Меню

Высота воздушной оболочки над землей

Атмосфера Земли. Строение, слои. Облака

Атмосфера Земли представляет собой внешнюю оболочку, которая состоит преимущественно из газов. Атмосфера планеты — это газовая масса движется вместе с Землей. Можно также выразиться, что атмосфера постепенно, плавно перетекает в космическое пространство.

Кстати, в нашей Солнечной системе атмосфера есть у всех основных планет, кроме Меркурия.

Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца.

Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни.

Состав защитной оболочки:

  • Азот – 78%.
  • Кислород – 20,9%.
  • Смесь прочих газов – 1,1% (озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).

Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Так на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться уже 86%, кислорода – всего 19%.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Разные науки и службы по-своему классифицируют границы воздушной оболочки Земли.

  • По предложению Международной авиационной федерации земная атмосфера и космос должны граничить на уровне слоя на расстоянии 100 км. Выше этой отметки самолёты летать не могут.
  • В географии и других науках верхняя граница атмосферы принята условно на расстоянии в 1000-1200 км от поверхности Земли. Именно эта часть атмосферы Земли вращается вместе с планетой вокруг своей оси и вокруг Солнца, плавно переходя в космическое пространство на уровне экзосферы. Нижняя граница находится на поверхности планеты. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменном, её газы есть в почве, воде, в живых организмах.
  • Для человека космос начинается уже на высоте в 19-20 км. Из-за низкого давления на этом уровне температура кипения воды сравнивается с температурой тела человека (36,6°С), что приводит к закипанию внутренней среды организма.

Cлои атмосферы Земли

Из-за различных характеристик, которыми обладают газы, слои атмосферы имеют свои особенности и определённую роль во взаимодействиях с Землёй.

Пять слоёв, которые составляют атмосферу Земли:

Тропосфера

Это самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах 10-12 км, а над экватором 16-18 км.

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому облаков и осадков почти не образуется. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает аж 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон. Тот самый озон, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Собственно, она берёт своё начало на уровне 50 км. А верхняя граница её располагается на 80-90 км. По научным данным, температура в мезосфере снижается с повышением высоты. Однако здесь преобладает лучистый теплообмен. Кроме того, сложные фотохимические процессы порождают свечение атмосферы Земли.

Доля мезосферы относительно общей массы составляет не больше 0,3%.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана несоизмеримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо! При температуре в 1538°C начинает плавиться железо. Но космические аппараты остаются целыми в термосфере. Как? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

Читайте также:  Руководство по защите земель

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10^15 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3. Объем некоторых облаков достигает несколько кубических километров, а масса воды в них соответственно исчисляется десятками и сотнями тонн.

Значение атмосферы Земли

Атмосфера является наиболее легкой геосферой Земли, тем не менее ее влияние на многие земные процессы очень велико.

Начнем с того, что именно благодаря атмосфере стало возможно зарождение и существование жизни на планете. Современные животные не могут обходиться без кислорода, а большинство растений, водорослей и цианобактерий — без углекислого газа. Кислород используется животными для дыхания, углекислый газ — растениями в процессе фотосинтеза, благодаря чему создаются необходимые растениям для жизнедеятельности сложные органические вещества, такие как, разнообразные соединения углерода, углеводы, аминокислоты, жирные кислоты.

Подъемом в высоту парциальное давление кислорода начинает снижаться. Значит это, что атомов кислорода в каждой единице объёма становится все меньше и меньше. Начиная с высоты 3 км над уровнем моря у большинства людей начинается кислородное голодание или гипоксия. У человека наблюдается одышка, усиленное сердцебиение, головокружение, шум в ушах, головная боль, тошнота, мышечная слабость, потливость, нарушение остроты зрения, сонливость. Резко снижается работоспособность. На высотах свыше 9 километров дыхание человека становится невозможным и потому находиться без специальных дыхательных аппаратов строго запрещено.

Важной для нормальной жизнедеятельности организмов на Земле является роль атмосферы как защитника нашей планеты от ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, метеоров. Подавляющую часть излучения задерживают верхние слои атмосферы — стратосфера и мезосфера. В результате этого проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Остальная, меньшая часть излучения, рассеивается. Здесь же, в верхних слоях атмосферы, сгорают и метеоры, которые мы можем наблюдать в виде маленьких «падающих звёзд».

Атмосфера служит регулятором сезонных колебаний температур и сглаживания суточных, предотвращая Землю от чрезмерного нагревания днём и охлаждения ночью. Атмосфера, благодаря наличию в её составе водяного пара, углекислого газа, метана и озона, легко пропускает солнечные лучи, нагревающие её нижние слои и подстилающую поверхность, но задерживает обратное тепловое излучение от земной поверхности в виде длинноволновой радиации. Эта особенность атмосферы называется парниковым эффектом. Без него суточные колебания температур нижних слоёв атмосферы достигали бы колоссальных величин: до 200° С и естественно сделали бы невозможным существование жизни в том виде, в котором мы её знаем.

Разные участки на Земле нагреваются неравномерно. Низкие широты нашей планеты, т.е. области с субтропическим и тропическим климатом, получают тепла от Солнца гораздо больше чем средние и высокие — области с умеренным и арктическим (антарктическим) типом климата. По-разному нагреваются материки и океаны. Если первые и нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, то вторые долго поглощают тепло, но в тоже время и также долго его отдают. Как известно теплый воздух является более легким чем холодный, а потому поднимается вверх. Его место у поверхности занимает холодный, более тяжелый воздух. Так образуется ветер и формируется погода. А ветер в свою очередь приводит к процессам физического и химического выветривания, последние из которых формируют экзогенные формы рельефа.

Читайте также:  Копия земли с людьми

С подъёмом в высоту климатические различия между разными регионами земного шара начинают стираться. А начиная с высоты 100 км. атмосферный воздух лишается возможности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции. Единственным способом передачи тепла становится тепловое излучение, т.е. нагревание воздуха космическими и солнечными лучами.

И только при наличии атмосферы на планете возможен круговорот воды в природе, выпадение осадков и образование облаков.

Источник

Атмосфера — состав, строение и свойства

Основные свойства атмосферы

Космическое пространство — источник угроз для живых организмов. При отсутствии воздушной оболочки метеориты не сгорали бы, а падали на поверхность Земли. Другая серьёзная угроза — ультрафиолетовое излучение солнца, способное уничтожить флору и фауну. Слои атмосферы обеспечивают комфортную жизнь для сотен тысяч видов организмов.

Первичная газообразная оболочка стала зарождаться с момента появления Земли и со временем превратилась в сложную структуру с множеством функций. Так, благодаря воздушному слою образуются облака. Они, в свою очередь, отражают солнечные лучи и возвращают тепло на землю. Этот процесс повторяется многократно, поэтому у поверхности планеты сохраняется комфортная температура. Без атмосферных слоёв на Земле было бы в среднем на 30 градусов холоднее, чем сейчас.

В нескольких слоях оболочки происходит круговорот воды. Над всей планетой перемещаются тёплые и холодные потоки воздуха. Эти процессы уравновешивают климат на земном шаре. Без атмосферы разница температур на экваторе и у полюсов была бы колоссальной. Разнообразие форм живой и неживой природы образовалось благодаря уникальным климатическим условиям, которые стали результатом перемещения газообразных структур.

Общая масса всех слоёв, входящих в состав атмосферы, составляет 5,2×10 18 кг. Газообразные вещества окружают планету, распространяясь на многие тысячи километров от поверхности. Слои атмосферы:

  • тропосфера;
  • стратосфера;
  • мезосфера;
  • термосфера;
  • экзосфера;
  • ионосфера.

Они располагаются именно в таком порядке и вращаются вместе с планетой. Те, что находятся выше, движутся с другой скоростью. Верхним слоем считают экзосферу, но некоторые учёные причисляют к атмосфере также ионосферу.

Состав воздушной оболочки

Воздух представляет собой неоднородную смесь газов. В нижних оболочках можно насчитать 12 видов. На большей высоте присутствуют практически все элементы химической таблицы Менделеева. Все они находятся в газообразном состоянии.

Больше всего в атмосфере кислорода, окрашивающего воздушную оболочку в голубой цвет. Этот эффект объясняется тем, что воздух лучше всего рассеивает короткие лучи, образующие синюю часть спектра. Интересно, что Земля из космоса выглядит голубой, а на огромном расстоянии кажется синей точкой. Кроме кислорода, в составе воздушной оболочки присутствуют такие элементы:

Благородные газы проникают на поверхность во время вулканических извержений и поднимаются в верхние слои. Состав и строение атмосферы всё время изменяется, но в масштабах планеты эти процессы незначительны.

Даже если количество кислорода уменьшится в 100 раз, это не приведёт к разрушению озонового слоя. Однако деятельность человека угрожает не столько существованию планеты, сколько самой цивилизации. Уже сейчас над некоторыми крупными городами постоянно присутствуют облака смога, хорошо заметные из космического пространства. Также учёных тревожит возникновение озоновых дыр, которых с каждым годом становится больше.

Физические характеристики тропосферы

Каждый из основных слоёв обладает особыми характеристиками. Тропосфера — самая плотная оболочка, первая по счёту от поверхности планеты. На полюсах она распространяется на 7 км от поверхности, а у экватора — на 20 км. Разница обусловлена тем, что планета не круглая, а немного сплющенная, так как на неё воздействует центробежная сила. Чем теплее воздух, тем больше размер тропосферы.

Этот слой — наиболее продуктивный и динамичный. В нём формируются тучи, образуются ветра, циклоны и антициклоны. В тропосфере обитает большая часть видов, образующих живую природу. Температура воздуха в этой части оболочки понижается на 0,5−0,7 градуса с увеличением высоты на каждые 100 метров. Скорость ветра изменяется на 2−3 км/с на 1 км высоты.

В тропопаузе температура остаётся неизменной. Нижняя часть тропосферы примыкает к литосфере и образует приграничный слой. Его роль заключается в аккумуляции и передача тепла на высоту. Водообмен также происходит в приграничном слое. В течение 8−12 дней совершается полный оборот воды. Таким образом, тропосфера играет роль огромного фильтра.

В составе этого слоя выделяют гомосферу — пространство, где находится и осуществляет деятельность человек.

Описание стратосферы

Стратосферой называют воздушный слой, который начинается на высоте 50 км у экватора и около 8 км — у полюсов. В переводе с греческого stratus означает «слой, настил». Эта зона очень разреженная, в ней очень мало частиц воды. Давление воздуха в верхней части стратосферы в 100 раз ниже, чем у поверхности, а в нижней — в 10 раз.

Температура воздуха с набором высоты возрастает: если в нижней части воздушного слоя она составляет -56 градусов, то в верхней — от -1 до 0. Прекращение нагрева воздуха наблюдается в стратопаузе — пограничном слое между мезосферой и стратосферой.

В стратосфере летают самолёты, чья скорость выше звуковой, и пассажирские лайнеры. Такая высота выбрана потому, что в нижних слоях стратосферы наблюдается стабильность воздушных потоков, а благодаря низкой температуре снижаются затраты топлива. Движение происходит в условиях малого аэродинамического сопротивления.

Читайте также:  Что делать чтобы вода уходила из канализации в землю

Однако есть предел: самолёт может подняться только до определённой высоты. В какой-то момент воздуха становится слишком мало, а он нужен, чтобы работали реактивные двигатели. В высоких слоях стратосферы самолету, чтобы получить приток воздуха, приходится перемещаться быстрее скорости звука. Поэтому на самую большую высоту залетают только боевые и сверхзвуковые пассажирские лайнеры, например, «Конкорд».

В стратосфере присутствуют метеорологические зонды. Они закреплены на огромных воздушных шарах и находятся в зависшем положении. Задача зондов — сбор информации о состоянии тропосферы и о происходящих изменениях.

Из живых организмов в стратосфере можно обнаружить бактерии, например, аэропланктон. Но не только микроорганизмы способны выживать на такой большой высоте: был случай, когда в двигатель самолёта попала крупная птица — гриф. Также известно, что утки, совершая сезонные перелёты, перемещаются над Эверестом.

Мировой рекорд по пребыванию на высоте установил вице-президент Google — американец Алан Юстас. Он поднялся на высоту 41 км и спрыгнул с парашютом. Чтобы оторваться от шара, пришлось привести в действие небольшое взрывное устройство. Во время свободного падения он развил скорость 1342 км/ч — это быстрее, чем движется звук.

Озоновый слой

Слой озона разделяет мезосферу и стратосферу. Благодаря ему большая часть ультрафиолетовых лучей не достигает поверхности земли, а поглощается и отражается. Выше озонового слоя условия таковы, что там не могут жить никакие организмы, в том числе самые стойкие бактерии и вирусы. Всё живое убивают неблагоприятные факторы, а именно:

  • космическое излучение;
  • низкая температура;
  • давление.

Созданию озонового слоя поспособствовали бактерии, которая много тысяч лет выделяли кислород. Поднимаясь в высокие слои, молекулы вступали в фотохимическую реакцию, и в результате молекулы O2 преобразовывались в O3.

Озон — вещество, созданное при участии ультрафиолета. При этом оно защищает всё живое на планете от этого губительного излучения. Поглощая солнечные лучи, озон нагревается сам и повышает температуру окружающей атмосферы. Таким образом, этот газ частично способствует поддержанию благоприятного микроклимата на Земле.

Особенности мезосферы

Мезосфера — слой, расположенный в промежутке между 45 и 90 километрами. Его верхняя часть называется мезопаузой и является самым холодным местом: воздух здесь охлаждается до -143 градусов.

Этот участок атмосферы пока не очень хорошо изучен. Это обусловлено слишком малым давлением газов: оно в несколько тысяч раз ниже того, что наблюдается у поверхности планеты. Воздушные шары, поднявшись до определённой точки, не летят выше, а зависают. Использовать для изучения мезосферы самолёты с реактивными двигателями тоже не получается, так как принцип их движения в условиях, когда газ сильно разрежен, утрачивает смысл. Аэродинамика корпуса и крыльев становится бесполезной.

Перемещаться в мезосфере могут только ракетопланы или ракеты. К первым относят самолёты, оснащённые ракетными двигателями. Одна из таких машин — X-15. Это самый быстрый ракетоплан, сумевший подняться на высоту 108 км. Однако такие аппараты летят слишком быстро, а за короткое время не удаётся провести основательного изучения воздушного слоя. Летательные аппараты либо движутся выше, либо опускаются, в обоих случаях покидая мезосферу.

Суборбитальные зонды и спутники не получается использовать для исследований в мезосфере, так как они замедляются под влиянием давления. Оно очень низкое, однако препятствует движению, а иногда и сжигает аппараты.

В этом же слое сгорают и метеориты. Наблюдатели, находящиеся на земле, видят своеобразное свечение.

Помимо этого, каждый день на Землю оседает от 100 до 9−10 тыс. тонн космической пыли. Эти частицы оказывают некоторое влияние на дождеобразование, хотя кардинально изменить циркуляцию атмосферы они неспособны.

Термосфера и экзосфера

Общая высота атмосферы Земли составляет около 100 км. На этом уровне проходит условная граница, отделяющая планету от космоса. Её называют линией Кармана. На высоте более 100 км есть газы, но их количество ничтожно мало. Полёты на таком расстоянии от поверхности относятся к космическим.

Линия Кармана одновременно является нижней границей термосферы — самого протяжённого воздушного слоя. Эта часть атмосферной оболочки простирается до высоты 800 км над уровнем моря. Температура здесь достигает 1800 градусов. Насколько это много, можно понять, если вспомнить, что железо плавится уже при 1538 °C.

Однако космические аппараты в термосфере не разрушаются, потому что содержание газов в нем низкое. Отдельные частицы обладают огромной энергией, но они находятся на большом расстоянии друг от друга. Летательные аппараты находятся в вакууме. При этом возникает необходимость отводить избыточное тепло, которое выделяется при работе двигателей и других механизмов. Тепловыделение достигается за счёт работы радиаторов. Ими оснащают все космические корабли.

Экзосфера — последний атмосферный слой, нижняя граница которого проходит на высоте 700−800 км. Эта часть оболочки очень разреженная и состоит в основном из атомов водорода. В малом количестве присутствуют ионы азота и кислорода (менее сотых долей процента).

Простираясь на 100 тыс. км, экзосфера плавно переходит в геокорону. По сравнению с нижними слоями атмосферы, концентрация частиц здесь меньше в миллионы раз.

Источник

Adblock
detector