Полярные сияние

Атмосфера Земли состоит из нескольких слоёв:

  1. Тропосфера — самый нижний слой, где происходит погода и находится весь живой мир. Этот слой имеет толщину около 10-15 км.

  2. Стратосфера — здесь находится озоновый слой, который защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения. Толщина стратосферы составляет примерно 50 км.

  3. Мезосфера — этот слой находится выше стратосферы и имеет толщину около 85 км.

  4. Термосфера — самый верхний слой атмосферы, где находится ионосфера, отвечающая за распространение радиоволн. Толщина термосферы может достигать 500 км.

Метеорология и изучение атмосферы

Изучение атмосферы и погоды называется метеорологией. С помощью различных инструментов, таких как радиозонды, спутники и метеорологические станции, учёные собирают данные о составе, температуре, давлении и других характеристиках атмосферы. Эти данные не только помогают делать прогнозы погоды, но и изучать влияние атмосферы на жизнь на Земле.

Выводы

Атмосфера Земли — это важная часть нашей планеты, обеспечивающая жизнь на ней. Знание её строения, состава и свойств позволяет нам лучше понять окружающий мир и прогнозировать погоду. Метеорология играет ключевую роль в изучении атмосферы и её влиянии на нашу жизнь. Важно сохранять баланс в газовом составе атмосферы для поддержания жизни на Земле.

Строение атмосферы

В атмосфере выделяется несколько слоёв. Самый нижний слой, в котором проходит наша жизнь, конечно, если мы не космонавты, называется тропосфе́рой.

Тропосфера

Толщина тропосферы неодинакова и зависит от географической широты. Над экватором её толщина составляет 18 км, а над полюсами в два раза меньше — 8—10 км.

В этом слое содержится 80% воздуха атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар и пыль. В тропосфере дует ветер, плывут облака, идут дожди.

С тропосферой связаны все процессы и явления, которые изучают географы. Воздух, содержащийся в этом слое, нагревается от поверхности Земли, и поэтому чем выше мы поднимаемся над этой поверхностью, тем холоднее воздух.

Стратосфера

Над тропосферой находится второй слой — стратосфе́ра. В стратосфере воздуха настолько мало, что без помощи кислородного аппарата или скафандра в ней прожить невозможно.

Там почти не бывает облаков. Простирается стратосфера до высоты 50 км над Землёй. В стратосфере температура растёт с высотой, оставаясь ниже 0 °С.

Полярные сияние

Рис. 73. Полярное сияние

Над стратосферой расположены верхние слои атмосферы.

Изучение верхних слоев атмосферы

Верхние слои атмосферы включают мезосферу и термосферу. Воздуха в них уже почти совсем нет: пролетают иногда отдельные атомы. Но самое интересное в верхних слоях атмосферы это полярные сияния.

Изучение атмосферы

Много лет назад начались постоянные наблюдения за процессами в тропосфере. Постоянные наблюдения проводятся метеорологическими станциями по всему миру. Для изучения верхних слоев атмосферы используются зонды, ракеты и спутники.

Метеорологические наблюдения

Наблюдения за процессами в тропосфере начались много лет назад. Теперь на каждой метеорологической станции специалисты снимают показания с приборов для прогноза погоды. Данные собираются автоматически на труднодоступных местах планеты и обрабатываются в метеоцентрах.

Метеостанции и ракеты

Для изучения приземных слоев атмосферы используется множество метеостанций. Для верхних слоев атмосферы применяют зонды, ракеты и спутники. Метеорология – наука о строении и свойствах атмосферы.

Полезные ключевые слова

  • Атмосфера
  • Тропосфера
  • Стратосфера
  • Верхние слои атмосферы
  • Мезосфера
  • Термосфера
  • Воздух
  • Полярное сияние
  • Метеорологические наблюдения
  • Метеорология

Важные данные

Статья о восстановлении озонового слоя

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 июля 2023 года; проверки требуют 8 правок.

Научные данные

Изображение антарктической озоновой дыры, сентябрь 2000

Антарктическая озоновая дыра в сентябре, с 1957 года по 2001

Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что совокупность научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями.

Границы озоновой дыры

Для определения границ озоновой дыры выбран минимальный уровень содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона.

Потеря озона в стратосфере

К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов. Основными из них является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь и образование полярных стратосферных облаков (ПСО).

Факторы, приводящие к разрушению озона

  • Гибель молекул озона в реакциях с различными веществами
  • Отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы
  • Устойчивый полярный вихрь
  • Образование полярных стратосферных облаков (ПСО)

Реакции, вносящие вклад в разрушение озона

Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, монооксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны). Реакции распада озона также могут включать в себя взаимодействие с различными веществами в стратосфере.

Выводы

Работы ученых позволяют лучше понять процессы, происходящие с озоновым слоем в стратосфере. Наблюдаемые изменения и потери озона требуют внимательного изучения и принятия мер по восстановлению озонового слоя для обеспечения благоприятной среды для жизни на Земле.

Систематические научные наблюдения за озоновым слоем Антарктиды ведутся с 20-х годов XX века, но только во второй половине 70-х было обнаружено образование «устойчивой» Антарктической озоновой дыры, причем быстрые темпы её развития (увеличение размеров и снижение средней концентрации озона в границах дыры) в 80-е и 90-е годы вызвали панические опасения того, что точка возврата в степени разрушающего антропогенного воздействия на озоновый слой уже пройдена.

Основными разрушителями озона являются фреоны

вертикальное распределение фреона CFC-11

вертикальное распределение криптона-85

Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не стратифицируются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно, в динамической атмосфере это невозможно. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это, см. например справа график распределения фреона CFC-11 по высоте. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы, выделившиеся на поверхности Земли, достигли стратосферы, см. второй график справа. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава, как аргон и углекислый газ, образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. Но это не так. И криптон с атомарной массой 84, и гелий с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, что около поверхности, что до 100 км высоты. Конечно, всё вышесказанное справедливо только для газов, которые относительно стабильны, как фреоны или инертные газы. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различным физическим воздействиям, скажем, растворяются в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.

Сама Антарктическая «озоновая дыра» существует не круглогодично. Она появляется в конце зимы — начале весны (август—сентябрь) и проявляется в заметном снижении средней концентрации озона внутри обширной географической области. Причины, по которой озоновая дыра образуется в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса и слабо перемешивается с воздухом других широт. В это время полярная область не освещается Солнцем, и в отсутствие ультрафиолетового облучения озон не образуется, а накопленный до этого разрушается (как в результате взаимодействий с другими веществами и частицами, так и самопроизвольно, поскольку молекулы озона нестабильны). С приходом полярного дня количество озона постепенно увеличивается и снова выходит к нормальному уровню. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные.

Но если проследить усреднённую в течение каждого года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется выраженная тенденция к падению средней концентрации озона в пределах огромной географической области.

Можно ли предсказать появление сияния

Ученые знают довольно много о природе северного сияния, поэтому могут предсказать его появление с большой вероятностью. Прогнозы обычно строятся на 27 дней вперед, но более точные данные можно получить за 3 дня. Чтобы предсказать сияние, анализируют несколько факторов:

Эти данные анализируют профессиональные метеорологи. Любители отслеживают только КП-индекс. Если он поднимается до 4-5 единиц, считается, что вероятность появления сияния очень высока. Именно на основе этого показателя создано большинство приложений, строящих прогноз северных сияний.Если проанализировать все метеорологические данные, можно предсказать появление вспышек на небе довольно точно. Но хороший прогноз не дает совершенно никаких гарантий, что сияние будет видно в конкретном месте. Дело в том, что данные анализируют для всего аврорального овала, то есть овальной зоны, окружающей магнитный пояс Земли. Диаметр такого овала – около 3000 км, и он может расширяться. Прогноз показывает, что сияние возникнет где-то в этой области. И если небо в данной зоне будет ясным, люди смогут увидеть разноцветные всполохи.Получается, что ученые прогнозируют сияние с неплохой вероятностью, но в пределах всего магнитного полюса. Именно поэтому в приполярных областях популярна «охота» за сиянием. Местные гиды с помощью метеорологических данных, опыта и собственных примет определяют точку, в которой сияние будет видно невооруженным глазом. Так туристы могут понаблюдать за этим природным явлением даже в короткой поездке.Чтобы поохотиться за сиянием на Кольском полуострове, отправляйтесь в путешествие вместе с «Arctic Freedom». Наши гиды провели уже сотни туров, и точно знают, как поймать северное сияние. Выезд в бескрайнюю тундру, горячие напитки и снеки, профессиональная фототехника для лучших кадров и незабываемое природное шоу – вот как происходит наша охота. Бронируйте тур прямо сейчас и приезжайте в Мурманск, чтобы увидеть все великолепие Арктики своими глазами.

Что такое северное сияние и как оно происходит

Всего известно два типа полярных сияний – диффузное и дискретное (или точечное). Первый характеризуется достаточно скромным свечением, его сложно разглядеть на темном небе. Второй тип явления не заметить невозможно, однако оно прекрасно различимо лишь на ночном небосводе.

История изучения явления

Многие ученые ломали голову над вопросом, от чего бывает северное сияние. Однако первым определил природу возникновения явления Михаил Ломоносов. Он провел тысячи лабораторных исследований и в результате пришел к выводу, что полярное сияние связано с электрическим током.

Впоследствии эта теория была подтверждена. Через колбы, заполненные разреженными газами (аргон, водород, азот, неон), пропускали электроток. В результате опытов ученые получали невероятно красивое свечение, причем в каждом отдельном случае его оттенок получался совершенно уникальным. С тех пор ученым было известно о том, северное сияние как оно происходит.

Следом ученые выяснили, что явление происходит в верхних слоях атмосферы нашей планеты, речь идет об ионосфере. И, наконец, связали его с активностью на Солнце. Выяснилось, что наиболее сильные и частые явления происходят во время пика одиннадцатилетнего цикла активности желтой звезды.

Как происходит северное сияние в природе

Солнце – звезда, которая состоит из частиц водорода и гелия. Они, в свою очередь, являются набором отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Во время одного из взрывов на Солнце к нашей планете устремляются миллиарды этих заряженных частиц со скоростью не менее 950 метров в секунду. Они достигают нашей голубой планеты спустя примерно двое суток. В момент соприкосновения их с ионосферой происходит взаимодействие с частичками разряженных газов. Из-за этого и появляется красивое свечение – северное сияние природное явление.

Земной шар, по сути, представляет собой гигантское магнитное тело, которое способно образовывать магнитные поля благодаря электротокам. Появляются они из-за того, что железоникелевое ядро нашей планеты вращается вокруг своей оси. Чтобы понять, северное сияние что это такое, нужно представлять себе магнитное поле Земли. Земной шар играет роль огромного магнита, к которому летит солнечный ветер. Силовые линии отталкивают солнечные частички к северному и южному полюсу нашей планеты. Там они попадают в ионосферу через полярные каспы (это воронки в атмосферном слое).

Именно здесь и рождается энергетический сгусток, потом он превращается в свечение. Атомы, которые находились в возбужденном состоянии, постепенно успокаиваются. От частиц начинает исходить мягкое свечение.

Чаще всего явление характеризуется следующими параметрами:

Высота, на которой обычно происходит это столкновение – около сотни километров над поверхностью Земли.

Длительность свечения – от нескольких минут до суток. Яркость и продолжительность прямо зависит от активности небесного светила.

Обычно северное сияние это занавес, который состоит из лазурных полос и красно-розовых вкраплений. Оттенок свечения обусловлен высотой, на которой произошло столкновение частиц. Если явление находится на расстоянии сто пятьдесят километров выше уровня земли, то небосвод принимает алый оттенок. В случае, когда свечение располагается немного пониже этой отметки (до 120 километров), можно наблюдать лазурные цвета на ночном небе. Когда северное сияние природное явление находится в самом нижнем слое атмосферы, оно принимает фиолетово-лиловый оттенок. По статистике, чаще всего люди любуются желто-зеленым окрасом неба.

Простирается окрашенная полоса на полторы тысячи километров вдоль небесного свода, ширина – около 150 километров.

Сияние высвобождает гигантский объем энергии, который сопоставим с энергетическим выбросом во время землетрясения. Десять лет назад было зарегистрировано возмущение, во время которого высвободилось 5*1014 Дж.

Как появляется северное сияние: звуки

Полярное сияние может производить различные шумовые эффекты, к примеру, потрескивания, хлопки или короткие стреляющие звуки. Выяснилось это не так давно. В конце 2012 года финские ученые зафиксировали звуковые шумы во время авроры. Исследователи сделали вывод, что эти звуки аккумулировались на высоте семьдесят метров над поверхностью.

Услышать что-то во время наблюдения за авророй – огромная удача. Чаще всего звуки сияния заглушаются шумом окружающего мира.

Когда бывает северное сияние

Наблюдатели установили, что возникновение полярных сияний имеют циклический характер. Наиболее часто люди имеют возможность любоваться прекрасным зрелищем каждые одиннадцать лет. Последний такой пик был зафиксирован три года назад, а это значит, что следующий максимум придется на 2024 год.

Грандиозное событие чаще всего наблюдают в осенне-весенний период, а именно с октября месяца до начала следующего года. Пиком частотности является время, наиболее приближенное к осеннему и весеннему равноденствию.

Оптимальное время суток для наблюдений – ночь. Именно в ночное время ничего не будет отвлекать от созерцания невероятного свечения на небосводе. Идеально подходит для этого полночь на Севере.

Различают четыре типа полярных сияний

Однородная дуга- светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга- лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса- с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

Где бывает северное сияние

Понаблюдать за чудом природы можно вблизи магнитных полюсов нашей планеты. Важно помнить о том, что в городских условиях достаточно сложно разглядеть и оценить очарование полярного свечения. В мегаполисах это вовсе невозможно из-за ночного освещения улиц. Чтобы своими глазами встретиться с феноменом, придется за ним «поохотиться».

Красоту северного сияния где увидеть:

Для многих россиян проблематично добраться до северного или южного магнитного полюса. Но рассмотреть явление можно, не покидая пределов нашего государства. Необыкновенное северное сияние в России замечено в Мурманске и на Кольском полуострове.

Самое невероятное свечение наблюдается в высоких широтах – в северных канадских городах, в Дании, Норвегии, на Аляске, на острове Гренландия, в Скандинавии и Исландии. В городах Шотландии апрельскими ночами отлично видно, как по небу стелется светящаяся пелена.

Англичане и французы несколько раз в год могут стать свидетелями свечения. Особенно хорошо оно просматривается на европейской территории между Парижем и Лондоном.

Предугадать время возникновения на небесном своде северного сияния в Антарктиде в состоянии специальные космические станции. Они передают и обрабатывают данные об активности небесного светила.

Из космоса открывается завораживающее зрелище на полярное свечение. Но такая удача сопутствует космонавтам далеко не всегда. Чаще невозможно оценить прелесть явления из-за плотных слоев атмосферы.

Многих волнует вопрос, есть ли сияние на южном полюсе. Есть, ведь дело не в названии, а в расположении магнитных полюсов. Там его правильнее назвать южным сиянием.

На других планетах Солнечной системы также замечен этот природный феномен. Сатурн, Венера, Марс и Юпитер подвергаются бомбардировке солнечными частицами.

Несмотря на то, что природа возникновения полярного сияния давно объяснена научно, люди не перестают верить в то, что в этом явлении есть что-то магическое. Человек, хоть раз ставший свидетелем этого незабываемого зрелища, получит впечатления на всю оставшуюся жизнь.

Эта статья об атмосфере Земли, существуют другие значения термина Атмосфера

Атмосфе́ра Земли́ (от. др.-греч. — пар и — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Состояние атмосферы определяет погоду и климат на поверхности Земли. Изучением погоды занимается метеорология, а климатом и его вариациями — климатология.

Атмосфера Земли (снимок с МКС, 2006). На больших высотах атмосфера становится очень разрежённой, так что её присутствием можно пренебречь.

Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)⋅1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ± 0,0003)⋅1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27⋅1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна . Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C (~ 132,4 К); критическое давление — 3,7 МПа; при 0 °C — 1,0048⋅103 Дж/(кг·К), — 0,7159⋅103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,225 кг/м3, барометрическое давление 101,325 кПа, температура +15 °C, влажность 0 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды () и углекислого газа (), концентрация которого растёт с середины XX века.

Газ Содержание по объёму, % Содержание по массе, %

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся и другие оксиды азота (, ), пропан и другие углеводороды, , , , , , , , , , пары , , , а также многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Очень редким газом в земной атмосфере является .

Дневное и ночное состояние атмосферы Земли

Пограничный слой атмосферы

Нижний слой тропосферы (1—2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 метров.

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры воздуха с возрастанием высоты.

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века полагали, что на высоте 12 км (6 тыс. туазов) заканчивается атмосфера Земли (Пять недель на воздушном шаре, 13 гл). В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера начинается на высоте 50-55 км и простирается до 80-100 км, точная высота границ мезосферы зависит от широты и времени года. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и так далее, обусловливают свечение атмосферы.

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около −90 °C).

Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура практически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до минус 110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~ 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

С точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте около 19—20 км. На этой высоте давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. и температура кипения воды равна температуре тела — 36,6 °C, что приводит к кипению воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и другие.

В разрежённых слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км, знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (то есть с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах:

Однако геологическая летопись показывает непрерывную относительно тёплую поверхность в течение всей ранней температурной записи Земли, за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В позднем архее начала развиваться кислородсодержащая атмосфера, по-видимому, созданная фотосинтезирующими цианобактериями (см. Кислородная катастрофа), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов возрастом 2,7 млрд лет. Изотопный состав углерода (en:Stable isotope ratio) убедительно свидетельствует об условиях, подобных нынешним, и о том, что фундаментальные черты геохимического углеродного цикла установились уже 4 млрд лет назад.

Образование большого количества азота обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до в верхних слоях атмосферы.

Азот вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами — растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Содержание в атмосфере зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4⋅1012 тонн) образуется за счёт углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Содержание углекислого газа в атмосфере зависит также от растворимости газа в воде океанов, что связано с температурой воды и её кислотностью.

Источниками инертных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом, и атмосфера в частности, обеднены инертными газами по сравнению с космосом и некоторыми другими планетами. Это относится к гелию, неону, криптону, ксенону и радону. Концентрация же аргона, напротив аномально высока и составляет почти 1 % от газового состава атмосферы. Большое количество данного газа обусловлено интенсивным распадом радиоактивного изотопа калий-40 в недрах Земли.

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник загрязняющих газов (, , ). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до , а оксид азота до в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота и азотная кислота выпадают на поверхность Земли в виде так называемых кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец , его использование в бензине существенно снижено в последние десятилетия).

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и другое), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и тому подобное). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты.

  • Соколов В. А. Геохимия природных газов. — М., 1971.

  • МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. — М., 1978.

  • Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *