustále nachádza veľké množstvo suspendovaných pevných a kvapalných častíc.

Zdrojmi pevných častíc v zemskej atmosfére sú sopečné erupcie, peľ rastlín, mikroorganizmy a v poslednom čase aj ľudské aktivity, ako je spaľovanie fosílnych palív vo výrobných procesoch. Najmenšie čiastočky prachu, ktoré sú zárodkami kondenzácie, sú príčinou vzniku hmly a oblakov. Bez pevných častíc neustále prítomných v atmosfére by na Zem nepadali zrážky.

ŠTRUKTÚRA ATMOSFÉRY

Atmosféra(z iného gréckeho ἀτμός - para a σφαῖρα - guľa) - plynný obal (geosféra) obklopujúci planétu Zem. Jeho vnútorný povrch pokrýva hydrosféru a čiastočne aj zemskú kôru, zatiaľ čo jeho vonkajší povrch hraničí s blízkozemskou časťou kozmického priestoru.

Fyzikálne vlastnosti

Hrúbka atmosféry je asi 120 km od povrchu Zeme. Celková hmotnosť vzduchu v atmosfére je (5,1-5,3) 10 18 kg. Z toho hmotnosť suchého vzduchu je (5,1352 ± 0,0003) 10 18 kg, celková hmotnosť vodnej pary je v priemere 1,27 10 16 kg.

Molárna hmotnosť čistého suchého vzduchu je 28,966 g/mol, hustota vzduchu na hladine mora je približne 1,2 kg/m 3 . Tlak pri 0 °C na hladine mora je 101,325 kPa; kritická teplota - -140,7 ° C; kritický tlak - 3,7 MPa; Cp pri 0 °C - 1,0048 103 J/(kg K), Cv - 0,7159 103 J/(kg K) (pri 0 °C). Rozpustnosť vzduchu vo vode (hmotnostne) pri 0 °C - 0,0036 %, pri 25 °C - 0,0023 %.

Pre "normálne podmienky" na zemskom povrchu sa berú: hustota 1,2 kg / m 3, barometrický tlak 101,35 kPa, teplota plus 20 ° C a relatívna vlhkosť 50%. Tieto podmienené ukazovatele majú čisto inžiniersku hodnotu.

Štruktúra atmosféry

Atmosféra má vrstvenú štruktúru. Vrstvy atmosféry sa od seba líšia teplotou vzduchu, jeho hustotou, množstvom vodnej pary vo vzduchu a ďalšími vlastnosťami.

Troposféra(staroveká gréčtina τρόπος - "otoč", "zmena" a σφαῖρα - "guľa") - spodná, najviac skúmaná vrstva atmosféry, 8-10 km vysoká v polárnych oblastiach, až 10-12 km v miernych šírkach, na rovníku - 16-18 km.

Pri stúpaní v troposfére teplota klesá v priemere o 0,65 K každých 100 m a v hornej časti dosahuje 180-220 K. Táto horná vrstva troposféry, v ktorej sa pokles teploty s výškou zastavuje, sa nazýva tropopauza. Ďalšia vrstva atmosféry nad troposférou sa nazýva stratosféra.

Viac ako 80 % celkovej hmoty atmosférického vzduchu je sústredených v troposfére, turbulencia a konvekcia sú vysoko rozvinuté, prevažná časť vodnej pary je koncentrovaná, vzniká oblačnosť, vznikajú aj atmosférické fronty, vznikajú cyklóny a anticyklóny, ako aj iné procesy, ktoré určujú počasie a klímu. Procesy prebiehajúce v troposfére sú primárne spôsobené konvekciou.

Časť troposféry, v ktorej sa na zemskom povrchu môžu vytvárať ľadovce, sa nazýva chionosféra.

tropopauza(z gréckeho τροπος - obrat, zmena a παῦσις - zastavenie, zastavenie) - vrstva atmosféry, v ktorej sa zastaví pokles teploty s výškou; prechodná vrstva z troposféry do stratosféry. V zemskej atmosfére sa tropopauza nachádza vo výškach od 8-12 km (nad hladinou mora) v polárnych oblastiach a do 16-18 km nad rovníkom. Výška tropopauzy závisí aj od ročného obdobia (tropopauza je vyššia v lete ako v zime) a cyklónovej aktivity (v cyklónach je nižšia a v anticyklónach vyššia)

Hrúbka tropopauzy sa pohybuje od niekoľkých stoviek metrov do 2-3 kilometrov. V subtrópoch sú pozorované tropopauzové praskliny v dôsledku silných tryskových prúdov. Tropauza nad určitými oblasťami je často zničená a znovu vytvorená.

Stratosféra(z latinského stratum - podlaha, vrstva) - vrstva atmosféry, ktorá sa nachádza v nadmorskej výške 11 až 50 km. Typická je mierna zmena teploty vo vrstve 11-25 km (spodná vrstva stratosféry) a jej zvýšenie vo vrstve 25-40 km z −56,5 na 0,8 °C (vrchná vrstva stratosféry alebo inverzná oblasť). Po dosiahnutí hodnoty asi 273 K (takmer 0 °C) vo výške asi 40 km zostáva teplota konštantná až do výšky asi 55 km. Táto oblasť konštantnej teploty sa nazýva stratopauza a je hranicou medzi stratosférou a mezosférou. Hustota vzduchu v stratosfére je desiatky a stokrát menšia ako na hladine mora.

Práve v stratosfére sa (v nadmorskej výške 15-20 až 55-60 km) nachádza vrstva ozonosféry („ozónová vrstva“), ktorá určuje hornú hranicu života v biosfére. Ozón (O 3 ) vzniká v dôsledku fotochemických reakcií najintenzívnejšie v nadmorskej výške ~30 km. Celková hmotnosť O 3 pri normálnom tlaku by bola vrstva s hrúbkou 1,7-4,0 mm, ale aj to stačí na absorbovanie slnečného ultrafialového žiarenia, ktoré je škodlivé pre život. K deštrukcii O 3 dochádza pri interakcii s voľnými radikálmi, NO, zlúčeninami obsahujúcimi halogén (vrátane "freónov").

Väčšina krátkovlnnej časti ultrafialového žiarenia (180-200 nm) sa zadržiava v stratosfére a energia krátkych vĺn sa transformuje. Vplyvom týchto lúčov dochádza k zmene magnetických polí, rozpadu molekúl, ionizácii, novotvorbe plynov a iných chemických zlúčenín. Tieto procesy možno pozorovať vo forme polárnych svetiel, bleskov a iných žiaroviek.

V stratosfére a vyšších vrstvách sa vplyvom slnečného žiarenia molekuly plynu disociujú - na atómy (nad 80 km disociuje CO 2 a H 2, nad 150 km - O 2, nad 300 km - N 2). Vo výške 200-500 km dochádza k ionizácii plynov aj v ionosfére, vo výške 320 km je koncentrácia nabitých častíc (O + 2, O - 2, N + 2) ~ 1/300 koncentrácia neutrálnych častíc. V horných vrstvách atmosféry sa nachádzajú voľné radikály – OH, HO 2 atď.

V stratosfére nie je takmer žiadna vodná para.

Lety do stratosféry sa začali v 30. rokoch 20. storočia. Let na prvom stratosférickom balóne (FNRS-1), ktorý Auguste Picard a Paul Kipfer uskutočnili 27. mája 1931 do výšky 16,2 km, je všeobecne známy. Moderné bojové a nadzvukové komerčné lietadlá lietajú v stratosfére vo výškach všeobecne do 20 km (hoci dynamický strop môže byť oveľa vyšší). Výškové meteorologické balóny stúpajú až do výšky 40 km; rekord balóna bez posádky je 51,8 km.

V poslednej dobe sa vo vojenských kruhoch Spojených štátov venuje veľká pozornosť vývoju vrstiev stratosféry nad 20 km, často nazývaných „predpriestor“ (angl. « blízkom vesmíre» ). Predpokladá sa, že bezpilotné vzducholode a lietadlá na solárny pohon (ako NASA Pathfinder) budú schopné zostať dlhodobo vo výške asi 30 km a poskytovať pozorovanie a komunikáciu pre veľmi veľké oblasti, pričom zostanú zraniteľné voči systémom protivzdušnej obrany; takéto zariadenia budú mnohonásobne lacnejšie ako satelity.

Stratopauza- vrstva atmosféry, ktorá je hranicou medzi dvoma vrstvami, stratosférou a mezosférou. V stratosfére teplota stúpa s nadmorskou výškou a stratopauza je vrstva, kde teplota dosahuje maximum. Teplota stratopauzy je asi 0 °C.

Tento jav pozorujeme nielen na Zemi, ale aj na iných planétach s atmosférou.

Na Zemi sa stratopauza nachádza vo výške 50 - 55 km nad morom. Atmosférický tlak je asi 1/1000 tlaku na hladine mora.

mezosféra(z gréckeho μεσο- - „stred“ a σφαῖρα - „guľa“, „guľa“) - vrstva atmosféry vo výškach od 40-50 do 80-90 km. Je charakterizovaný nárastom teploty s výškou; maximálna (asi +50°C) teplota sa nachádza vo výške asi 60 km, po ktorej teplota začne klesať na -70° alebo -80°C. Takýto pokles teploty je spojený s energetickou absorpciou slnečného žiarenia (žiarenia) ozónom. Termín bol prijatý Geografickou a geofyzikálnou úniou v roku 1951.

Zloženie plynu v mezosfére, ako aj v nižších vrstvách atmosféry, je konštantné a obsahuje asi 80 % dusíka a 20 % kyslíka.

Mezosféra je oddelená od spodnej stratosféry stratopauzou a od nadložnej termosféry mezopauzou. Mezopauza sa v podstate zhoduje s turbopauzou.

Meteory začnú žiariť a spravidla úplne zhoria v mezosfére.

V mezosfére sa môžu objaviť nočné svietiace oblaky.

Pre lety je mezosféra akousi "mŕtvou zónou" - vzduch je tu príliš riedky na to, aby podporoval lietadlá alebo balóny (vo výške 50 km je hustota vzduchu 1000-krát menšia ako na hladine mora) a zároveň čas príliš hustý na umelé lety.satelity na tak nízkej obežnej dráhe. Priame štúdie mezosféry sa uskutočňujú najmä pomocou suborbitálnych meteorologických rakiet; vo všeobecnosti bola mezosféra študovaná horšie ako iné vrstvy atmosféry, v súvislosti s ktorou ju vedci nazvali „ignorosférou“.

mezopauza

mezopauza Vrstva atmosféry, ktorá oddeľuje mezosféru a termosféru. Na Zemi sa nachádza v nadmorskej výške 80-90 km nad morom. V mezopauze je teplotné minimum, ktoré je okolo -100°C. Nižšie (od výšky cca 50 km) teplota s výškou klesá, vyššie (do výšky cca 400 km) opäť stúpa. Mezopauza sa zhoduje so spodnou hranicou oblasti aktívnej absorpcie röntgenového žiarenia a ultrafialového žiarenia Slnka s najkratšou vlnovou dĺžkou. V tejto nadmorskej výške sú pozorované strieborné oblaky.

Mezopauza existuje nielen na Zemi, ale aj na iných planétach s atmosférou.

Línia Karman- výška nad hladinou mora, ktorá je konvenčne akceptovaná ako hranica medzi zemskou atmosférou a vesmírom.

Podľa definície Medzinárodnej leteckej federácie (FAI) sa línia Karman nachádza v nadmorskej výške 100 km nad morom.

Výška bola pomenovaná podľa Theodora von Karmana, amerického vedca maďarského pôvodu. Bol prvým, kto zistil, že približne v tejto výške sa atmosféra stáva takou riedkou, že aeronautika sa stáva nemožným, pretože rýchlosť lietadla, ktorá je potrebná na vytvorenie dostatočného vztlaku, je väčšia ako prvá kozmická rýchlosť, a preto, aby sa dosiahli vyššie výšky, je potrebné použiť prostriedky astronautiky.

Atmosféra Zeme pokračuje za čiarou Karman. Vonkajšia časť zemskej atmosféry, exosféra, siaha do nadmorskej výšky 10 000 km a viac, v takejto výške sa atmosféra skladá najmä z atómov vodíka, ktoré môžu opustiť atmosféru.

Dosiahnutie línie Karman bolo prvou podmienkou udelenia ceny Ansari X, pretože to je základ pre uznanie letu ako vesmírneho.

ATMOSFÉRA
plynný obal obklopujúci nebeské teleso. Jeho vlastnosti závisia od veľkosti, hmotnosti, teploty, rýchlosti rotácie a chemického zloženia daného nebeského telesa a sú určené aj históriou jeho vzniku od okamihu jeho narodenia. Atmosféru Zeme tvorí zmes plynov nazývaných vzduch. Jeho hlavnými zložkami sú dusík a kyslík v pomere približne 4:1. Na človeka vplýva najmä stav dolných 15-25 km atmosféry, keďže práve v tejto spodnej vrstve sa sústreďuje väčšina vzduchu. Veda, ktorá skúma atmosféru, sa nazýva meteorológia, hoci predmetom tejto vedy je aj počasie a jeho vplyv na človeka. Mení sa aj stav horných vrstiev atmosféry, ktoré sa nachádzajú vo výškach od 60 do 300 a dokonca 1000 km od povrchu Zeme. Vznikajú tu silné vetry, búrky a objavujú sa také úžasné elektrické úkazy ako polárna žiara. Mnohé z týchto javov sú spojené s tokmi slnečného žiarenia, kozmického žiarenia a magnetického poľa Zeme. Vysoké vrstvy atmosféry sú tiež chemickým laboratóriom, pretože tam, v podmienkach blízkych vákuu, vstupujú niektoré atmosférické plyny pod vplyvom silného toku slnečnej energie do chemických reakcií. Veda, ktorá študuje tieto vzájomne súvisiace javy a procesy, sa nazýva fyzika vysokých vrstiev atmosféry.
VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY ATMOSFÉRY ZEME
Rozmery. Kým sondážne rakety a umelé družice nepreskúmali vonkajšie vrstvy atmosféry vo vzdialenosti niekoľkonásobne väčšej, než je polomer Zeme, verilo sa, že keď sa vzďaľujete od zemského povrchu, atmosféra sa postupne stáva redšie a plynule prechádza do medziplanetárneho priestoru. . Teraz sa zistilo, že energetické toky z hlbokých vrstiev Slnka prenikajú do vesmíru ďaleko za obežnú dráhu Zeme, až po vonkajšie hranice Slnečnej sústavy. Tento tzv. Slnečný vietor obteká magnetické pole Zeme a vytvára podlhovastú „dutinu“, v ktorej je sústredená zemská atmosféra. Magnetické pole Zeme je na dennej strane privrátenej k Slnku citeľne zúžené a na opačnej, nočnej strane tvorí dlhý jazyk, siahajúci pravdepodobne až za obežnú dráhu Mesiaca. Hranica magnetického poľa Zeme sa nazýva magnetopauza. Na dennej strane prechádza táto hranica vo vzdialenosti asi siedmich polomerov Zeme od povrchu, no v obdobiach zvýšenej slnečnej aktivity je ešte bližšie k zemskému povrchu. Magnetopauza je zároveň hranicou zemskej atmosféry, ktorej vonkajší obal sa nazýva aj magnetosféra, keďže obsahuje nabité častice (ióny), ktorých pohyb je spôsobený zemským magnetickým poľom. Celková hmotnosť atmosférických plynov je približne 4,5*1015 ton.Takže „hmotnosť“ atmosféry na jednotku plochy, čiže atmosférický tlak, je na úrovni mora približne 11 ton/m2.
Význam pre život. Z uvedeného vyplýva, že Zem je oddelená od medziplanetárneho priestoru mocnou ochrannou vrstvou. Vesmír je preniknutý silným ultrafialovým a röntgenovým žiarením zo Slnka a ešte tvrdším kozmickým žiarením a tieto druhy žiarenia sú škodlivé pre všetko živé. Na vonkajšom okraji atmosféry je intenzita žiarenia smrteľná, no jej značnú časť zadrží atmosféra ďaleko od zemského povrchu. Absorpcia tohto žiarenia vysvetľuje mnohé vlastnosti vysokých vrstiev atmosféry a najmä elektrické javy, ktoré sa tam vyskytujú. Najnižšia, povrchová vrstva atmosféry je dôležitá najmä pre človeka, ktorý žije v mieste styku pevných, kvapalných a plynných obalov Zeme. Horný obal „pevnej“ Zeme sa nazýva litosféra. Asi 72 % zemského povrchu pokrývajú vody oceánov, ktoré tvoria väčšinu hydrosféry. Atmosféra hraničí s litosférou aj hydrosférou. Človek žije na dne vzdušného oceánu a blízko alebo nad hladinou vodného oceánu. Vzájomné pôsobenie týchto oceánov je jedným z dôležitých faktorov, ktoré určujú stav atmosféry.
Zlúčenina. Spodné vrstvy atmosféry pozostávajú zo zmesi plynov (pozri tabuľku). Okrem tých, ktoré sú uvedené v tabuľke, sú vo vzduchu vo forme drobných nečistôt prítomné aj ďalšie plyny: ozón, metán, látky ako oxid uhoľnatý (CO), oxidy dusíka a síry, amoniak.

ZLOŽENIE ATMOSFÉRY

Vo vysokých vrstvách atmosféry sa vplyvom tvrdého žiarenia Slnka mení zloženie vzduchu, čo vedie k rozpadu molekúl kyslíka na atómy. Atómový kyslík je hlavnou zložkou vysokých vrstiev atmosféry. Napokon v najvzdialenejších vrstvách atmosféry od povrchu Zeme sa hlavnými zložkami stávajú najľahšie plyny, vodík a hélium. Keďže väčšina hmoty je sústredená v dolných 30 km, zmeny zloženia vzduchu vo výškach nad 100 km nemajú výrazný vplyv na celkové zloženie atmosféry.
Výmena energie. Slnko je hlavným zdrojom energie prichádzajúcej na Zem. Byť vo vzdialenosti cca. 150 miliónov km od Slnka prijíma Zem asi jednu dvemiliardtinu energie, ktorú vyžaruje, najmä vo viditeľnej časti spektra, ktorú človek nazýva „svetlo“. Väčšina tejto energie je absorbovaná atmosférou a litosférou. Zem tiež vyžaruje energiu, väčšinou vo forme ďaleko infračerveného žiarenia. Dochádza tak k rovnováhe medzi prijatou energiou zo Slnka, zahrievaním Zeme a atmosféry a spätným tokom tepelnej energie vyžarovanej do vesmíru. Mechanizmus tejto rovnováhy je mimoriadne zložitý. Molekuly prachu a plynu rozptyľujú svetlo a čiastočne ho odrážajú do svetového priestoru. Mraky ešte viac odrážajú prichádzajúce žiarenie. Časť energie je absorbovaná priamo molekulami plynu, najviac však horninami, vegetáciou a povrchovými vodami. Vodná para a oxid uhličitý prítomné v atmosfére prepúšťajú viditeľné žiarenie, ale absorbujú infračervené žiarenie. Tepelná energia sa akumuluje najmä v nižších vrstvách atmosféry. Podobný efekt nastáva v skleníku, keď sklo prepúšťa svetlo a pôda sa zahrieva. Keďže sklo je pre infračervené žiarenie relatívne nepriepustné, v skleníku sa hromadí teplo. Zahrievanie spodnej atmosféry v dôsledku prítomnosti vodnej pary a oxidu uhličitého sa často označuje ako skleníkový efekt. Oblačnosť hrá významnú úlohu pri zachovaní tepla v spodných vrstvách atmosféry. Ak sa mraky rozplynú alebo sa zvýši priehľadnosť vzdušných hmôt, teplota sa nevyhnutne zníži, pretože povrch Zeme voľne vyžaruje tepelnú energiu do okolitého priestoru. Voda na povrchu Zeme pohlcuje slnečnú energiu a vyparuje sa, pričom sa mení na plyn – vodnú paru, ktorá prenáša obrovské množstvo energie do spodnej atmosféry. Keď vodná para kondenzuje a vytvára oblaky alebo hmlu, táto energia sa uvoľňuje vo forme tepla. Približne polovica slnečnej energie, ktorá sa dostane na zemský povrch, sa minie na odparovanie vody a dostáva sa do spodnej časti atmosféry. Atmosféra sa teda v dôsledku skleníkového efektu a vyparovania vody zospodu otepľuje. To čiastočne vysvetľuje vysokú aktivitu jeho cirkulácie v porovnaní s cirkuláciou Svetového oceánu, ktorý sa otepľuje iba zhora, a preto je oveľa stabilnejší ako atmosféra.
Pozri tiež METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA. Okrem všeobecného zahrievania atmosféry slnečným „svetlom“ dochádza k výraznému zahrievaniu niektorých jej vrstiev vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. Štruktúra. V porovnaní s kvapalinami a pevnými látkami je v plynných látkach sila príťažlivosti medzi molekulami minimálna. Keď sa vzdialenosť medzi molekulami zväčšuje, plyny sú schopné neobmedzene expandovať, ak im nič nebráni. Spodná hranica atmosféry je povrch Zeme. Presne povedané, táto bariéra je nepreniknuteľná, pretože výmena plynov prebieha medzi vzduchom a vodou a dokonca aj medzi vzduchom a horninami, ale v tomto prípade možno tieto faktory zanedbať. Keďže atmosféra je guľovitý obal, nemá žiadne bočné hranice, ale iba spodnú hranicu a hornú (vonkajšiu) hranicu otvorenú zo strany medziplanetárneho priestoru. Cez vonkajšiu hranicu unikajú niektoré neutrálne plyny, ako aj tok hmoty z okolitého vesmíru. Väčšinu nabitých častíc, s výnimkou vysokoenergetického kozmického žiarenia, magnetosféra buď zachytí, alebo ju odpudí. Atmosféru ovplyvňuje aj sila gravitácie, ktorá drží vzduchový obal na povrchu Zeme. Atmosférické plyny sú stláčané vlastnou hmotnosťou. Toto stlačenie je maximálne na spodnej hranici atmosféry, a preto je tu najväčšia hustota vzduchu. V akejkoľvek výške nad zemským povrchom závisí stupeň stlačenia vzduchu od hmotnosti nad ním ležiaceho vzduchového stĺpca, preto hustota vzduchu s výškou klesá. Tlak, ktorý sa rovná hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca na jednotku plochy, priamo súvisí s hustotou, a preto tiež klesá s výškou. Ak by bola atmosféra „ideálnym plynom“ s konštantným zložením nezávislým na výške, konštantnou teplotou a konštantnou gravitačnou silou, ktorá by na ňu pôsobila, potom by tlak klesol 10-násobne na každých 20 km výšky. Reálna atmosféra sa od ideálneho plynu mierne líši do cca 100 km a potom s výškou klesá tlak pomalšie, ako sa mení zloženie vzduchu. Malé zmeny v popisovanom modeli prináša aj pokles gravitačnej sily so vzdialenosťou od stredu Zeme, dosahujúci cca. 3 % na každých 100 km nadmorskej výšky. Na rozdiel od atmosférického tlaku teplota neklesá plynule s nadmorskou výškou. Ako je znázornené na obr. 1 klesá na približne 10 km a potom opäť začína stúpať. K tomu dochádza, keď kyslík absorbuje ultrafialové slnečné žiarenie. V tomto prípade vzniká plynný ozón, ktorého molekuly pozostávajú z troch atómov kyslíka (O3). Pohlcuje aj ultrafialové žiarenie, a preto sa táto vrstva atmosféry, nazývaná ozonosféra, zahrieva. Vyššie teplota opäť klesá, pretože je tu oveľa menej molekúl plynu a absorpcia energie sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje. V ešte vyšších vrstvách teplota opäť stúpa v dôsledku absorpcie ultrafialového a röntgenového žiarenia s najkratšou vlnovou dĺžkou zo Slnka atmosférou. Vplyvom tohto mohutného žiarenia dochádza k ionizácii atmosféry, t.j. Molekula plynu stráca elektrón a získava kladný elektrický náboj. Takéto molekuly sa stávajú kladne nabitými iónmi. Vďaka prítomnosti voľných elektrónov a iónov získava táto vrstva atmosféry vlastnosti elektrického vodiča. Predpokladá sa, že teplota naďalej stúpa do výšok, kde riedka atmosféra prechádza do medziplanetárneho priestoru. Vo vzdialenosti niekoľko tisíc kilometrov od povrchu Zeme pravdepodobne prevládajú teploty od 5000 ° do 10 000 ° C. Hoci molekuly a atómy majú veľmi vysoké rýchlosti pohybu, a teda aj vysokú teplotu, tento riedky plyn nie je „horúci“ v obvyklom zmysle.. Vzhľadom na skromný počet molekúl vo vysokých nadmorských výškach je ich celková tepelná energia veľmi malá. Atmosféra sa teda skladá zo samostatných vrstiev (t. j. série sústredných škrupín alebo gúľ), ktorých výber závisí od toho, o ktorú vlastnosť je najväčší záujem. Na základe priemerného rozloženia teplôt meteorológovia vypracovali schému štruktúry ideálnej „strednej atmosféry“ (pozri obr. 1).

Troposféra – spodná vrstva atmosféry, siahajúca po prvé tepelné minimum (tzv. tropopauza). Horná hranica troposféry závisí od zemepisnej šírky (v trópoch - 18-20 km, v miernych zemepisných šírkach - asi 10 km) a ročného obdobia. Americká národná meteorologická služba vykonala sondy v blízkosti južného pólu a odhalila sezónne zmeny vo výške tropopauzy. V marci je tropopauza vo výške cca. 7,5 km. Od marca do augusta alebo septembra dochádza k neustálemu ochladzovaniu troposféry a jej hranica sa v auguste alebo septembri na krátky čas zdvihne do výšky približne 11,5 km. Potom od septembra do decembra rýchlo klesá a dosahuje najnižšiu polohu - 7,5 km, kde zostáva až do marca, kolíše len v rozmedzí 0,5 km. Práve v troposfére sa tvorí najmä počasie, ktoré určuje podmienky pre existenciu človeka. Väčšina atmosférickej vodnej pary sa sústreďuje v troposfére, a preto sa tu tvoria najmä oblaky, aj keď časť z nich pozostávajúca z ľadových kryštálikov sa nachádza aj vo vyšších vrstvách. Troposféru charakterizujú turbulencie a silné vzdušné prúdy (vietor) a búrky. V hornej troposfére sú silné vzdušné prúdy presne definovaného smeru. Turbulentné víry, podobne ako malé víry, vznikajú pod vplyvom trenia a dynamickej interakcie medzi pomaly a rýchlo sa pohybujúcimi vzduchovými hmotami. Keďže v týchto vysokých vrstvách zvyčajne nie je oblačnosť, táto turbulencia sa označuje ako „turbulencia čistého vzduchu“.
Stratosféra. Horná vrstva atmosféry je často mylne označovaná ako vrstva s relatívne konštantnými teplotami, kde vetry fúkajú viac-menej rovnomerne a kde sa meteorologické prvky menia len málo. Horné vrstvy stratosféry sa zahrievajú, keď kyslík a ozón absorbujú slnečné ultrafialové žiarenie. Horná hranica stratosféry (stratopauza) je zakreslená tam, kde teplota mierne stúpa a dosahuje stredné maximum, ktoré je často porovnateľné s teplotou povrchovej vzduchovej vrstvy. Na základe pozorovaní uskutočnených s lietadlami a balónmi prispôsobenými na lietanie v konštantnej výške boli v stratosfére zistené turbulentné poruchy a silné vetry fúkajúce rôznymi smermi. Rovnako ako v troposfére sú zaznamenané silné vzdušné víry, ktoré sú obzvlášť nebezpečné pre vysokorýchlostné lietadlá. Silné vetry, nazývané tryskové prúdy, fúkajú v úzkych zónach pozdĺž hraníc miernych zemepisných šírok smerom k pólom. Tieto zóny sa však môžu posunúť, zmiznúť a znovu sa objaviť. Tryskové prúdy zvyčajne prenikajú do tropopauzy a objavujú sa v hornej troposfére, ich rýchlosť však s klesajúcou výškou rýchlo klesá. Je možné, že časť energie vstupujúcej do stratosféry (hlavne vynaloženej na tvorbu ozónu) ovplyvňuje procesy v troposfére. Obzvlášť aktívne premiešavanie je spojené s atmosférickými frontami, kde boli výrazne pod tropopauzou zaznamenané rozsiahle prúdy stratosférického vzduchu a troposférický vzduch bol vťahovaný do spodných vrstiev stratosféry. Významný pokrok nastal v štúdiu vertikálnej stavby spodných vrstiev atmosféry v súvislosti so zdokonaľovaním techniky vypúšťania rádiosond do výšok 25-30 km. Mezosféra, nachádzajúca sa nad stratosférou, je škrupina, v ktorej až do výšky 80-85 km klesá teplota na minimum pre atmosféru ako celok. Rekordne nízke teploty až do -110 °C zaznamenali meteorologické rakety vypustené z americko-kanadského zariadenia vo Fort Churchill (Kanada). Horná hranica mezosféry (mezopauza) sa približne zhoduje so spodnou hranicou oblasti aktívnej absorpcie röntgenového žiarenia a ultrafialového žiarenia Slnka s najkratšou vlnovou dĺžkou, ktoré je sprevádzané zahrievaním a ionizáciou plynu. V polárnych oblastiach v lete sa v mezopauze často objavujú oblačné systémy, ktoré zaberajú veľkú plochu, ale majú malý vertikálny vývoj. Takéto oblaky žiariace v noci často umožňujú odhaliť rozsiahle zvlnené pohyby vzduchu v mezosfére. Zloženie týchto oblakov, zdroje vlhkosti a kondenzačných jadier, dynamika a vzťah s meteorologickými faktormi sú stále nedostatočne študované. Termosféra je vrstva atmosféry, v ktorej teplota neustále stúpa. Jeho výkon môže dosiahnuť 600 km. Tlak a následne aj hustota plynu s výškou neustále klesá. V blízkosti zemského povrchu obsahuje 1 m3 vzduchu cca. 2,5x1025 molekúl, vo výške cca. 100 km, v spodných vrstvách termosféry - približne 1019, vo výške 200 km, v ionosfére - 5 * 10 15 a podľa výpočtov vo výške cca. 850 km - približne 1012 molekúl. V medziplanetárnom priestore je koncentrácia molekúl 10 8-10 9 na 1 m3. Vo výške cca. 100 km je počet molekúl malý a zriedka sa navzájom zrážajú. Priemerná vzdialenosť, ktorú prejde chaoticky sa pohybujúca molekula pred zrážkou s inou podobnou molekulou, sa nazýva jej stredná voľná dráha. Vrstva, v ktorej sa táto hodnota zväčší natoľko, že možno zanedbať pravdepodobnosť medzimolekulových alebo medziatómových zrážok, sa nachádza na hranici medzi termosférou a nadložnou škrupinou (exosférou) a nazýva sa tepelná pauza. Termopauza sa nachádza približne 650 km od zemského povrchu. Pri určitej teplote závisí rýchlosť pohybu molekuly od jej hmotnosti: ľahšie molekuly sa pohybujú rýchlejšie ako ťažké. V spodnej atmosfére, kde je voľná dráha veľmi krátka, nie je badateľná separácia plynov podľa ich molekulovej hmotnosti, ale vyjadruje sa nad 100 km. Navyše vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka sa molekuly kyslíka rozpadajú na atómy, ktorých hmotnosť je polovičná ako hmotnosť molekuly. Preto, ako sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atómový kyslík nadobúda čoraz väčší význam v zložení atmosféry a vo výške cca. Jeho hlavnou zložkou sa stáva 200 km. Vyššie, vo vzdialenosti asi 1200 km od povrchu Zeme, prevládajú ľahké plyny - hélium a vodík. Sú vonkajšou vrstvou atmosféry. Táto separácia podľa hmotnosti, nazývaná difúzna separácia, sa podobá separácii zmesí pomocou centrifúgy. Exosféra je vonkajšia vrstva atmosféry, ktorá je izolovaná na základe zmien teploty a vlastností neutrálneho plynu. Molekuly a atómy v exosfére obiehajú okolo Zeme po balistických dráhach pod vplyvom gravitácie. Niektoré z týchto dráh sú parabolické a podobné dráham projektilov. Molekuly sa môžu otáčať okolo Zeme a na eliptických dráhach, ako sú satelity. Niektoré molekuly, hlavne vodík a hélium, majú otvorené trajektórie a unikajú do vesmíru (obr. 2).

SLNKO-POZEMSKÉ VZŤAHY A ICH VPLYV NA ATMOSFÉRU
atmosférické prílivy a odlivy. Príťažlivosť Slnka a Mesiaca spôsobuje príliv a odliv v atmosfére, podobný pozemskému a morskému prílivu. Atmosférické prílivy a odlivy však majú významný rozdiel: atmosféra reaguje najsilnejšie na príťažlivosť Slnka, zatiaľ čo zemská kôra a oceán - na príťažlivosť Mesiaca. Vysvetľuje to skutočnosť, že atmosféra je ohrievaná Slnkom a okrem gravitačného prílivu vzniká silný tepelný príliv. Vo všeobecnosti sú mechanizmy vzniku atmosférického a morského prílivu a odlivu podobné, až na to, že na predpovedanie reakcie vzduchu na gravitačné a tepelné účinky je potrebné brať do úvahy jeho stlačiteľnosť a rozloženie teplôt. Nie je celkom jasné, prečo polodenné (12-hodinové) slnečné prílivy v atmosfére prevládajú nad dennými slnečnými a poldennými mesačnými prílivmi, hoci hnacie sily posledných dvoch procesov sú oveľa silnejšie. Predtým sa verilo, že v atmosfére dochádza k rezonancii, ktorá presne zosilňuje oscilácie s periódou 12 hodín. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet však naznačujú, že pre takúto rezonanciu neexistujú teplotné dôvody. Pri riešení tohto problému by sa pravdepodobne mali brať do úvahy všetky hydrodynamické a tepelné vlastnosti atmosféry. Na zemskom povrchu v blízkosti rovníka, kde je vplyv slapových výkyvov maximálny, zabezpečuje zmenu atmosférického tlaku o 0,1 %. Rýchlosť prílivových vetrov je cca. 0,3 km/h. Vplyvom zložitej tepelnej stavby atmosféry (najmä prítomnosť teplotného minima v mezopauze) sa prílivové vzdušné prúdy zintenzívňujú a napríklad vo výške 70 km je ich rýchlosť asi 160-krát vyššia ako na zemskom povrchu, čo má dôležité geofyzikálne dôsledky. Predpokladá sa, že v spodnej časti ionosféry (vrstva E) slapové oscilácie pohybujú ionizovaným plynom vertikálne v magnetickom poli Zeme, a preto tu vznikajú elektrické prúdy. Tieto neustále vznikajúce sústavy prúdov na povrchu Zeme vznikajú poruchami magnetického poľa. Denné variácie magnetického poľa sú v dobrej zhode s vypočítanými hodnotami, čo presvedčivo svedčí v prospech teórie slapových mechanizmov „atmosférického dynama“. Elektrické prúdy vznikajúce v spodnej časti ionosféry (vrstva E) sa musia niekam pohybovať, a preto musí byť okruh uzavretý. Analógia s dynamom je úplná, ak nadchádzajúci pohyb považujeme za prácu motora. Predpokladá sa, že spätná cirkulácia elektrického prúdu sa uskutočňuje vo vyššej vrstve ionosféry (F) a tento protiprúd môže vysvetliť niektoré zo zvláštnych vlastností tejto vrstvy. Nakoniec, slapový efekt musí tiež generovať horizontálne prúdy vo vrstve E, a teda vo vrstve F.
Ionosféra. Pokúšajú sa vysvetliť mechanizmus výskytu polárnej žiary vedci 19. storočia. naznačil, že v atmosfére je zóna s elektricky nabitými časticami. V 20. storočí Experimentálne boli získané presvedčivé dôkazy o existencii vrstvy odrážajúcej rádiové vlny vo výškach od 85 do 400 km. Dnes je známe, že jeho elektrické vlastnosti sú výsledkom ionizácie atmosférického plynu. Preto sa táto vrstva zvyčajne nazýva ionosféra. Vplyv na rádiové vlny je spôsobený najmä prítomnosťou voľných elektrónov v ionosfére, hoci mechanizmus šírenia rádiových vĺn je spojený s prítomnosťou veľkých iónov. Posledne menované sú tiež zaujímavé pri štúdiu chemických vlastností atmosféry, pretože sú aktívnejšie ako neutrálne atómy a molekuly. Chemické reakcie prebiehajúce v ionosfére hrajú dôležitú úlohu v jej energetickej a elektrickej rovnováhe.
normálna ionosféra. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet a satelitov priniesli množstvo nových informácií, ktoré naznačujú, že k ionizácii atmosféry dochádza pod vplyvom širokospektrálneho slnečného žiarenia. Jeho hlavná časť (viac ako 90 %) je sústredená vo viditeľnej časti spektra. Ultrafialové žiarenie s kratšou vlnovou dĺžkou a väčšou energiou ako fialové svetelné lúče vyžaruje vodík vnútornej časti slnečnej atmosféry (chromosféra) a röntgenové žiarenie, ktoré má ešte vyššiu energiu, je vyžarované plynmi Slnka. vonkajší plášť (koróna). Normálny (priemerný) stav ionosféry je spôsobený konštantným silným žiarením. V normálnej ionosfére dochádza vplyvom dennej rotácie Zeme a sezónnych rozdielov v uhle dopadu slnečných lúčov na poludnie k pravidelným zmenám, ale dochádza aj k nepredvídateľným a náhlym zmenám stavu ionosféry.
Poruchy v ionosfére. Ako je známe, na Slnku vznikajú silné cyklicky sa opakujúce poruchy, ktoré dosahujú maximum každých 11 rokov. Pozorovania v rámci programu Medzinárodného geofyzikálneho roka (IGY) sa zhodovali s obdobím najvyššej slnečnej aktivity za celé obdobie systematických meteorologických pozorovaní, t.j. zo začiatku 18. storočia Počas obdobia vysokej aktivity niektoré oblasti na Slnku niekoľkokrát zvyšujú jas a vysielajú silné impulzy ultrafialového a röntgenového žiarenia. Takéto javy sa nazývajú slnečné erupcie. Trvajú od niekoľkých minút do jednej alebo dvoch hodín. Počas erupcie solárny plyn (väčšinou protóny a elektróny) vybuchne a elementárne častice sa rútia do vesmíru. Elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie Slnka v momentoch takýchto erupcií má silný vplyv na zemskú atmosféru. Počiatočná reakcia sa pozoruje 8 minút po záblesku, keď Zem dosiahne intenzívne ultrafialové a röntgenové žiarenie. V dôsledku toho sa ionizácia prudko zvyšuje; röntgenové lúče prenikajú atmosférou až k spodnej hranici ionosféry; počet elektrónov v týchto vrstvách narastá natoľko, že rádiové signály sú takmer úplne absorbované ("zhasnuté"). Dodatočná absorpcia žiarenia spôsobuje zahrievanie plynu, čo prispieva k rozvoju vetrov. Ionizovaný plyn je elektrický vodič a keď sa pohybuje v magnetickom poli Zeme, vzniká efekt dynama a vzniká elektrický prúd. Takéto prúdy môžu zase spôsobiť citeľné poruchy magnetického poľa a prejaviť sa vo forme magnetických búrok. Táto počiatočná fáza trvá len krátky čas, ktorý zodpovedá trvaniu slnečnej erupcie. Počas silných erupcií na Slnku sa prúd zrýchlených častíc rúti do vesmíru. Keď je nasmerovaný k Zemi, začína sa druhá fáza, ktorá má veľký vplyv na stav atmosféry. Mnohé prírodné javy, z ktorých sú najznámejšie polárne žiary, naznačujú, že na Zem dopadá značný počet nabitých častíc (pozri tiež POLÁRNE SVETLÁ). Napriek tomu procesy oddeľovania týchto častíc od Slnka, ich trajektórie v medziplanetárnom priestore a mechanizmy interakcie s magnetickým poľom Zeme a magnetosférou sú stále nedostatočne prebádané. Problém sa skomplikoval po tom, čo v roku 1958 James Van Allen objavil škrupiny držané geomagnetickým poľom, ktoré pozostávali z nabitých častíc. Tieto častice sa pohybujú z jednej pologule do druhej a otáčajú sa špirálovito okolo magnetických siločiar. V blízkosti Zeme sa vo výške závislej od tvaru siločiar a od energie častíc nachádzajú „body odrazu“, v ktorých častice menia svoj smer pohybu na opačný (obr. 3). Keďže sila magnetického poľa so vzdialenosťou od Zeme klesá, obežné dráhy, po ktorých sa tieto častice pohybujú, sú trochu skreslené: elektróny sa odchyľujú na východ a protóny na západ. Preto sú distribuované vo forme pásov po celej zemeguli.

Niektoré dôsledky zahrievania atmosféry Slnkom. Slnečná energia ovplyvňuje celú atmosféru. Už sme spomenuli pásy tvorené nabitými časticami v magnetickom poli Zeme a otáčajúce sa okolo nej. Tieto pásy sú najbližšie k zemskému povrchu v cirkumpolárnych oblastiach (pozri obr. 3), kde sú pozorované polárne žiary. Obrázok 1 ukazuje, že polárne oblasti v Kanade majú výrazne vyššie termosférické teploty ako na juhozápade USA. Je pravdepodobné, že zachytené častice odovzdajú časť svojej energie atmosfére, najmä pri zrážke s molekulami plynu v blízkosti bodov odrazu, a opustia svoje pôvodné dráhy. Takto sa ohrievajú vysoké vrstvy atmosféry v zóne polárnej žiary. Ďalší dôležitý objav sa podaril pri štúdiu obežných dráh umelých satelitov. Luigi Iacchia, astronóm zo Smithsonian Astrophysical Observatory, sa domnieva, že malé odchýlky týchto dráh sú spôsobené zmenami v hustote atmosféry, keď ju ohrieva Slnko. Navrhol existenciu maximálnej hustoty elektrónov v ionosfére vo výške viac ako 200 km, čo nezodpovedá slnečnému poludniu, ale pod vplyvom trecích síl zaostáva oproti nej asi o dve hodiny. V tomto čase sú hodnoty hustoty atmosféry typické pre nadmorskú výšku 600 km na úrovni cca. 950 km. Okrem toho maximálna koncentrácia elektrónov podlieha nepravidelným výkyvom v dôsledku krátkodobých zábleskov ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. L. Yakkia objavil aj krátkodobé kolísanie hustoty vzduchu, zodpovedajúce slnečným erupciám a poruchám magnetického poľa. Tieto javy sa vysvetľujú vnikaním častíc slnečného pôvodu do zemskej atmosféry a zahrievaním tých vrstiev, kde obiehajú satelity.
ATMOSFÉRICKÁ ELEKTRINA
V povrchovej vrstve atmosféry podlieha malá časť molekúl ionizácii pod vplyvom kozmického žiarenia, žiarenia z rádioaktívnych hornín a produktov rozpadu rádia (hlavne radónu) v samotnom vzduchu. V procese ionizácie atóm stráca elektrón a získava kladný náboj. Voľný elektrón sa rýchlo spojí s iným atómom a vytvorí záporne nabitý ión. Takéto spárované kladné a záporné ióny majú molekulárne rozmery. Molekuly v atmosfére majú tendenciu sa zhlukovať okolo týchto iónov. Niekoľko molekúl kombinovaných s iónom tvorí komplex bežne označovaný ako "ľahký ión". Atmosféra obsahuje aj komplexy molekúl, v meteorológii známe ako kondenzačné jadrá, okolo ktorých, keď je vzduch nasýtený vlhkosťou, začína proces kondenzácie. Týmito zárodkami sú častice soli a prachu, ako aj znečisťujúce látky uvoľňované do ovzdušia z priemyselných a iných zdrojov. Ľahké ióny sa často viažu na takéto jadrá a vytvárajú „ťažké ióny“. Pod vplyvom elektrického poľa sa ľahké a ťažké ióny presúvajú z jednej oblasti atmosféry do druhej a prenášajú elektrické náboje. Hoci atmosféra nie je všeobecne považovaná za elektricky vodivé médium, má malú vodivosť. Preto nabité teleso ponechané vo vzduchu pomaly stráca svoj náboj. Atmosférická vodivosť sa zvyšuje s výškou v dôsledku zvýšenej intenzity kozmického žiarenia, zníženej straty iónov v podmienkach nižšieho tlaku (a teda dlhšej strednej voľnej dráhy) a v dôsledku menšieho počtu ťažkých jadier. Vodivosť atmosféry dosahuje maximálnu hodnotu vo výške cca. 50 km, tzv. „úroveň kompenzácie“. Je známe, že medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je vždy potenciálny rozdiel niekoľko stoviek kilovoltov, t.j. konštantné elektrické pole. Ukázalo sa, že potenciálny rozdiel medzi určitým bodom vo vzduchu vo výške niekoľkých metrov a zemským povrchom je veľmi veľký – viac ako 100 V. Atmosféra má kladný náboj a zemský povrch záporne. Keďže elektrické pole je plocha, v ktorej každom bode je určitá hodnota potenciálu, môžeme hovoriť o potenciálnom gradiente. Za jasného počasia je intenzita elektrického poľa atmosféry takmer konštantná. V dôsledku rozdielov v elektrickej vodivosti vzduchu v povrchovej vrstve podlieha potenciálový gradient denným výkyvom, ktorých priebeh sa v jednotlivých miestach výrazne líši. Pri absencii lokálnych zdrojov znečistenia ovzdušia – nad oceánmi, vysoko v horách alebo v polárnych oblastiach – je denný priebeh potenciálneho gradientu za jasného počasia rovnaký. Veľkosť gradientu závisí od univerzálneho alebo Greenwichského stredného času (UT) a dosahuje maximum o 19:00 E. Appleton naznačil, že táto maximálna elektrická vodivosť sa pravdepodobne zhoduje s najväčšou búrkovou aktivitou na planetárnom meradle. Výboje blesku počas búrky nesú na zemský povrch záporný náboj, keďže základne najaktívnejších oblakov typu cumulonimbus majú výrazný záporný náboj. Vrcholy búrkových oblakov majú kladný náboj, ktorý podľa výpočtov Holzera a Saxona pri búrkach prúdi z ich vrchov. Bez neustáleho dopĺňania by bol náboj na zemskom povrchu neutralizovaný vodivosťou atmosféry. Predpoklad, že potenciálny rozdiel medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je v dôsledku búrok zachovaný, podporujú štatistické údaje. Napríklad maximálny počet búrok sa pozoruje v údolí rieky. Amazonky. Najčastejšie sa tam búrky vyskytujú na konci dňa, t.j. OK 19:00 Greenwichský čas, keď je potenciálny gradient kdekoľvek na svete maximálny. Sezónne variácie v tvare kriviek dennej variácie gradientu potenciálu sú navyše v úplnom súlade s údajmi o globálnom rozložení búrok. Niektorí vedci tvrdia, že zdroj elektrického poľa Zeme môže byť vonkajšieho pôvodu, pretože sa predpokladá, že elektrické polia existujú v ionosfére a magnetosfére. Táto okolnosť pravdepodobne vysvetľuje výskyt veľmi úzkych pretiahnutých foriem polárnych žiaroviek, podobných zákulisiu a oblúkom.
(pozri tiež POLÁRNE SVETLÁ). V dôsledku potenciálneho gradientu a vodivosti atmosféry medzi „kompenzačnou hladinou“ a zemským povrchom sa nabité častice začnú pohybovať: kladne nabité ióny – smerom k zemskému povrchu a záporne nabité – smerom nahor od neho. Tento prúd je cca. 1800 A. Hoci sa táto hodnota zdá byť veľká, treba mať na pamäti, že je rozložená po celom povrchu Zeme. Sila prúdu vo vzduchovom stĺpci so základnou plochou 1 m2 je iba 4 * 10 -12 A. Na druhej strane sila prúdu pri výboji blesku môže dosiahnuť niekoľko ampérov, aj keď, samozrejme, takýto výboj má krátke trvanie - od zlomkov sekundy po celú sekundu alebo o niečo viac s opakovanými výbojmi. Blesk sa teší veľkému záujmu nielen ako svojrázny fenomén prírody. Umožňuje pozorovať elektrický výboj v plynnom prostredí pri napätí niekoľko stoviek miliónov voltov a vzdialenosti medzi elektródami niekoľko kilometrov. V roku 1750 B. Franklin navrhol Kráľovskej spoločnosti v Londýne, aby experimentovali so železnou tyčou upevnenou na izolačnej základni a namontovanou na vysokej veži. Očakával, že keď sa búrkový mrak priblíži k veži, náboj opačného znamenia sa bude koncentrovať na hornom konci pôvodne neutrálnej tyče a náboj rovnakého znamenia ako na základni oblaku bude sústredený na spodnom konci. . Ak sa sila elektrického poľa pri výboji blesku dostatočne zvýši, náboj z horného konca tyče čiastočne odtečie do vzduchu a tyč nadobudne náboj rovnakého znamienka ako základňa oblaku. Franklinom navrhovaný experiment sa neuskutočnil v Anglicku, ale v roku 1752 ho v Marly pri Paríži zriadil francúzsky fyzik Jean d'Alembert Použil železnú tyč dlhú 12 m vloženú do sklenenej fľaše (ktorá slúžila ako izolátor), ale neumiestnil ho na vežu. 10. mája jeho asistent oznámil, že keď bol nad tyčou búrkový mrak, vytvárali sa iskry, keď sa k nej priviedol uzemnený drôt. Franklin sám nevedel o úspešnej skúsenosti realizovanej vo Francúzsku, v júni toho istého roku uskutočnil svoj slávny experiment s drakom a pozoroval elektrické iskry na konci drôtu, ktorý je k nemu priviazaný. Nasledujúci rok pri štúdiu nábojov nazbieraných z tyče Franklin zistil, že základne mrakov sú zvyčajne negatívne nabité. .Podrobnejšie štúdium blesku bolo možné koncom 19. storočia vďaka zdokonaleniu fotografických metód, najmä po vynájdení prístroja s rotačnými šošovkami, ktorý umožnil fixovať rýchlo sa rozvíjajúce procesy. Takáto kamera bola široko používaná pri štúdiu iskrových výbojov. Zistilo sa, že existuje niekoľko druhov bleskov, pričom najbežnejšie sú lineárne, ploché (vnútrooblakové) a guľové (výboje vzduchu). Lineárny blesk je iskrový výboj medzi oblakom a zemským povrchom, ktorý sleduje kanál s vetvami smerujúcimi nadol. Ploché blesky sa vyskytujú vo vnútri búrkového oblaku a vyzerajú ako záblesky rozptýleného svetla. Vzduchové výboje guľového blesku, vychádzajúce z búrkového mraku, sú často smerované horizontálne a nedosahujú zemský povrch.

Výboj blesku zvyčajne pozostáva z troch alebo viacerých opakovaných výbojov - impulzov sledujúcich rovnakú dráhu. Intervaly medzi po sebe nasledujúcimi impulzmi sú veľmi krátke, od 1/100 do 1/10 s (to spôsobuje blikanie blesku). Vo všeobecnosti trvá blesk približne sekundu alebo menej. Typický proces vývoja blesku možno opísať nasledovne. Najprv sa zhora na zemský povrch vyrúti slabo svietiaci výbojový vodič. Keď ho dosiahne, jasne žiariaci spätný alebo hlavný výboj prechádza zo zeme kanálom, ktorý položil vodca. Vybíjací vodič sa spravidla pohybuje cik-cak. Rýchlosť jeho šírenia sa pohybuje od sto do niekoľkých stoviek kilometrov za sekundu. Na svojej ceste ionizuje molekuly vzduchu a vytvára kanál so zvýšenou vodivosťou, cez ktorý sa spätný výboj pohybuje nahor rýchlosťou asi stokrát vyššou ako rýchlosť vedúceho výboja. Je ťažké určiť veľkosť kanála, ale priemer vedúceho výboja sa odhaduje na 1–10 ma priemer spätného výboja niekoľko centimetrov. Výboje blesku vytvárajú rádiové rušenie vyžarovaním rádiových vĺn v širokom rozsahu – od 30 kHz až po ultra nízke frekvencie. Najväčšie vyžarovanie rádiových vĺn je pravdepodobne v rozsahu od 5 do 10 kHz. Takéto nízkofrekvenčné rádiové rušenie sa „koncentruje“ v priestore medzi spodnou hranicou ionosféry a zemským povrchom a je schopné sa šíriť do vzdialeností tisícok kilometrov od zdroja.
ZMENY V ATMOSFÉRE
Vplyv meteoritov a meteoritov. Hoci niekedy meteorické roje svojimi svetelnými efektmi urobia hlboký dojem, jednotlivé meteory vidno len zriedka. Oveľa početnejšie sú neviditeľné meteory, príliš malé na to, aby ich bolo možné vidieť v momente, keď ich pohltí atmosféra. Niektoré z najmenších meteorov sa pravdepodobne vôbec nezohrievajú, ale sú zachytené iba atmosférou. Tieto malé častice s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do desaťtisícin milimetra sa nazývajú mikrometeority. Množstvo meteorickej hmoty vstupujúcej do atmosféry každý deň je od 100 do 10 000 ton, pričom väčšinu tejto hmoty tvoria mikrometeority. Keďže meteorická hmota čiastočne horí v atmosfére, jej plynové zloženie je doplnené o stopy rôznych chemických prvkov. Napríklad kamenné meteory prinášajú lítium do atmosféry. Spaľovanie kovových meteorov vedie k tvorbe drobných guľovitých železných, železo-niklových a iných kvapôčok, ktoré prechádzajú atmosférou a ukladajú sa na zemský povrch. Možno ich nájsť v Grónsku a Antarktíde, kde ľadové štíty zostávajú roky takmer nezmenené. Oceánológovia ich nachádzajú v sedimentoch dna oceánov. Väčšina meteorických častíc vstupujúcich do atmosféry sa usadí do približne 30 dní. Niektorí vedci sa domnievajú, že tento kozmický prach hrá dôležitú úlohu pri tvorbe atmosférických javov, ako je dážď, keďže slúži ako zárodok kondenzácie vodnej pary. Preto sa predpokladá, že zrážky sú štatisticky spojené s veľkými meteorickými rojmi. Niektorí odborníci sa však domnievajú, že keďže celkový príkon meteorickej hmoty je mnohonásobne väčší ako pri najväčšom meteorickom roji, možno zanedbať zmenu celkového množstva tohto materiálu, ktorá nastane v dôsledku jedného takéhoto roja. Niet však pochýb o tom, že najväčšie mikrometeority a samozrejme viditeľné meteority zanechávajú dlhé stopy ionizácie vo vysokých vrstvách atmosféry, najmä v ionosfére. Takéto stopy možno použiť na rádiovú komunikáciu na veľké vzdialenosti, pretože odrážajú vysokofrekvenčné rádiové vlny. Energia meteorov vstupujúcich do atmosféry sa vynakladá hlavne a možno úplne na jej zahrievanie. Ide o jednu z vedľajších zložiek tepelnej bilancie atmosféry.
Oxid uhličitý priemyselného pôvodu. V období karbónu bola na Zemi rozšírená drevinová vegetácia. Väčšina oxidu uhličitého absorbovaného rastlinami sa v tom čase hromadila v ložiskách uhlia a v ložiskách s ropou. Ľudia sa naučili využívať obrovské zásoby týchto minerálov ako zdroj energie a teraz rýchlo vracajú oxid uhličitý do obehu látok. Fosília je pravdepodobne cca. 4*10 13 ton uhlíka. Za posledné storočie ľudstvo spálilo toľko fosílnych palív, že približne 4 x 10 11 ton uhlíka sa opäť dostalo do atmosféry. V súčasnosti je cca. 2 * 10 12 ton uhlíka a v najbližších sto rokoch sa toto číslo môže zdvojnásobiť v dôsledku spaľovania fosílnych palív. Nie všetok uhlík však zostane v atmosfére: časť sa rozpustí vo vodách oceánu, časť pohltí rastliny a časť sa viaže v procese zvetrávania hornín. Zatiaľ nie je možné predpovedať, koľko oxidu uhličitého bude v atmosfére alebo aký to bude mať vplyv na svetovú klímu. Napriek tomu sa verí, že akékoľvek zvýšenie jeho obsahu spôsobí otepľovanie, aj keď vôbec nie je potrebné, aby akékoľvek otepľovanie výrazne ovplyvňovalo klímu. Koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére podľa výsledkov meraní citeľne stúpa, aj keď pomalým tempom. Klimatické údaje pre stanicu Svalbard a Little America na Rossovom ľadovom šelfe v Antarktíde naznačujú zvýšenie priemerných ročných teplôt za obdobie približne 50 rokov o 5° a 2,5°C.
Vplyv kozmického žiarenia. Pri interakcii vysokoenergetického kozmického žiarenia s jednotlivými zložkami atmosféry vznikajú rádioaktívne izotopy. Medzi nimi vyniká izotop uhlíka 14C, ktorý sa hromadí v rastlinných a živočíšnych tkanivách. Meraním rádioaktivity organických látok, ktoré si dlho nevymieňali uhlík s okolím, možno určiť ich vek. Rádiokarbónová metóda sa etablovala ako najspoľahlivejšia metóda na datovanie fosílnych organizmov a predmetov hmotnej kultúry, ktorých vek nepresahuje 50 tisíc rokov. Iné rádioaktívne izotopy s dlhým polčasom rozpadu by sa dali použiť na datovanie materiálov starých státisíce rokov, ak by sa vyriešil základný problém merania extrémne nízkych úrovní rádioaktivity.
(pozri aj RÁDIOkarbónová zoznamka).
VZNIK ATMOSFÉRY ZEME
História vzniku atmosféry ešte nebola úplne spoľahlivo obnovená. Napriek tomu boli identifikované niektoré pravdepodobné zmeny v jeho zložení. Tvorba atmosféry začala hneď po sformovaní Zeme. Existujú celkom dobré dôvody domnievať sa, že v procese evolúcie Pra-Zeme a jej nadobúdania blízkych moderným rozmerom a hmotnosti takmer úplne stratila svoju pôvodnú atmosféru. Predpokladá sa, že v ranom štádiu bola Zem v roztavenom stave a cca. Pred 4,5 miliardami rokov dostal tvar v pevnom tele. Tento míľnik sa považuje za začiatok geologickej chronológie. Odvtedy došlo k pomalému vývoju atmosféry. Niektoré geologické procesy, ako napríklad erupcie lávy počas sopečných erupcií, boli sprevádzané uvoľňovaním plynov z útrob Zeme. Pravdepodobne medzi ne patril dusík, čpavok, metán, vodná para, oxid uhoľnatý a oxid uhličitý. Pod vplyvom slnečného ultrafialového žiarenia sa vodná para rozložila na vodík a kyslík, no uvoľnený kyslík reagoval s oxidom uhoľnatým za vzniku oxidu uhličitého. Amoniak sa rozkladá na dusík a vodík. Vodík v procese difúzie stúpal a opúšťal atmosféru, zatiaľ čo ťažší dusík nemohol uniknúť a postupne sa hromadil a stal sa jeho hlavnou zložkou, hoci časť z neho bola viazaná pri chemických reakciách. Vplyvom ultrafialových lúčov a elektrických výbojov sa zmes plynov, pravdepodobne prítomných v pôvodnej atmosfére Zeme, dostala do chemických reakcií, v dôsledku ktorých vznikali organické látky, najmä aminokyseliny. V dôsledku toho by život mohol vzniknúť v atmosfére zásadne odlišnej od tej modernej. S príchodom primitívnych rastlín sa začal proces fotosyntézy (pozri aj FOTOSYNTÉZA), sprevádzaný uvoľňovaním voľného kyslíka. Tento plyn, najmä po difúzii do vyšších vrstiev atmosféry, začal chrániť jej spodné vrstvy a zemský povrch pred životu nebezpečným ultrafialovým a röntgenovým žiarením. Odhaduje sa, že už 0,00004 dnešného objemu kyslíka by mohlo viesť k vytvoreniu vrstvy s polovičnou koncentráciou ozónu, ktorá napriek tomu poskytovala veľmi významnú ochranu pred ultrafialovým žiarením. Je tiež pravdepodobné, že primárna atmosféra obsahovala veľa oxidu uhličitého. Bol spotrebovaný počas fotosyntézy a jeho koncentrácia musela klesať s vývojom sveta rastlín a tiež v dôsledku absorpcie počas niektorých geologických procesov. Keďže skleníkový efekt súvisí s prítomnosťou oxidu uhličitého v atmosfére, niektorí vedci sa domnievajú, že kolísanie jeho koncentrácie je jednou z dôležitých príčin rozsiahlych klimatických zmien v dejinách Zeme, akými sú doby ľadové. Hélium prítomné v modernej atmosfére je pravdepodobne väčšinou produktom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a rádia. Tieto rádioaktívne prvky vyžarujú častice alfa, ktoré sú jadrami atómov hélia. Keďže počas rádioaktívneho rozpadu nevzniká ani nezničí žiadny elektrický náboj, na každú alfa časticu pripadajú dva elektróny. V dôsledku toho sa s nimi spája a vytvára neutrálne atómy hélia. Rádioaktívne prvky sú obsiahnuté v mineráloch rozptýlených v hrúbke hornín, takže značná časť hélia vzniknutého v dôsledku rádioaktívneho rozpadu je v nich uložená a veľmi pomaly prchá do atmosféry. Určité množstvo hélia stúpa do exosféry v dôsledku difúzie, ale v dôsledku neustáleho prílevu zo zemského povrchu sa objem tohto plynu v atmosfére nemení. Na základe spektrálnej analýzy hviezdneho svetla a štúdia meteoritov je možné odhadnúť relatívne zastúpenie rôznych chemických prvkov vo vesmíre. Koncentrácia neónu vo vesmíre je asi desaťmiliardkrát vyššia ako na Zemi, kryptónu - desaťmiliónkrát a xenónu - miliónkrát. Z toho vyplýva, že koncentrácia týchto inertných plynov, ktoré sa pôvodne nachádzali v zemskej atmosfére a v priebehu chemických reakcií sa nedopĺňali, výrazne klesla, pravdepodobne už v štádiu straty primárnej atmosféry Zeme. Výnimkou je inertný plyn argón, pretože ten stále vzniká vo forme izotopu 40Ar v procese rádioaktívneho rozpadu izotopu draslíka.
OPTICKÉ JAMY
Rozmanitosť optických javov v atmosfére je spôsobená rôznymi dôvodmi. Medzi najčastejšie úkazy patria blesky (pozri vyššie) a veľmi malebná polárna žiara a polárna žiara (pozri aj POLÁRNE SVETLÁ). Okrem toho sú obzvlášť zaujímavé dúha, gal, parhelion (falošné slnko) a oblúky, koruna, svätožiare a duchovia Brockena, fatamorgány, ohne svätého Elma, svetelné oblaky, zelené a súmrakové lúče. Dúha je najkrajší atmosférický úkaz. Zvyčajne ide o obrovský oblúk pozostávajúci z viacfarebných pruhov, ktorý sa pozoruje, keď Slnko osvetľuje iba časť oblohy a vzduch je nasýtený kvapkami vody, napríklad počas dažďa. Viacfarebné oblúky sú usporiadané v spektrálnej sekvencii (červená, oranžová, žltá, zelená, azúrová, indigová, fialová), ale farby nie sú takmer nikdy čisté, pretože pásy sa prekrývajú. Fyzikálne vlastnosti dúh sa spravidla výrazne líšia, a preto majú veľmi rôznorodý vzhľad. Ich spoločným znakom je, že stred oblúka sa vždy nachádza na priamke vedenej od Slnka k pozorovateľovi. Hlavná dúha je oblúk pozostávajúci z najjasnejších farieb - červenej zvonka a fialovej zvnútra. Niekedy je viditeľný iba jeden oblúk, ale často sa na vonkajšej strane hlavnej dúhy objaví sekundárny. Nemá také jasné farby ako prvý a červené a fialové pruhy v ňom menia miesta: červená sa nachádza zvnútra. Vznik hlavnej dúhy sa vysvetľuje dvojitým lomom (pozri aj OPTIKA) a jednoduchým vnútorným odrazom slnečných lúčov (pozri obr. 5). Vniknutím do kvapky vody (A) sa lúč svetla láme a rozkladá, ako keď prechádza hranolom. Potom dosiahne protiľahlý povrch kvapky (B), odrazí sa od nej a vystúpi z kvapky von (C). V tomto prípade sa lúč svetla pred dosiahnutím pozorovateľa druhýkrát láme. Počiatočný biely lúč sa rozloží na lúče rôznych farieb s uhlom divergencie 2°. Pri vzniku sekundárnej dúhy dochádza k dvojitému lomu a dvojitému odrazu slnečných lúčov (pozri obr. 6). V tomto prípade sa svetlo láme, preniká dovnútra kvapky cez jej spodnú časť (A) a odráža sa od vnútorného povrchu kvapky najskôr v bode B, potom v bode C. V bode D sa svetlo láme, ponechanie kvapky smerom k pozorovateľovi.

Pri východe a západe slnka pozorovateľ vidí dúhu vo forme oblúka rovnajúceho sa polovici kruhu, pretože os dúhy je rovnobežná s horizontom. Ak je Slnko vyššie nad obzorom, oblúk dúhy je menší ako polovica kruhu. Keď Slnko vystúpi nad 42° nad obzor, dúha zmizne. Všade, okrem vysokých zemepisných šírok, sa dúha nemôže objaviť na poludnie, keď je Slnko príliš vysoko. Je zaujímavé odhadnúť vzdialenosť k dúhe. Hoci sa zdá, že viacfarebný oblúk je umiestnený v rovnakej rovine, je to ilúzia. V skutočnosti má dúha veľkú hĺbku a možno ju znázorniť ako povrch dutého kužeľa, na vrchole ktorého je pozorovateľ. Os kužeľa spája Slnko, pozorovateľa a stred dúhy. Pozorovateľ sa akoby pozerá po povrchu tohto kužeľa. Dvaja ľudia nikdy nemôžu vidieť rovnakú dúhu. Samozrejme, vo všeobecnosti možno pozorovať rovnaký efekt, ale dve dúhy sú v rôznych polohách a sú tvorené rôznymi kvapkami vody. Keď dážď alebo hmla vytvorí dúhu, úplný optický efekt sa dosiahne kombinovaným účinkom všetkých kvapiek vody prechádzajúcich povrchom dúhového kužeľa s pozorovateľom na vrchole. Úloha každej kvapky je prchavá. Povrch dúhového kužeľa pozostáva z niekoľkých vrstiev. Keď ich rýchlo prekročíte a prejdete cez sériu kritických bodov, každá kvapka okamžite rozloží slnečný lúč na celé spektrum v presne definovanom poradí – od červenej po fialovú. Mnoho kvapiek prechádza po povrchu kužeľa rovnakým spôsobom, takže dúha sa pozorovateľovi javí ako súvislá pozdĺž a cez jeho oblúk. Halo - biele alebo dúhové svetelné oblúky a kruhy okolo disku Slnka alebo Mesiaca. Sú spôsobené lomom alebo odrazom svetla ľadovými alebo snehovými kryštálmi v atmosfére. Kryštály, ktoré tvoria halo, sa nachádzajú na povrchu pomyselného kužeľa s osou smerujúcou od pozorovateľa (z vrchu kužeľa) k Slnku. Atmosféra je za určitých podmienok nasýtená malými kryštálmi, ktorých mnohé tváre zvierajú pravý uhol s rovinou prechádzajúcou cez Slnko, pozorovateľa a tieto kryštály. Takéto fazety odrážajú prichádzajúce svetelné lúče s odchýlkou ​​22° a vytvárajú halo, ktoré je zvnútra načervenalé, ale môže pozostávať aj zo všetkých farieb spektra. Menej časté je halo s uhlovým polomerom 46°, umiestnené sústredne okolo 22-stupňového halo. Jeho vnútorná strana má tiež červenkastý odtieň. Dôvodom je aj lom svetla, ktorý sa v tomto prípade vyskytuje na plochách kryštálov, ktoré zvierajú pravé uhly. Šírka prstenca takéhoto halo presahuje 2,5°. 46-stupňové aj 22-stupňové halo majú tendenciu byť najjasnejšie v hornej a dolnej časti prstenca. Zriedkavé 90-stupňové halo je slabo svietiaci, takmer bezfarebný prstenec, ktorý má spoločný stred s ďalšími dvoma halo. Ak je farebný, má na vonkajšej strane prsteňa červenú farbu. Mechanizmus vzniku tohto typu halo nie je úplne objasnený (obr. 7).

Parhelia a oblúky. Parhelický kruh (alebo kruh falošných sĺnk) - biely prstenec so stredom v zenitovom bode, prechádzajúci Slnkom rovnobežne s horizontom. Dôvodom jeho vzniku je odraz slnečného svetla od okrajov povrchov ľadových kryštálikov. Ak sú kryštály dostatočne rovnomerne rozložené vo vzduchu, je viditeľný celý kruh. Parhelia alebo falošné slnká sú jasne svietiace škvrny pripomínajúce Slnko, ktoré sa tvoria v priesečníkoch parhelického kruhu so svätožiarou s uhlovými polomermi 22°, 46° a 90°. Najčastejšie tvorené a najjasnejšie parhélium sa tvorí na priesečníku s 22-stupňovým halo, zvyčajne sfarbeným takmer do všetkých farieb dúhy. Falošné slnká na priesečníkoch so 46- a 90-stupňovým halo sú pozorované oveľa menej často. Parheliá, ktoré sa vyskytujú na priesečníkoch s 90-stupňovými halo, sa nazývajú parantélia alebo falošné protislnká. Niekedy je viditeľné aj antelium (protislnko) - jasná škvrna umiestnená na prstenci parhelia presne oproti Slnku. Predpokladá sa, že príčinou tohto javu je dvojitý vnútorný odraz slnečného svetla. Odrazený lúč sleduje rovnakú dráhu ako dopadajúci lúč, ale v opačnom smere. Cirkumzenitálny oblúk, niekedy nesprávne označovaný ako horný tangentový oblúk 46-stupňového halo, je oblúk 90° alebo menej so stredom v zenitovom bode a približne 46° nad Slnkom. Je zriedka viditeľná a len na niekoľko minút, má jasné farby a červená farba je obmedzená na vonkajšiu stranu oblúka. Cirkumzenitálny oblúk je pozoruhodný pre svoje sfarbenie, jas a jasné obrysy. Ďalším kurióznym a veľmi zriedkavým optickým efektom typu halo je Lovitzov oblúk. Vznikajú ako pokračovanie parhélia na priesečníku s 22-stupňovým halo, prechádzajú z vonkajšej strany hala a sú mierne konkávne smerom k Slnku. Stĺpy belavého svetla, ako aj rôzne kríže, sú niekedy viditeľné za úsvitu alebo súmraku najmä v polárnych oblastiach a môžu sprevádzať Slnko aj Mesiac. Občas sú pozorované lunárne halo a iné efekty podobné tým, ktoré sú opísané vyššie, pričom najbežnejšie mesačné halo (prstenec okolo Mesiaca) má uhlový polomer 22°. Rovnako ako falošné slnká môžu vzniknúť falošné mesiace. Koruny alebo koruny sú malé sústredné farebné krúžky okolo Slnka, Mesiaca alebo iných jasných objektov, ktoré sa z času na čas pozorujú, keď je zdroj svetla za priesvitnými mrakmi. Polomer koróny je menší ako polomer halo a je cca. 1-5° je modrý alebo fialový prstenec najbližšie k Slnku. Koróna vzniká, keď je svetlo rozptýlené malými vodnými kvapôčkami vody, ktoré tvoria oblak. Niekedy koruna vyzerá ako svetelná škvrna (alebo halo) obklopujúca Slnko (alebo Mesiac), ktorá končí červenkastým prstencom. V iných prípadoch sú mimo halo viditeľné aspoň dva sústredné krúžky väčšieho priemeru, veľmi slabo sfarbené. Tento jav sprevádzajú dúhové mraky. Niekedy sú okraje veľmi vysokých oblakov namaľované jasnými farbami.
Gloria (svätožiara). Za zvláštnych podmienok dochádza k neobvyklým atmosférickým javom. Ak je Slnko za pozorovateľom a jeho tieň sa premieta na blízke oblaky alebo clonu hmly, pri určitom stave atmosféry okolo tieňa hlavy človeka môžete vidieť farebný svetelný kruh - halo. Zvyčajne takéto halo vzniká odrazom svetla kvapkami rosy na trávnatom trávniku. Glórie sa tiež celkom bežne vyskytujú okolo tieňa, ktorý lietadlo vrhá na oblaky pod nimi.
Ghosts of the Brocken. V niektorých oblastiach zemegule, keď tieň pozorovateľa na kopci, pri východe alebo západe slnka, za ním padne na oblaky umiestnené v krátkej vzdialenosti, odhalí sa pozoruhodný efekt: tieň nadobúda kolosálne rozmery. Je to spôsobené odrazom a lomom svetla najmenšími kvapôčkami vody v hmle. Opísaný jav sa nazýva „duch Brocken“ podľa vrcholu v pohorí Harz v Nemecku.
Mirages- optický efekt spôsobený lomom svetla pri prechode vrstvami vzduchu rôznej hustoty a prejavuje sa vo vzhľade virtuálneho obrazu. V tomto prípade sa vzdialené predmety môžu ukázať ako zdvihnuté alebo znížené vzhľadom na ich skutočnú polohu a môžu byť tiež zdeformované a nadobúdať nepravidelné fantastické tvary. Mirage sú často pozorované v horúcom podnebí, napríklad nad piesočnatými pláňami. Bežné sú podradné fatamorgány, keď vzdialený, takmer plochý púštny povrch nadobúda vzhľad otvorenej vody, najmä pri pohľade z miernej nadmorskej výšky alebo jednoducho nad vrstvou zohriateho vzduchu. Podobná ilúzia sa zvyčajne vyskytuje na vyhriatej dláždenej ceste, ktorá ďaleko vpredu vyzerá ako vodná plocha. V skutočnosti je tento povrch odrazom oblohy. Pod úrovňou očí sa v tejto „vode“ môžu objaviť predmety, zvyčajne prevrátené. Nad zohriatym zemským povrchom sa vytvára „vzduchový koláč“ a vrstva najbližšie k Zemi je najviac zahriata a taká riedka, že svetelné vlny prechádzajúce cez ňu sú skreslené, pretože rýchlosť ich šírenia sa mení v závislosti od hustoty média. Vynikajúce fatamorgány sú menej bežné a scénickejšie ako nižšie fatamorgány. Vzdialené objekty (často pod morským horizontom) sa na oblohe objavujú prevrátené a niekedy sa hore objaví aj priamy obraz toho istého objektu. Tento jav je typický pre chladné oblasti, najmä pri výraznej teplotnej inverzii, kedy je nad chladnejšou vrstvou teplejšia vrstva vzduchu. Tento optický efekt sa prejavuje ako výsledok zložitých vzorov šírenia čela svetelných vĺn vo vrstvách vzduchu s nerovnomernou hustotou. Najmä v polárnych oblastiach sa z času na čas vyskytujú veľmi nezvyčajné fatamorgány. Keď sa fatamorgány vyskytnú na súši, stromy a iné zložky krajiny sú hore nohami. Vo všetkých prípadoch sú objekty v horných fatamorgánach zreteľnejšie viditeľné ako v dolných. Keď je hranicou dvoch vzdušných hmôt vertikálna rovina, niekedy sa pozorujú bočné fatamorgány.
Oheň svätého Elma. Niektoré optické javy v atmosfére (napríklad žiara a najbežnejší meteorologický jav – blesky) majú elektrický charakter. Oveľa menej bežné sú požiare sv. Elma - svietiace svetlomodré alebo fialové kefy s dĺžkou od 30 cm do 1 m alebo viac, zvyčajne na vrcholoch stožiarov alebo na koncoch nádvorí lodí na mori. Niekedy sa zdá, že celá takeláž lode je pokrytá fosforom a žiari. Elmove ohne sa niekedy objavujú na vrcholkoch hôr, ako aj na vežiach a ostrých rohoch vysokých budov. Tento jav sú kefové elektrické výboje na koncoch elektrických vodičov, keď je intenzita elektrického poľa v atmosfére okolo nich výrazne zvýšená. Will-o'-the-wisps sú slabou modrastou alebo zelenkastou žiarou, ktorú niekedy vidno v močiaroch, cintorínoch a kryptách. Často sa javia ako pokojne horiaci, nehrejúci, plameň sviečky zdvihnutý asi 30 cm nad zemou, ktorý sa na chvíľu vznáša nad predmetom. Svetlo sa zdá byť úplne nepolapiteľné a keď sa pozorovateľ približuje, zdá sa, že sa presúva na iné miesto. Dôvodom tohto javu je rozklad organických zvyškov a samovznietenie močiarneho plynu metánu (CH4) alebo fosfínu (PH3). Túlavé svetlá majú rôzny tvar, niekedy až guľový. Zelený lúč - záblesk smaragdovo zeleného slnečného svetla v momente, keď posledný lúč Slnka zmizne pod obzorom. Červená zložka slnečného svetla zmizne ako prvá, všetky ostatné nasledujú v poradí a smaragdovo zelená zostáva posledná. K tomuto javu dochádza len vtedy, keď nad horizontom zostane len samotný okraj slnečného disku, inak dochádza k miešaniu farieb. Súmračné lúče sú rozbiehajúce sa lúče slnečného svetla, ktoré sú viditeľné, keď osvetľujú prach vo vysokej atmosfére. Tiene z oblakov tvoria tmavé pásy a medzi nimi sa šíria lúče. Tento efekt nastáva, keď je Slnko nízko nad obzorom pred úsvitom alebo po západe slnka.

Plynný obal, ktorý obklopuje našu planétu Zem, známy ako atmosféra, pozostáva z piatich hlavných vrstiev. Tieto vrstvy vznikajú na povrchu planéty, z hladiny mora (niekedy nižšie) a stúpajú do vesmíru v nasledujúcom poradí:

• Troposféra;
• stratosféra;
• mezosféra;
• termosféra;
• Exosféra.

Schéma hlavných vrstiev zemskej atmosféry

Medzi každou z týchto hlavných piatich vrstiev sú prechodové zóny nazývané „pauzy“, v ktorých dochádza k zmenám teploty, zloženia a hustoty vzduchu. Spolu s pauzami zahŕňa zemská atmosféra celkovo 9 vrstiev.

Troposféra: kde sa deje počasie

Zo všetkých vrstiev atmosféry je troposféra tou, ktorú poznáme (či si to uvedomujete alebo nie), keďže žijeme na jej dne – na povrchu planéty. Obklopuje povrch Zeme a nahor sa tiahne niekoľko kilometrov. Slovo troposféra znamená „výmena lopty“. Veľmi priliehavý názov, keďže v tejto vrstve sa odohráva naše každodenné počasie.

Počnúc povrchom planéty stúpa troposféra do výšky 6 až 20 km. Spodná tretina vrstvy, ktorá je nám najbližšie, obsahuje 50 % všetkých atmosférických plynov. Je to jediná časť z celého zloženia atmosféry, ktorá dýcha. Vzhľadom na to, že vzduch je zospodu ohrievaný zemským povrchom, ktorý pohlcuje tepelnú energiu Slnka, teplota a tlak troposféry s narastajúcou výškou klesá.

Na vrchu je tenká vrstva nazývaná tropopauza, ktorá je len nárazníkom medzi troposférou a stratosférou.

Stratosféra: domov ozónu

Stratosféra je ďalšou vrstvou atmosféry. Rozprestiera sa od 6-20 km do 50 km nad zemským povrchom. Toto je vrstva, v ktorej lieta väčšina komerčných lietadiel a balóny.

Vzduch tu neprúdi hore a dole, ale pohybuje sa paralelne s povrchom vo veľmi rýchlych prúdoch vzduchu. Teploty sa zvyšujú, keď stúpate, vďaka množstvu prirodzene sa vyskytujúceho ozónu (O3), vedľajšieho produktu slnečného žiarenia, a kyslíka, ktorý má schopnosť absorbovať škodlivé ultrafialové lúče slnka (akýkoľvek nárast teploty s nadmorskou výškou je známy napr. meteorológia ako „inverzia“) .

Pretože stratosféra má vyššie teploty v spodnej časti a nižšie teploty v hornej časti, konvekcia (vertikálne pohyby vzdušných hmôt) je v tejto časti atmosféry zriedkavá. V skutočnosti môžete vidieť búrku zúriacu v troposfére zo stratosféry, pretože vrstva funguje ako "čiapka" pre konvekciu, cez ktorú nepreniknú búrkové mraky.

Po stratosfére opäť nasleduje nárazníková vrstva, tentoraz nazývaná stratopauza.

Mezosféra: stredná atmosféra

Mezosféra sa nachádza približne 50-80 km od povrchu Zeme. Horná mezosféra je najchladnejším prírodným miestom na Zemi, kde teploty môžu klesnúť aj pod -143°C.

Termosféra: horná atmosféra

Po mezosfére a mezopauze nasleduje termosféra, ktorá sa nachádza vo výške 80 až 700 km nad povrchom planéty a obsahuje menej ako 0,01 % celkového vzduchu v atmosférickom obale. Teploty tu dosahujú až +2000°C, no vzhľadom na silné riedenie vzduchu a nedostatok molekúl plynu na prenos tepla sú tieto vysoké teploty vnímané ako veľmi chladné.

Exosféra: hranica atmosféry a priestoru

Vo výške asi 700 – 10 000 km nad zemským povrchom sa nachádza exosféra – vonkajší okraj atmosféry, ohraničujúci vesmír. Tu sa meteorologické satelity otáčajú okolo Zeme.

Ako je to s ionosférou?

Ionosféra nie je samostatná vrstva a v skutočnosti sa tento výraz používa na označenie atmosféry vo výške 60 až 1000 km. Zahŕňa najvyššie časti mezosféry, celú termosféru a časť exosféry. Ionosféra dostala svoj názov, pretože v tejto časti atmosféry sa slnečné žiarenie ionizuje, keď prechádza magnetickými poľami Zeme v a . Tento jav možno pozorovať zo Zeme ako polárnu žiaru.