Wiki Atmosféra Zeme. Vertikálna štruktúra atmosféry

Atmosféra sa tiahne nahor na mnoho stoviek kilometrov. Jeho horná hranica, v nadmorskej výške okolo 2000-3000 km, do určitej miery je podmienená, keďže plyny, ktoré ju tvoria, postupne rednúce prechádzajú do kozmického priestoru. S nadmorskou výškou sa mení chemické zloženie atmosféry, tlak, hustota, teplota a jej ďalšie fyzikálne vlastnosti. Ako už bolo spomenuté, chemické zloženie vzduchu do výšky 100 km sa výrazne nemení. O niečo vyššie sa atmosféra tiež skladá hlavne z dusíka a kyslíka. Ale vo výškach 100-110 km, Pod vplyvom ultrafialového žiarenia zo slnka sa molekuly kyslíka rozdelia na atómy a objaví sa atómový kyslík. Nad 110-120 km takmer všetok kyslík sa stáva atómovým. Vraj nad 400-500 km Plyny, ktoré tvoria atmosféru, sú tiež v atómovom stave.

Tlak a hustota vzduchu rýchlo klesajú s nadmorskou výškou. Hoci sa atmosféra rozprestiera nahor na stovky kilometrov, jej väčšina sa nachádza v pomerne tenkej vrstve priliehajúcej k povrchu Zeme v jej najnižších častiach. Takže vo vrstve medzi hladinou mora a výškami 5-6 km polovica hmoty atmosféry je sústredená vo vrstve 0-16 km-90% a vo vrstve 0-30 km- 99 %. Rovnaký rýchly pokles hmotnosti vzduchu nastáva nad 30 km. Ak hmotnosť 1 m 3 vzduch na povrchu zeme je 1033 g, potom vo výške 20 km rovná sa 43 g a pri výške 40 km len 4 roky

V nadmorskej výške 300-400 km a vyššie je vzduch tak riedky, že počas dňa sa jeho hustota mnohokrát mení. Výskum ukázal, že táto zmena hustoty súvisí s polohou Slnka. Najvyššia hustota vzduchu je okolo poludnia, najnižšia v noci. Čiastočne sa to vysvetľuje tým, že horné vrstvy atmosféry reagujú na zmeny elektromagnetického žiarenia Slnka.

Teplota vzduchu sa tiež nerovnomerne mení s nadmorskou výškou. Podľa charakteru zmien teploty s nadmorskou výškou sa atmosféra delí na niekoľko sfér, medzi ktorými sú prechodové vrstvy, takzvané pauzy, kde sa teplota s výškou mení len málo.

Tu sú názvy a hlavné charakteristiky sfér a prechodových vrstiev.

Uveďme základné údaje o fyzikálnych vlastnostiach týchto gúľ.

Troposféra. Fyzikálne vlastnosti troposféry sú do značnej miery determinované vplyvom zemského povrchu, ktorý je jej spodnou hranicou. Najvyššia nadmorská výška troposféry sa pozoruje v rovníkových a tropických zónach. Tu dosahuje 16-18 km a podlieha relatívne malým denným a sezónnym zmenám. Nad polárnymi a priľahlými oblasťami leží horná hranica troposféry v priemere na úrovni 8-10 km. V stredných zemepisných šírkach sa pohybuje od 6-8 do 14-16 km.

Vertikálna hrúbka troposféry výrazne závisí od charakteru atmosférických procesov. Často počas dňa horná hranica troposféry nad daným bodom alebo oblasťou klesá alebo stúpa o niekoľko kilometrov. Je to spôsobené najmä zmenami teploty vzduchu.

Viac ako 4/5 hmoty zemskej atmosféry a takmer všetka vodná para v nej obsiahnutá sú sústredené v troposfére. Okrem toho od povrchu zeme po hornú hranicu troposféry klesá teplota v priemere o 0,6° na každých 100 m, čiže o 6° na 1 m. km zvyšovanie . Vysvetľuje sa to tým, že vzduch v troposfére sa ohrieva a ochladzuje predovšetkým zemským povrchom.

V súlade s prílevom slnečnej energie klesá teplota od rovníka k pólom. Priemerná teplota vzduchu na povrchu zeme pri rovníku teda dosahuje +26°, nad polárnymi oblasťami v zime -34°, -36° a v lete okolo 0°. Teplotný rozdiel medzi rovníkom a pólom je teda v zime 60° a v lete len 26°. Je pravda, že takéto nízke teploty v Arktíde v zime sú pozorované iba blízko povrchu zeme v dôsledku ochladzovania vzduchu nad ľadovými plochami.

V zime v strednej Antarktíde je teplota vzduchu na povrchu ľadovej pokrývky ešte nižšia. Na stanici Vostok v auguste 1960 bola zaznamenaná najnižšia teplota na zemeguli -88,3° a v strednej Antarktíde najčastejšie -45°, -50°.

S výškou sa teplotný rozdiel medzi rovníkom a pólom zmenšuje. Napríklad v nadmorskej výške 5 km na rovníku dosahuje teplota -2°, -4° a v rovnakej nadmorskej výške v strednej Arktíde -37°, -39° v zime a -19°, -20° v lete; preto je teplotný rozdiel v zime 35-36° a v lete 16-17°. Na južnej pologuli sú tieto rozdiely o niečo väčšie.

Energia atmosférickej cirkulácie môže byť určená kontraktmi teploty medzi rovníkovým pólom. Keďže veľkosť teplotných kontrastov je väčšia v zime, atmosférické procesy prebiehajú intenzívnejšie ako v lete. To vysvetľuje aj skutočnosť, že prevládajúce západné vetry v troposfére v zime majú vyššiu rýchlosť ako v lete. V tomto prípade sa rýchlosť vetra spravidla zvyšuje s výškou a dosahuje maximum na hornej hranici troposféry. Horizontálny prenos je sprevádzaný vertikálnymi pohybmi vzduchu a turbulentným (neusporiadaným) pohybom. V dôsledku stúpania a klesania veľkých objemov vzduchu sa vytvárajú a rozptyľujú oblaky, dochádza k zrážkam a ich ustávaniu. Prechodová vrstva medzi troposférou a nadložnou sférou je tropopauza. Nad ním leží stratosféra.

Stratosféra siaha od výšky 8-17 do 50-55 km. Objavili ho začiatkom nášho storočia. Z hľadiska fyzikálnych vlastností sa stratosféra výrazne líši od troposféry tým, že teplota vzduchu sa tu spravidla zvyšuje v priemere o 1 - 2 ° na kilometer nadmorskej výšky a na hornej hranici, v nadmorskej výške 50 - 55 st. km, dokonca sa stáva pozitívnym. Nárast teploty v tejto oblasti je spôsobený prítomnosťou ozónu (O 3), ktorý vzniká vplyvom ultrafialového žiarenia zo Slnka. Ozónová vrstva zaberá takmer celú stratosféru. Stratosféra je veľmi chudobná na vodnú paru. Neexistujú žiadne prudké procesy tvorby oblačnosti a žiadne zrážky.

Nedávno sa predpokladalo, že stratosféra je relatívne pokojné prostredie, kde nedochádza k miešaniu vzduchu, ako v troposfére. Preto sa verilo, že plyny v stratosfére sú rozdelené do vrstiev podľa ich špecifickej hmotnosti. Odtiaľ pochádza názov stratosféra ("stratus" - vrstvený). Tiež sa verilo, že teplota v stratosfére sa vytvára pod vplyvom radiačnej rovnováhy, t.j. keď je absorbované a odrazené slnečné žiarenie rovnaké.

Nové údaje získané z rádiosond a meteorologických rakiet ukázali, že stratosféra, podobne ako horná troposféra, zažíva intenzívnu cirkuláciu vzduchu s veľkými zmenami teploty a vetra. Vzduch tu rovnako ako v troposfére zažíva výrazné vertikálne pohyby a turbulentné pohyby so silnými horizontálnymi prúdmi vzduchu. To všetko je výsledkom nerovnomerného rozloženia teploty.

Prechodová vrstva medzi stratosférou a nadložnou sférou je stratopauza. Kým však prejdeme k charakteristike vyšších vrstiev atmosféry, oboznámme sa s takzvanou ozonosférou, ktorej hranice približne zodpovedajú hraniciam stratosféry.

Ozón v atmosfére. Ozón zohráva veľkú úlohu pri vytváraní teplotných režimov a prúdenia vzduchu v stratosfére. Ozón (O 3) cítime po búrke, keď sa nadýchneme čistého vzduchu s príjemnou pachuťou. Tu však nebudeme hovoriť o tomto ozóne vzniknutom po búrke, ale o ozóne obsiahnutom vo vrstve 10-60 km s maximom v nadmorskej výške 22-25 km. Ozón sa tvorí pod vplyvom ultrafialových lúčov zo Slnka a aj keď je jeho celkové množstvo malé, v atmosfére zohráva dôležitú úlohu. Ozón má schopnosť absorbovať ultrafialové žiarenie zo Slnka a tým chráni flóru a faunu pred jeho deštruktívnymi účinkami. Dokonca aj ten nepatrný zlomok ultrafialových lúčov, ktoré dopadnú na zemský povrch, vážne popáli telo, keď sa človek príliš chce opaľovať.

Množstvo ozónu sa v rôznych častiach Zeme líši. Viac ozónu je vo vysokých zemepisných šírkach, menej v stredných a nízkych zemepisných šírkach a toto množstvo sa mení v závislosti od meniacich sa ročných období. Na jar je ozónu viac, na jeseň menej. Okrem toho dochádza k neperiodickým výkyvom v závislosti od horizontálnej a vertikálnej cirkulácie atmosféry. Mnoho atmosférických procesov úzko súvisí s obsahom ozónu, pretože má priamy vplyv na teplotné pole.

V zime, za polárnych nočných podmienok, vo vysokých zemepisných šírkach dochádza v ozónovej vrstve k vyžarovaniu a ochladzovaniu vzduchu. V dôsledku toho sa v stratosfére vysokých zemepisných šírok (v Arktíde a Antarktíde) v zime vytvára chladná oblasť, stratosférický cyklónový vír s veľkými horizontálnymi teplotnými a tlakovými gradientmi, ktorý spôsobuje západné vetry nad strednými šírkami zemegule.

V lete, v podmienkach polárneho dňa, vo vysokých zemepisných šírkach ozónová vrstva absorbuje slnečné teplo a ohrieva vzduch. V dôsledku zvýšenia teploty v stratosfére vo vysokých zemepisných šírkach vzniká tepelná oblasť a stratosférický anticyklonálny vír. Preto nad strednými zemepisnými šírkami zemegule nad 20 km V lete prevládajú v stratosfére východné vetry.

mezosféra. Pozorovania pomocou meteorologických rakiet a iných metód preukázali, že všeobecný nárast teploty pozorovaný v stratosfére končí vo výškach 50-55 km. Nad touto vrstvou teplota opäť klesá a na hornej hranici mezosféry (asi 80 km) dosahuje -75°, -90°. Potom sa teplota opäť zvyšuje s výškou.

Je zaujímavé, že pokles teploty s výškou charakteristickou pre mezosféru nastáva v rôznych zemepisných šírkach a počas roka rôzne. V nízkych zemepisných šírkach dochádza k poklesu teploty pomalšie ako vo vysokých zemepisných šírkach: priemerný vertikálny teplotný gradient pre mezosféru je 0,23° - 0,31° na 100 st. m alebo 2,3°-3,1° na 1 km. V lete je oveľa väčšia ako v zime. Ako ukázal najnovší výskum vo vysokých zemepisných šírkach, teplota na hornej hranici mezosféry je v lete o niekoľko desiatok stupňov nižšia ako v zime. V hornej mezosfére vo výške okolo 80 km Vo vrstve mezopauzy sa pokles teploty s výškou zastavuje a začína sa jej zvyšovanie. Tu sa pod inverznou vrstvou za súmraku alebo pred východom slnka za jasného počasia pozorujú lesklé tenké oblaky, osvetlené slnkom pod obzorom. Na tmavom pozadí oblohy žiaria strieborno-modrým svetlom. Preto sa tieto oblaky nazývajú noctilucentné.

Povaha noctilucentných oblakov ešte nie je dostatočne preskúmaná. Dlho sa verilo, že pozostávajú zo sopečného prachu. Absencia optických javov charakteristických pre skutočné vulkanické oblaky však viedla k opusteniu tejto hypotézy. Potom sa predpokladalo, že noctilucentné oblaky sú zložené z kozmického prachu. V posledných rokoch bola navrhnutá hypotéza, že tieto oblaky sú zložené z ľadových kryštálov, ako obyčajné cirry. Úroveň noctilucentných oblakov je určená blokujúcou vrstvou v dôsledku teplotná inverzia pri prechode z mezosféry do termosféry vo výške okolo 80 km. Keďže teplota v subinverznej vrstve dosahuje -80° a nižšie, sú tu vytvorené najpriaznivejšie podmienky pre kondenzáciu vodnej pary, ktorá sa sem dostáva zo stratosféry v dôsledku vertikálneho pohybu alebo turbulentnou difúziou. Nočné svietiace oblaky sa zvyčajne pozorujú v lete, niekedy vo veľmi veľkom počte a niekoľko mesiacov.

Pozorovania noctilucentných oblakov ukázali, že v lete sú vetry na ich úrovni veľmi premenlivé. Rýchlosť vetra sa veľmi líši: od 50 do 100 až po niekoľko stoviek kilometrov za hodinu.

Teplota vo výškach. Vizuálne znázornenie charakteru rozloženia teplôt s výškou, medzi zemským povrchom a nadmorskými výškami 90-100 km, v zime a v lete na severnej pologuli, je uvedené na obrázku 5. Povrchy oddeľujúce gule sú tu znázornené hrúbkou prerušované čiary. Úplne dole je dobre viditeľná troposféra s charakteristickým poklesom teploty s výškou. Naopak, nad tropopauzou, v stratosfére, teplota vo všeobecnosti stúpa s výškou a vo výškach 50-55 km dosahuje + 10°, -10°. Venujme pozornosť dôležitému detailu. V zime v stratosfére vysokých zemepisných šírok klesá teplota nad tropopauzou z -60 na -75° a len nad 30 km sa opäť zvýši na -15°. V lete, počnúc tropopauzou, teplota stúpa s nadmorskou výškou o 50 km dosahuje + 10°. Nad stratopauzou teplota opäť klesá s výškou a na úrovni 80 km nepresahuje -70°, -90°.

Z obrázku 5 vyplýva, že vo vrstve 10-40 km Teplota vzduchu v zime a v lete vo vysokých zemepisných šírkach je výrazne odlišná. V zime za polárnych nočných podmienok tu teplota dosahuje -60°, -75° a v lete je v blízkosti tropopauzy minimum -45°. Nad tropopauzou sa teplota zvyšuje vo výškach 30-35 km je len -30°, -20°, čo je spôsobené zahrievaním vzduchu v ozónovej vrstve pri polárnych podmienkach dňa. Z obrázku tiež vyplýva, že ani v rovnakom ročnom období a na rovnakej úrovni nie je teplota rovnaká. Ich rozdiel medzi rôznymi zemepisnými šírkami presahuje 20-30°. V tomto prípade je heterogenita obzvlášť významná vo vrstve nízkych teplôt (18-30 km) a vo vrstve maximálnych teplôt (50-60 km) v stratosfére, ako aj vo vrstve nízkych teplôt v hornej mezosfére (75-85km).

Priemerné teploty zobrazené na obrázku 5 sú získané z pozorovacích údajov na severnej pologuli, ale podľa dostupných informácií ich možno pripísať aj južnej pologuli. Niektoré rozdiely existujú najmä vo vysokých zemepisných šírkach. Nad Antarktídou v zime je teplota vzduchu v troposfére a nižšej stratosfére výrazne nižšia ako nad centrálnou Arktídou.

Vietor vo výškach. Sezónne rozloženie teploty je určené pomerne zložitým systémom prúdenia vzduchu v stratosfére a mezosfére.

Obrázok 6 zobrazuje vertikálny rez veterným poľom v atmosfére medzi zemským povrchom a výškou 90 km zima a leto na severnej pologuli. Izoliary zobrazujú priemerné rýchlosti prevládajúceho vetra (v m/s). Z obrázku vyplýva, že veterný režim v stratosfére v zime a v lete je výrazne odlišný. V zime prevládajú v troposfére aj stratosfére západné vetry s maximálnou rýchlosťou okolo

100 m/s v nadmorskej výške 60-65 km. V lete prevládajú západné vetry len do výšok 18-20 km. Vyššie sa stávajú východnými s maximálnymi rýchlosťami až 70 m/s v nadmorskej výške 55-60km.

V lete nad mezosférou sa vetry stávajú západnými a v zime východnými.

Termosféra. Nad mezosférou sa nachádza termosféra, ktorá sa vyznačuje zvýšením teploty s výška. Podľa získaných údajov najmä pomocou rakiet sa zistilo, že v termosfére už na úrovni 150 km teplota vzduchu dosahuje 220-240 ° a pri 200 km viac ako 500°. Nad teplota stále stúpa a na úrovni 500-600 km presahuje 1500°. Na základe údajov získaných zo štartov umelých družíc Zeme sa zistilo, že v hornej termosfére dosahuje teplota okolo 2000° a počas dňa výrazne kolíše. Vzniká otázka, ako vysvetliť tak vysoké teploty vo vysokých vrstvách atmosféry. Pripomeňme, že teplota plynu je mierou priemernej rýchlosti pohybu molekúl. V spodnej, najhustejšej časti atmosféry sa molekuly plynov, ktoré tvoria vzduch, často pri pohybe navzájom zrážajú a okamžite si navzájom odovzdávajú kinetickú energiu. Preto je kinetická energia v hustom médiu v priemere rovnaká. Vo vysokých vrstvách, kde je hustota vzduchu veľmi nízka, sa kolízie medzi molekulami umiestnenými vo veľkých vzdialenostiach vyskytujú zriedkavejšie. Keď je energia absorbovaná, rýchlosť molekúl sa medzi zrážkami výrazne mení; okrem toho sa molekuly ľahších plynov pohybujú vyššou rýchlosťou ako molekuly ťažkých plynov. V dôsledku toho môže byť teplota plynov odlišná.

V riedených plynoch je relatívne málo molekúl veľmi malých rozmerov (ľahké plyny). Ak sa pohybujú vysokou rýchlosťou, potom bude teplota v danom objeme vzduchu vysoká. V termosfére obsahuje každý kubický centimeter vzduchu desiatky a stovky tisíc molekúl rôznych plynov, zatiaľ čo na povrchu zeme sú ich asi stovky miliónov miliárd. Preto príliš vysoké teploty vo vysokých vrstvách atmosféry, ukazujúce rýchlosť pohybu molekúl v tomto veľmi sypkom prostredí, nemôžu spôsobiť ani mierne zahrievanie tu umiestneného telesa. Rovnako ako človek necíti vysokú teplotu pod oslňujúcim svetlom elektrických lámp, hoci vlákna v riedkom prostredí sa okamžite zahrejú na niekoľko tisíc stupňov.

V nižšej termosfére a mezosfére hlavná časť meteorických rojov zhorí skôr, ako sa dostanú na zemský povrch.

Dostupné informácie o vrstvách atmosféry nad 60-80 km sú stále nedostatočné na konečné závery o štruktúre, režime a procesoch, ktoré sa v nich vyvíjajú. Je však známe, že v hornej mezosfére a dolnej termosfére sa teplotný režim vytvára v dôsledku premeny molekulárneho kyslíka (O 2) na atómový kyslík (O), ku ktorému dochádza pod vplyvom ultrafialového slnečného žiarenia. V termosfére je teplotný režim značne ovplyvnený korpuskulárnymi, röntgenovými a. ultrafialové žiarenie zo slnka. Tu aj cez deň dochádza k prudkým zmenám teploty a vetra.

Ionizácia atmosféry. Najzaujímavejšia vlastnosť atmosféry je nad 60-80 km je jej ionizácia, teda proces vzniku obrovského množstva elektricky nabitých častíc – iónov. Keďže ionizácia plynov je charakteristická pre spodnú termosféru, nazýva sa aj ionosféra.

Plyny v ionosfére sú väčšinou v atómovom stave. Vplyvom ultrafialového a korpuskulárneho žiarenia zo Slnka, ktoré majú vysokú energiu, dochádza k procesu oddeľovania elektrónov od neutrálnych atómov a molekúl vzduchu. Takéto atómy a molekuly, ktoré stratili jeden alebo viac elektrónov, sa stanú kladne nabitými a voľný elektrón sa môže znova pripojiť k neutrálnemu atómu alebo molekule a udeliť im svoj negatívny náboj. Takéto pozitívne a negatívne nabité atómy a molekuly sa nazývajú ióny, a plyny - ionizovaný, t.j. po prijatí elektrického náboja. Pri vyšších koncentráciách iónov sa plyny stávajú elektricky vodivými.

Ionizačný proces prebieha najintenzívnejšie v hrubých vrstvách ohraničených výškami 60-80 a 220-400 km. V týchto vrstvách sú optimálne podmienky pre ionizáciu. Hustota vzduchu je tu citeľne väčšia ako vo vyšších vrstvách atmosféry a na ionizačný proces postačuje prísun ultrafialového a korpuskulárneho žiarenia zo Slnka.

Objav ionosféry je jedným z dôležitých a brilantných úspechov vedy. Koniec koncov, charakteristickým rysom ionosféry je jej vplyv na šírenie rádiových vĺn. V ionizovaných vrstvách sa odrážajú rádiové vlny, a preto je možná rádiová komunikácia na veľké vzdialenosti. Nabité atómy-ióny odrážajú krátke rádiové vlny a tie sa opäť vracajú na zemský povrch, ale v značnej vzdialenosti od miesta rádiového prenosu. Je zrejmé, že krátke rádiové vlny urobia túto cestu niekoľkokrát, a tým je zabezpečená rádiová komunikácia na veľké vzdialenosti. Ak by nebola ionosféra, potom by bolo potrebné vybudovať drahé rádiové reléové linky na prenos rádiových signálov na veľké vzdialenosti.

Je však známe, že niekedy dochádza k narušeniu rádiovej komunikácie na krátkych vlnách. K tomu dochádza v dôsledku chromosférických erupcií na Slnku, v dôsledku ktorých sa ultrafialové žiarenie Slnka prudko zvyšuje, čo vedie k silným poruchám ionosféry a magnetického poľa Zeme - magnetickým búrkam. Počas magnetických búrok je rádiová komunikácia narušená, pretože pohyb nabitých častíc závisí od magnetického poľa. Počas magnetických búrok ionosféra horšie odráža rádiové vlny alebo ich prenáša do vesmíru. Hlavne pri zmenách slnečnej aktivity, sprevádzaných zvýšeným ultrafialovým žiarením, sa zvyšuje hustota elektrónov v ionosfére a absorpcia rádiových vĺn počas dňa, čo vedie k narušeniu krátkovlnnej rádiovej komunikácie.

Podľa nového výskumu sa v silnej ionizovanej vrstve nachádzajú zóny, kde koncentrácia voľných elektrónov dosahuje o niečo vyššiu koncentráciu ako v susedných vrstvách. Sú známe štyri takéto zóny, ktoré sa nachádzajú v nadmorských výškach okolo 60-80, 100-120, 180-200 a 300-400 km a sú označené písmenami D, E, F 1 A F 2 . S rastúcim žiarením zo Slnka sú nabité častice (telieska) pod vplyvom magnetického poľa Zeme vychyľované smerom k vysokým zemepisným šírkam. Po vstupe do atmosféry telieska zvýšia ionizáciu plynov natoľko, že začnú žiariť. Takto vznikajú polárne žiary- v podobe nádherných rôznofarebných oblúkov, ktoré svietia na nočnej oblohe hlavne vo vysokých zemepisných šírkach Zeme. Polárne žiary sú sprevádzané silnými magnetickými búrkami. V takýchto prípadoch sa polárna žiara stáva viditeľnou v stredných zemepisných šírkach a v zriedkavých prípadoch dokonca aj v tropickom pásme. Napríklad intenzívna polárna žiara pozorovaná 21. – 22. januára 1957 bola viditeľná takmer vo všetkých južných oblastiach našej krajiny.

Fotografovaním polárnych žiar z dvoch bodov nachádzajúcich sa vo vzdialenosti niekoľkých desiatok kilometrov sa výška polárnych žiaroviek určuje s veľkou presnosťou. Polárne žiary sa zvyčajne nachádzajú v nadmorskej výške okolo 100 km,Často sa nachádzajú v nadmorskej výške niekoľko stoviek kilometrov a niekedy na úrovni okolo 1000 km. Hoci povaha polárnych žiaroviek bola objasnená, stále existuje veľa nevyriešených otázok súvisiacich s týmto javom. Dôvody rôznorodosti foriem polárnych žiaroviek sú stále neznáme.

Podľa tretieho sovietskeho satelitu medzi výškami 200 až 1000 km Počas dňa prevládajú kladné ióny štiepeného molekulárneho kyslíka, teda atómového kyslíka (O). Sovietski vedci skúmajú ionosféru pomocou umelých satelitov série Cosmos. Americkí vedci skúmajú ionosféru aj pomocou satelitov.

Povrch oddeľujúci termosféru od exosféry kolíše v závislosti od zmien slnečnej aktivity a iných faktorov. Vertikálne tieto výkyvy dosahujú 100-200 km a viac.

Exosféra (rozptylová guľa) - najvrchnejšia časť atmosféry, ktorá sa nachádza nad 800 km. Bolo to málo študované. Podľa pozorovacích údajov a teoretických výpočtov sa teplota v exosfére zvyšuje s nadmorskou výškou, pravdepodobne až do 2000°. Na rozdiel od spodnej ionosféry sú v exosfére plyny natoľko riedke, že ich častice, pohybujúce sa obrovskou rýchlosťou, sa takmer nikdy nestretnú.

Donedávna sa predpokladalo, že konvenčná hranica atmosféry je vo výške okolo 1000 km. Na základe brzdenia umelými družicami Zeme sa však zistilo, že vo výškach 700-800 km v 1 cm 3 obsahuje až 160 tisíc kladných iónov atómového kyslíka a dusíka. To naznačuje, že nabité vrstvy atmosféry siahajú do vesmíru na oveľa väčšiu vzdialenosť.

Pri vysokých teplotách na konvenčnej hranici atmosféry dosahujú rýchlosti častíc plynu približne 12 km/sek. Pri týchto rýchlostiach plyny postupne unikajú z oblasti gravitácie do medziplanetárneho priestoru. To sa deje počas dlhého časového obdobia. Napríklad častice vodíka a hélia sú odstránené do medziplanetárneho priestoru počas niekoľkých rokov.

Pri štúdiu vysokých vrstiev atmosféry sa získali bohaté údaje ako zo satelitov radu Cosmos a Electron, tak aj z geofyzikálnych rakiet a vesmírnych staníc Mars-1, Luna-4 atď. cenné. Tak sa podľa fotografií, ktoré vo vesmíre urobila V. Nikolaeva-Tereshkova, zistilo, že v nadmorskej výške 19. km Zo Zeme je vrstva prachu. Potvrdili to údaje, ktoré získala posádka kozmickej lode Voskhod. Zrejme existuje úzka súvislosť medzi prachovou vrstvou a tzv perleťové oblaky, niekedy pozorované vo výškach okolo 20-30km.

Od atmosféry po vesmír. Predchádzajúce predpoklady, že mimo zemskej atmosféry, v medziplanetárnom

priestor, plyny sú veľmi riedke a koncentrácia častíc nepresahuje niekoľko jednotiek v 1 cm 3, sa nesplnilo. Výskum ukázal, že priestor v blízkosti Zeme je vyplnený nabitými časticami. Na tomto základe bola vyslovená hypotéza o existencii zón okolo Zeme s nápadne zvýšeným obsahom nabitých častíc, t.j. radiačné pásy- interný a externý. Nové údaje pomohli veci objasniť. Ukázalo sa, že medzi vnútorným a vonkajším radiačným pásom sú aj nabité častice. Ich počet sa mení v závislosti od geomagnetickej a slnečnej aktivity. Podľa nového predpokladu teda namiesto radiačných pásov existujú radiačné zóny bez jasne definovaných hraníc. Hranice radiačných zón sa menia v závislosti od slnečnej aktivity. Keď zosilnie, teda keď sa na Slnku objavia škvrny a výtrysky plynu, vyvrhnuté na státisíce kilometrov, zväčší sa prúdenie kozmických častíc, ktoré napájajú radiačné zóny Zeme.

Radiačné zóny sú nebezpečné pre ľudí lietajúcich na kozmických lodiach. Preto sa pred letom do vesmíru zisťuje stav a poloha radiačných zón a dráha kozmickej lode sa volí tak, aby prešla mimo oblastí so zvýšenou radiáciou. Vysoké vrstvy atmosféry, ako aj vesmír v blízkosti Zeme, sú však stále málo preskúmané.

Štúdium vysokých vrstiev atmosféry a blízkozemského priestoru využíva bohaté údaje získané zo satelitov Kozmos a vesmírnych staníc.

Vysoké vrstvy atmosféry sú najmenej prebádané. Moderné metódy jej výskumu nám však umožňujú dúfať, že v najbližších rokoch budú ľudia poznať mnohé detaily štruktúry atmosféry, na dne ktorej žijú.

Na záver uvádzame schematický vertikálny rez atmosférou (obr. 7). Tu sú vertikálne vynesené nadmorské výšky v kilometroch a tlak vzduchu v milimetroch a horizontálne teplota. Plná krivka znázorňuje zmenu teploty vzduchu s výškou. V zodpovedajúcich výškach sú zaznamenané najdôležitejšie javy pozorované v atmosfére, ako aj maximálne nadmorské výšky dosiahnuté rádiosondami a inými prostriedkami snímania atmosféry.

- zdroj-

Poghosyan, Kh.P. Atmosféra Zeme / H.P. Poghosyan [a ďalší]. – M.: Školstvo, 1970.- 318 s.

Zobrazenia príspevku: 1 264

Zloženie Zeme. Vzduch

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

To, že vzduch je zmes, a nie homogénna látka, bolo dokázané pri pokusoch škótskeho vedca Josepha Blacka. Počas jedného z nich vedec zistil, že pri zahrievaní bielej magnézie (uhličitan horečnatý) sa uvoľňuje „viazaný vzduch“, teda oxid uhličitý, a vzniká spálená magnézia (oxid horečnatý). Pri spaľovaní vápenca sa naopak odstraňuje „viazaný vzduch“. Na základe týchto experimentov vedec dospel k záveru, že rozdiel medzi oxidom uhličitým a žieravými zásadami je v tom, že prvý 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 nadmorskej 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 turbo pauzou.

Chemická reakcia, pri ktorej sa molekuly vplyvom slnečného a kozmického žiarenia rozkladajú na atómy, sa nazýva fotodisociácia. Rozpadom molekulárneho kyslíka vzniká atómový kyslík, ktorý je hlavným plynom atmosféry vo výškach nad 200 km. 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 zloženia vzduchu vo výškach nad 100 km nemajú výrazný vplyv na celkové zloženie atmosféry.

Dusík je najbežnejší plyn, ktorý predstavuje viac ako tri štvrtiny objemu zemského vzduchu. Moderný dusík vznikol oxidáciou ranej amoniakovo-vodíkovej atmosféry molekulárnym kyslíkom, ktorý vzniká pri fotosyntéze. V súčasnosti sa malé množstvá dusíka dostávajú 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.

V horných 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 a poskytuje rastlinám minerálnu výživu. Určuje rýchlosť biochemických reakcií a zohráva úlohu riedidla kyslíka.

Druhým najbežnejším plynom v zemskej atmosfére je kyslík. 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 toho istého ultrafialového žiarenia sa ozón rozkladá:

O3 + hν → O2 + O

О 3 + O → 2О 2

V dôsledku prvej reakcie sa vytvorí atómový kyslík a v dôsledku druhej sa vytvorí molekulárny kyslík. Všetky 4 reakcie sa nazývajú „Chapmanov mechanizmus“, pomenovaný podľa britského vedca Sidneyho Chapmana, ktorý ich objavil v roku 1930.

Kyslík sa používa na dýchanie živých organizmov. S jeho pomocou dochádza k oxidačným a spaľovacím procesom.

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 v zemskej atmosfére 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 α-častica je jadro hélia, ktoré v Pri 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 pochádzala z vesmíru, kde je obsah kryptónu desaťmiliónkrát vyšší ako na Zemi.

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

Oxid uhličitý sa do atmosféry dostáva v dôsledku sopečných erupcií a pri rozklade 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 sa vyparuje do vesmíru, a preto je jeho obsah v atmosfére veľmi malý.

Vodná para je výsledkom odparovania 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 atmosféra obsahuje oxid sírový SO 2, amoniak NH 3, oxid uhoľnatý CO, ozón O 3, chlorovodík HCl, fluorovodík HF, oxid dusnatý NO, uhľovodíky, ortuťové pary Hg, jód I 2 a mnohé ďalšie. V spodnej vrstve atmosféry, troposfére, je vždy veľké množstvo suspendovaných pevných a kvapalných častíc.

Medzi zdroje pevných častíc v zemskej atmosfére patria sopečné erupcie, peľ, mikroorganizmy a v poslednom čase aj ľudské aktivity, ako napríklad spaľovanie fosílnych palív pri výrobe. Najmenšie čiastočky prachu, ktorými sú kondenzačné jadrá, spôsobujú tvorbu hmly a oblakov. Bez pevných častíc neustále prítomných v atmosfére by na Zem nepadali zrážky.

Poďme zistiť, čo to je? Ako viete, je obklopený plášťom, ktorý pozostáva hlavne z plynov. Zemská atmosféra je presne táto škrupina. Za zmienku stojí, že patrí do jednej z takzvaných geosfér.
Je dôležité, aby atmosféra planéty bola akoby jej pokračovaním. Pretože hmota plynu sa pohybuje so Zemou. A len postupne, dalo by sa povedať, plynulo prúdi do vesmíru.

Z čoho sa skladá zemská atmosféra?

Ukazuje sa, že atmosféra planéty Zem vznikla v dôsledku dvoch faktorov:

padajúce vesmírne objekty na povrch našej planéty. Alebo skôr vyparovanie látok, ktoré tvoria tieto telá;
odplynenie zemského plášťa. Jednoducho povedané, emisie plynov, ktoré vznikajú pri sopečných erupciách.

Dôležitú úlohu však zohrala prítomnosť vody, flóry a fauny na planéte. Pretože toto všetko viedlo k vzniku biosféry, ako aj k zmene atmosféry.
Podľa vedcov sú súčasťou atmosféry plyny a rôzne nečistoty. Napríklad prach, častice vody, ľadové kryštály, morské soli a produkty spaľovania.

Atmosféra Zeme a jej štruktúra

Samozrejme, plynová guľa, ktorá nás obklopuje, nie je len tenká vrstva vody a vzduchu na planéte. Je to akási prikrývka mrakov. Chráni nás a chráni pred účinkami kozmických síl. V súčasnosti boli identifikované určité vrstvy, ktoré tvoria zemskú atmosféru. Pozrime sa na ne podrobnejšie nižšie.

Toto je hlavná a zároveň aj spodná vrstva vzduchového plášťa. Okrem toho obsahuje viac ako 80 % celkovej hmotnosti vzduchu a približne 90 % všetkej vodnej pary, ktorá existuje v celej atmosfére. S prihliadnutím na zemepisnú šírku sa horná hranica tejto kruhovej časti môže nachádzať v nadmorskej výške 8 až 18 km.
Zaujímavé je, že v troposfére je výrazná konvekcia a turbulencia. Navyše práve v tejto časti sa tvoria oblaky, dochádza k tvorbe cyklónov a anticyklón. Vedci tiež zaznamenali charakteristický znak tejto atmosférickej vrstvy: čím je vyššia, tým nižšia je teplota vzduchu.
Mimochodom, spodná troposféra je hraničná vrstva. Jeho hrúbka je približne 1-2 km. Ako sa ukázalo, je úzko spätý s povrchom našej planéty. V skutočnosti v ňom vlastnosti a stav zemskej sféry ovplyvňujú celú okolitú škrupinu.

Tropopauza

Toto je názov prechodovej oblasti medzi troposférou a stratosférou. Jednoducho povedané, hladká premena z jedného na druhého. Zaujímavosťou je, že s narastajúcou nadmorskou výškou nastáva pauza v poklese teploty vzduchu.

Stratosféra ako oblasť zemskej atmosféry

Táto atmosférická oblasť sa nachádza v nadmorskej výške 11 až 50 km. Dôležité je, že práve tu leží ozónová vrstva. A ako viete, chráni nás pred ultrafialovým žiarením.
Sratosféra tvorí približne 20 % celkovej hmotnosti zemského obalu.
Charakteristickým znakom je, že v dolnej časti (11-25 km) dochádza k miernej zmene teploty a naopak v hornej časti (25-40 km) dochádza k aktívnemu zvýšeniu. Mimochodom, horná časť je tzv inverzná oblasť.

Stratopauza

Je pozoruhodné, že na 40 km je teplota 00 ° C a zostáva až do 55 km. Toto územie je tzv stratopauza. Mimochodom, predstavuje okraj stratosféry a prechod z nej do mezosféry.

mezosféra

Vlastne vzniká na úrovni 50 km. A jeho horná hranica sa nachádza na 80-90 km. Podľa vedcov teplota v mezosfére klesá s rastúcou nadmorskou výškou. Tu však dochádza k sálavej výmene tepla. Okrem toho zložité fotochemické procesy spôsobujú vznik žiary zemskej atmosféry.
Podiel mezosféry na celkovej hmotnosti nie je väčší ako 0,3%.

Mezopauza

Toto je prechodová oblasť z mezosféry do termosféry. Stojí za zmienku, že teplotné pozadie je minimálne (asi -90°C).

Línia Karman

V skutočnosti je to vrcholový bod nad hladinou mora. Okrem toho je zvykom brať to ako hranicu oblasti od zemskej atmosféry po samotný vesmír. Zistilo sa, že línia Karman leží vo výške 100 km od hladiny mora.

Atmosféra Zeme a jej termosféra

Dá sa povedať, že je to najvyššia hranica vzdušného pásma planéty (približne 800 km). Ale teplota v celej oblasti je iná. Napríklad do 200-300 km sa zvýši na 1500 K a potom zostáva na rovnakej hodnote.

Zaujímavé je, že v tejto oblasti sú pozorované polárne žiary. S najväčšou pravdepodobnosťou sa objavujú v dôsledku ionizácie vzduchu. Ktoré zas vznikajú vplyvom žiarenia zo Slnka a kozmického žiarenia. Mimochodom, hlavné a hlavné oblasti ionosféry sa nachádzajú práve tu.
Navyše vo výškach nad 300 km je veľké množstvo atómového kyslíka.
Prekvapivo môže horná hranica termosféry meniť veľkosť. Je to spôsobené najmä slnečnou aktivitou. Takže napríklad v čase nízkej aktivity klesá a naopak.
Z celkovej atmosférickej hmoty Zeme tvorí termosféra o niečo menej ako 0,05 %.

Termopauza

Presne povedané, toto je oblasť, ktorá sa nachádza nad termosférou. Dochádza tu k miernemu pohlcovaniu slnečného žiarenia. Okrem toho sa zistilo, že teplota zostáva nezmenená.

Exosféra

Hovorí sa tomu aj inak rozptylová guľa. Navyše je to vonkajšia časť termosféry. V tejto zóne je plyn veľmi riedky. Z tohto dôvodu jej prvky unikajú do priestoru.
Na úrovni 2000-3000 km sa exosféra pomaly spája s medziplanetárnym územím. Preto sa táto oblasť často nazýva blízkovesmírne vákuum. Priestor je v ňom vyplnený časticami vzácneho plynu, najmä atómami vodíka.

Z čoho ešte pozostáva zemská atmosféra?

Okrem teritoriálnych vzduchových vrstiev Zeme sa rozlišuje medzi ionosférou a neutronosférou. Delia sa podľa elektrických vlastností. Ako už bolo spomenuté, ionosféra sa nachádza prevažne v termosfére. A to súvisí s ionizáciou vzduchu. Nie každý však chápe, čo je neutrosféra. Jednoducho povedané, ide o spodnú časť vrstvy atmosféry. Dominujú v ňom nenabité častice zemského vzduchu.

Okrem toho vedci vo vzduchovej obálke, ktorá nás obklopuje, identifikovali dve oblasti:
1) Heterosféra- oblasť, kde gravitačné sily pôsobia na plyny. Takto sa mierne premiešajú. Z tohto dôvodu je zloženie heterosféry variabilné.
2) homosféra- oblasť pod heterosférou, kde sú zaznamenané vysoko zmiešané plyny. Zloženie je preto homogénne.
Okrem toho medzi týmito zónami existuje hranica. Volajú ju turbo pauza. Jeho územie sa rozprestiera v nadmorskej výške 120 km.

Ako vidíte, atmosféra planéty Zem je svojou štruktúrou celkom zaujímavá. Aj keď nemôžem povedať, že je to vyslovene zložité. S najväčšou pravdepodobnosťou to máme naštudované celkom dobre. Ale príroda nás vždy prekvapí.

Troposféra

Jeho horná hranica je v nadmorskej výške 8-10 km v polárnych, 10-12 km v miernych a 16-18 km v tropických zemepisných šírkach; v zime nižšia ako v lete. Spodná, hlavná vrstva atmosféry obsahuje viac ako 80 % celkovej hmotnosti atmosférického vzduchu a asi 90 % celkovej vodnej pary prítomnej v atmosfére. V troposfére sú vysoko rozvinuté turbulencie a konvekcia, vznikajú oblaky a vznikajú cyklóny a anticyklóny. Teplota klesá so stúpajúcou nadmorskou výškou s priemerným vertikálnym sklonom 0,65°/100 m