Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Атмосфера Землі



План:


Введення

Це стаття про атмосферу Землі, існують інші значення терміна Атмосфера
Будова атмосфери

Атмосфера (від. др.-греч. ἀτμός - Пар і σφαῖρα - Куля) - газова оболонка ( геосфера), навколишнє планету Земля. Внутрішня її поверхня покриває гідросферу і частково земну кору, зовнішня межує з навколоземної частиною космічного простору. Також існує визначення атмосфери, як зовнішньої геологічної газової оболонки Землі .

Сукупність розділів фізики та хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погоду на поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.


1. Фізичні властивості

Товщина атмосфери - приблизно 2000-3000 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря в атмосфері - (5,1-5,3) 10 18 кг. З них маса сухого повітря становить 5,1352 0,0003 10 18 кг, загальна маса водяної пари в середньому дорівнює 1,27 10 16 кг.

Молярна маса чистого сухого повітря становить 28,966 г / моль, щільність повітря у поверхні моря приблизно дорівнює 1,2 кг / м 3. Тиск при 0 C на рівні моря складає 101,325 кПа; критична температура - -140,7 C; критичний тиск - 3,7 МПа; C p при 0 C - 1,0048 10 3 Дж / ​​(кг К), C v - 0,7159 10 3 Дж / ​​(кг К) (при 0 C). Розчинність повітря у воді (за масою) при 0 C - 0,0036%, при 25 C - 0,0023%.

За " нормальні умови "у поверхні Землі прийняті: щільність 1,2 кг / м 3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 C і відносна вологість 50%. Ці умовні показники мають чисто інженерне значення.


2. Хімічний склад

Атмосфера Землі виникла в результаті виділення газів при вулканічних виверженнях. З появою океанів і біосфери вона формувалася і за рахунок газообміну з водою, рослинами, тваринами та продуктами їх розкладу в грунтах і болотах.

Склад сухого повітря

В даний час атмосфера Землі складається в основному з газів і різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, складових атмосферу, практично постійна, за винятком води (H 2 O) і вуглекислого газу (CO 2).

Склад сухого повітря [1] [2]
Газ Зміст
за обсягом,%
Зміст
за масою,%
Азот 78,084 75,50
Кисень 20,946 23,10
Аргон 0,932 1,286
Вода 0,5-4 -
Вуглекислий газ 0,0387 0,059
Неон 1,818 10 -3 1,3 10 -3
Гелій 4,6 10 -4 7,2 10 -5
Метан 1,7 10 -4 -
Криптон 1,14 10 -4 2,9 10 -4
Водень 5 10 -5 7,6 10 -5
Ксенон 8,7 10 -6 -
Закис азоту 5 10 -5 7,7 10 -5

Крім зазначених у таблиці [2] газів, в атмосфері містяться SO 2, NH 3, СО, озон, вуглеводні, HCl, HF, пари Hg, I 2, а також NO і багато інших гази в незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість зважених твердих і рідких частинок ( аерозоль).


3. Будова атмосфери

3.1. Тропосфера

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км в полярних, 10-12 км у помірних і 16-18 км в тропічних широтах; взимку нижче, ніж влітку. Нижній, основний шар атмосфери містить більше 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього наявного в атмосфері водяної пари. У тропосфері сильно розвинені турбулентність і конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони і антициклони. Температура убуває з ростом висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65 / 100 м


3.2. Тропопауза

Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, в якому припиняється зниження температури з висотою.

3.3. Стратосфера

Шар атмосфери, розташований на висоті від 11 до 50 км. Характерно незначна зміна температури в шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її в шарі 25-40 км від -56,5 до 0,8 З (верхній шар стратосфери чи область інверсії). Досягнувши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 C), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузой і є кордоном між стратосферою і мезосферою.


3.4. Стратопаузой

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою і мезосферою. У вертикальному розподілі температури має місце максимум (близько 0 C).

3.5. Мезосфера

Атмосфера Землі

Мезосфера починається на висоті 50 км і простягається до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3) / 100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул і т. д. обумовлюють світіння атмосфери.


3.6. Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою і термосферу. У вертикальному розподілі температури має місце мінімум (близько -90 C).

3.7. Лінія Кармана

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається в якості кордону між атмосферою Землі та космосом. Відповідно до визначення ФАІ, лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км над рівнем моря.

3.8. Кордон атмосфери Землі

Прийнято вважати, що кордон атмосфери Землі та іоносфери знаходиться на висоті 118 кілометрів. [3] Це показує аналіз параметрів руху високоенергетичних частинок, що переміщаються в атмосфері та іоносфері.

3.9. Термосфера

Верхня межа - близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до великих висот. Під дією ультрафіолетового й рентгенівської сонячної радіації і космічного випромінювання відбувається іонізація повітря (" полярні сяйва ") - основні області іоносфери лежать всередині термосфери. На висотах понад 300 км переважає атомарний кисень. Верхня межа термосфери в значній мірі визначається поточною активністю Сонця. У періоди низької активності - наприклад, у 2008-2009 рр. - відбувається помітне зменшення розмірів цього шару. [4]


3.10. Термопауза

Область атмосфери прилегла зверху до термосфере. У цій області поглинання сонячного випромінювання незначно і температура фактично не змінюється з висотою.


3.11. Екзосфера (сфера розсіювання)

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера - зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджене, і звідси йде витік його частинок в міжпланетний простір ( диссипация).

До висоти 100 км атмосфера являє собою гомогенну добре перемішану суміш газів. У більш високих шарах розподіл газів по висоті залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше у міру віддалення від поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 C в стратосфері до -110 C в мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км відповідає температурі ~ 150 C. Вище 200 км спостерігаються значні флуктуації температури і щільності газів в часі і просторі.

На висоті близько 2000-3500 км екзосфера поступово переходить в так званий бліжнекосміческій вакуум, який заповнений сильно розрідженими частками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ являє собою лише частина міжпланетного речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного і метеорного походження. Крім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, в цей простір проникає електромагнітна і корпускулярна радіація сонячного і галактичного походження.

На частку тропосфери припадає близько 80% маси атмосфери, на частку стратосфери - близько 20%; маса мезосфери - не більше 0,3%, термосфери - менше 0,05% від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу і іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера простягається до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферу і гетеросферу. Гетеросферу - це область, де гравітація впливає на поділ газів, так як їх перемішування на такій висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросферу. Нижче її лежить добре перемішана, однорідна за складом частину атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузи, вона лежить на висоті близько 120 км.


4. Фізіологічні та інші властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованого людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут закінчується фізіологічна зона атмосфери. Дихання людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера постачає нас необхідним для дихання киснем. Однак внаслідок падіння загального тиску атмосфери в міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

В легенів людини постійно утримується близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі при нормальному атмосферному тиску складає 110 мм рт.ст., тиск вуглекислого газу - 40 мм рт. ст., а пари води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води і вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря стане рівним цій величині.

На висоті близько 19-20 км тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на даній висоті починається кипіння води і міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичній кабіни на цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з точки зору фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від вражаючої дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах більше 36 км, інтенсивна дія на організм надає іонізуюча радіація - первинні космічні промені; на висотах більше 40 км діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектра.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної сили і опору, передача тепла конвекцією та ін

У розріджених шарах повітря поширення звуку виявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору і підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа М і звукового бар'єру втрачають свій сенс: там проходить умовна лінія Кармана, за якою починається область чисто балістичного польоту, управляти яким можна, лише використовуючи реактивні сили.

На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена ​​і іншого чудового властивості - здатності поглинати, проводити і передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто з допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай на літаку, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і взагалі в космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.


5. Історія утворення атмосфери

Формування атмосфери

Згідно найбільш поширеній теорії, атмосфера Землі в часі перебувала в трьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів ( водню і гелію), захоплених з міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера (близько чотирьох мільярдів років тому) [джерело не вказано 17 днів]. На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери і іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера (близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався наступними факторами:

  • витік легких газів (водню і гелію) в міжпланетний простір;
  • хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів і деяких інших чинників.

Поступово ці фактори призвели до утворення третинної атмосфери, яка характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку і вуглеводнів).


5.1. Азот

Утворення великої кількості азоту N 2 зумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем О2, який почав надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд років тому. Также азот N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 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, т. н. сидератами.


5.2. Кисень

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 др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

Протягом фанерозою склад атмосфери і вміст кисню зазнавали змін. Вони корелювали перш за все зі швидкістю відкладення органічних осадових порід. Так, у періоди угленакопленія вміст кисню в атмосфері, мабуть, помітно перевищував сучасний рівень.


5.3. Вуглекислий газ

Вміст в атмосфері СО 2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше - від інтенсивності біосинтезу і розкладання органіки в біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4 10 12 тонн [1]) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту і водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована в океані, в болотах і в лісах органіка перетворюється в вугілля, нафта і природний газ.


5.4. Благородні гази

Джерело інертних газів - аргону, гелію і криптону - вулканічні виверження і розпад радіоактивних елементів. Земля в цілому і атмосфера зокрема збіднені інертними газами в порівнянні з космосом. Вважається, що причина цього криється у безперервної витоку газів в міжпланетний простір.

5.5. Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери став впливати людина. Результатом його діяльності став постійний значне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередні геологічні епохи. Величезні кількості СО2 споживаються при фотосинтезі і поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід і органічних речовин рослинного і тваринного походження, а також внаслідок вулканізму і виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО 2 в атмосфері зросла на 10%, причому основна частина (360 млрд тонн) поступила в результаті спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то в найближчі 20-30 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальним змінам клімату.

Спалювання палива - основне джерело і забруднюючих газів ( СО, NO, SO 2). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 у верхніх шарах атмосфери, який в свою чергу взаємодіє з парами води і аміаку, а утворюються при цьому сірчана кислота (Н 2 SO 4) і сульфат амонію ((NH 4) 2 SO 4) повертаються на поверхню Землі у вигляді т. зв. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згоряння призводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями і з'єднаннями свинцю ( тетраетилсвинець Pb (CH 3 CH 2) 4)).

Аерозольне забруднення атмосфери обумовлено як природними причинами (виверження вулканів, пилові бурі, винесення крапель морської води та пилку рослин тощо), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд і будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу і т. п.). Інтенсивний широкомасштабний винос твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.


Примітки

  1. Gribbin, John Science. A History (1543-2001) - London : Penguin Books, 2003. - 648 с. - ISBN 978-0-140-29741-6.
  2. 1 2 Source for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory - www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ # mlo, (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR Table 6.1 - www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/221.htm # tab61, (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100%, and CO 2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N 2 should be reduced by about 25 ppmv and O 2 by about 7 ppmv.
  3. Lenta.ru: Прогрес: Вчені уточнили межу космосу - www.lenta.ru/news/2009/04/10/boundary/
  4. (Англ.) A Puzzling Collapse Of Earth's Upper Atmosphere - www.spacedaily.com/reports/A_Puzzling_Collapse_Of_Earth_Upper_Atmosphere_999.html, SpaceDaily, 16.07.2010

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Атмосфера
Атмосфера Юпітера
Зоряна атмосфера
Атмосфера Місяця
Стандартна атмосфера
Атмосфера Венери
Атмосфера Марса
Атмосфера Юпітера
Атмосфера Титана
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru