Атмосфера Земли фото

Атмосфера Земли: общая характеристика, состав и строение. Урок 11

Атмосфера (от греч. ἀτμός – пар и σφαῖρα – шар) – это газовая оболочка крупного небесного тела, которое может удержать её силой своей гравитации. В Солнечной системе она есть у всех основных планет, кроме Меркурия. Учёные договорились считать атмосферой только тот слой газов, который вращается вместе с небесным телом, но не всегда с одинаковой с ним скоростью.

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. Масса атмосферы (сухого воздуха) равна (5,1352 ± 0,0003)⋅1018 кг.

Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца. Особенности атмосферы Земли в её уникальном газовом составе, сформированном в коэволюции с жизнью.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Границы воздушной оболочки разными науками и службами определяются по-своему.

  • 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 и вращается вместе с Землёй 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.

Атмосфера и облака фото

Вещества атмосферы Земли: химический состав

Атмосфера – это смесь газов, в которых во взвешенном состоянии (аэрозоли) находится пыль, микроорганизмы, пыльца растений и вода. И только водяной пар при разных условиях может испытывать фазовые переходы, т. е. находиться в воздухе в газообразном, твёрдом или жидком состоянии.

Газовый состав атмосферы

Та часть атмосферы, где мы живём состоит главным образом из двух газов: азота и кислорода, причём первого в 3 раза больше, чем второго и это очень удачное, вернее устойчивое в химическом смысле сочетание. Кислород – активный окислитель, он ионизирует большую часть веществ, не будь в воздухе такого количества нейтрального азота, кислород бы разрушал всё намного быстрее, в том числе и нашу жизнь.




Если судить более строго, то большую часть атмосферы составляют 3 газа: азот N2, кислород О2 и аргон Аг, относительная объёмная концентрация которых в сухом воздухе составляет соответственно 78,08%, 20,95%, 0,93%. И лишь остальные 0,04% приходятся на другие газы атмосферы, среди которых по объёму выделяется углекислый газ, или диоксид углерода СО2 (в среднем его содержится 0,03%).

Процентное соотношение трёх основных газов атмосферы сохраняется в неизменном виде до высоты в 100 км. Этот участок называют гомосферой – это место, где гравитация влияет на газы атмосферы. Выше происходит расщепление (диссоциация) молекул на атомы под действием корпускулярной и ионизирующей радиации Солнца – эта часть атмосферы называется гетеросферой. Из-за постоянства соотношений до высоты в 100 км азот, кислород и аргон называют постоянными газами.

Содержание оксида углерода в разных точках планеты сильно меняется, оно зависит от времени года (жизнедеятельности растений), геологических процессов (извержение вулканов) и хозяйственной деятельности человека (в меньшей степени). Поэтому углекислый газ относят к категории переменных газов атмосферы.

Другие постоянные газы в атмосфере содержатся в незначительной объёмной концентрации:

  • гелий Не – 0,00052%,
  • неон Ne – 0,00182%,
  • криптон Кг – 0,00011 %,
  • метан СН4 – 0,00015%,
  • водород Н2 – 0,00005%,
  • полуоксид азота N2O, или «веселящий газ», — 0,00005%,
  • ксенон Хе – 0,00001%.

Атмосфера Земли содержит следующие переменные газы:

  • оксид углерода СО, или угарный газ – до 0,01 %,
  • диоксид серы SO2 – 0,0001 %,
  • диоксид азота NО2 – 0,00002%,
  • озон О3 – 0,00001%.

Все приведенные количественные данные относятся к сухому воздуху, т. е. к гипотетическому воздуху, в котором полностью отсутствует водяной пар (нет молекул Н2О).

Состав сухого воздуха атмосферы фото
Атмосфера Земли: состав сухого воздуха.
Автор: Kopiersperre

Каждый газ воздуха выполняет свою функцию.

Роль кислорода в атмосфере Земли

Земная атмосфера содержит большое количество свободного кислорода и его модификаций. Если химический элемент образует несколько простых веществ, то такие вещества называют аллотропными модификациями данного элемента, а само явление – аллотропией. Земная атмосфера включает три аллотропные модификации кислорода: молекулярный кислород О2, атомарный кислород О и озон О3.

Максимальная концентрация молекулярного кислорода наблюдается в приповерхностных слоях атмосферы. Максимальная концентрация атомарного кислорода существует на высотах около 150 км. Максимальная концентрация озона реализуется на высотах 15-25 км.

Атомарный кислород образуется в атмосфере в результате фотодиссоциации молекул О2 под действием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны не более 240 нм. Находясь в атмосфере в больших количествах, молекулярный кислород полностью поглощает падающее на Землю ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 240 нм.

Основная роль свободного кислорода в дыхании организмов (биологическом окислении), участии в горении и окислении. Под его действием происходят процессы гниения, разложения, ржавеет железо. Кислород входит в состав органических веществ живых клеток. 70% всего кислорода атмосферы приходится на тяжёлый (изотоп с атомарной массой 18), 30% — на долю лёгкого (изотоп-16). По мнению В. Бгатова ( 1928-2005, известный советский и российский аэролог,  доктор наук) именно лёгкий кислород участвует в фотосинтезе и имеет биогенное происхождение, тяжёлый кислород появляется в результате дегазации мантии.

Азот в атмосфере

Азот («безжизненный») – входит в состав белков и нуклеиновых кислот наших клеток, необходим всему живому. Он определяет скорость биохимических реакций, выполняя роль «разбавителя» кислорода. Если бы атмосфера содержала меньше азота  и больше кислорода, то живая материя окислялась бы энергичнее. Он поступает в воздух при извержении вулканов и в результате деятельности денитрифицирующих бактерий.

Атмосфера Земли содержит гелий

В атмосфере Земли содержатся инертные газы: аргон, гелий, неон, криптон, ксенон. Гелий – один из наиболее лёгких газов атмосферы. Он выделяется из почвы, горных пород, морской воды при распаде содержащихся в них радиоактивных веществ. В приземном слое воздуха содержание гелия практически постоянно. С высотой его количество возрастает. Из-за малой массы гелий постоянно покидает атмосферу и уходит в космос.

Углекислый газ

Содержание диоксида углерода в воздухе сильно меняется. В промышленных центрах, где сжигается много нефтепродуктов содержание СО2 в атмосфере возрастает. Увеличивается его количество и при вырубке лесов, осушении болот, а также во время активной вулканической деятельности. Он образуется и как результат дыхания всех живых организмов.

Отмечено изменение содержания углекислого газа по сезонам года, зимой оно возрастает, а летом уменьшается. Это объясняется активной жизнедеятельностью растений и цианобактерий в летний период года. Углекислый газ как источник углерода необходим для фотосинтеза растениям, цианобактериям и другим живым организмам в качестве материала для построения органических веществ.

Углекислый газ вместе с водяным паром и метаном вызывает парниковый эффект атмосферы. Парниковый эффект – нагрев внутренних слоёв атмосферы из-за способности парниковых газов пропускать коротковолновое излучение Солнца и не выпускать длинноволновое излучение Земли. Если бы углекислого газа в атмосфере было в 2 раза больше, то средняя температура земли достигла бы 18°С, сейчас она равна 14-15°С.

Оксид водорода в атмосфере Земли

До сих пор мы говорили о сухом атмосферном воздухе. В действительности же атмосфера включает значительное количество вещества с химической формулой Н2О. По имеющимся оценкам, общая масса оксида водорода в земной атмосфере постоянна и составляет 1,4 • 10 16 кг, т.е. 0,27% общей массы атмосферы.

Оксид водорода присутствует в атмосфере частично в трех агрегатных состояниях – газообразном (в виде водяного пара), жидком (в виде воды), твердом (в виде льда и снега). Туманы и облака – это огромные скопления мелких водяных капель и ледяных кристаллов.

Атмосфера: туман фото
Атмосфера: аэрозоль в виде тумана

Термин «оксид водорода», как правило, на практике не применяется. Обычно предпочитают говорить о «воде» — газообразной воде (водяном паре), жидкой воде (собственно воде), твердой воде (льде или снеге). Таким образом, три состояния вещества, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, рассматривают как три состояния воды.

Если придерживаться такой терминологии, то следовало бы говорить, что, например, бассейн наполнен не водой, а водой в жидком состоянии (или жидкой водой), а о «круговороте воды в природе» говорить как о «замкнутом цикле с перемещениями в пространстве и переходами воды из одного состояния в другие». Но сочетание «вода в атмосфере» встречается намного чаще, чем «оксид водорода в атмосфере».

В земной атмосфере постоянно присутствуют более десяти триллионов тонн оксида водорода. В ней все время совершаются процессы перехода оксида водорода их одного состояния в другое: водяной пар конденсируется в капельки воды и кристаллы льда, кристаллы льда тают, превращаясь в водяные капли, или сублимируют, превращаясь в водяной пар, капли воды испаряются, превращаясь в водяной пар, или замерзают, становясь кристаллами льда. Поэтическая фраза «в небе тают облака» не имеет отношения к физическому процессу таяния льда или снега; она переводится на язык физики так: «в небе происходят процессы испарения и сублимации».

Атмосфера: облака фото
Атмосфера (вернее тропосфера) — фабрика погоды

Десять триллионов тонн воды (правильнее сказать, оксида водорода) в атмосфере! Много это или мало? По сравнению с массой всего Мирового океана эти десять триллионов тонн, конечно, очень малы. Они составляют лишь стотысячную долю всей гидросферы Земли. Однако масса этой стотысячной доли всего в два раза меньше массы воды в Байкале, или в Балтийском море, или во всех пяти Великих североамериканских озерах. Масса оксида водорода в атмосфере в два раза больше массы воды, которая ежегодно изливается в океан самой полноводной рекой Земли Амазонкой. Она в 20 раз больше годового стока Лены и в 60 раз больше годового стока Волги.

Озон в атмосфере

Озон в атмосфере появляется в результате взаимодействия атомарного и молекулярного кислорода. Молекула озона О3 образуется при соединении молекулы О2 и атома О в присутствии третьей частицы М (например молекулы N2), которая берет на себя энергию, выделяющуюся в данном рекомбинационном процессе.

Озон в атмосфере фото
Роль озонового слоя для жизни

Процессы образования и уничтожения молекул озона, обеспечивают существование в атмосфере озонового слоя. Он охватывает весь земной шар и геометрически похож на сферическую оболочку (полый шар) с внутренним радиусом, соответствующим высоте над земной поверхностью около 10 км, и внешним, соответствующим высоте около 30 км. Иными словами, озоновый слой находится в интервале высот от 10 км до 30 км, т.е. в пределах стратосферы.

Строго говоря, молекулы озона рассеяны в относительно малых количествах во всем слое атмосферы от поверхности Земли примерно до высот 80 км, так что наряду со стратосферным озоном существуют также мезосферный озон и тропосферный озон.

Озоновый слой Земли фото
Озоновый слой в стратосфере

Большая толщина озонового слоя (все 80 км или, по крайней мере, стратосферные 20 км) не должна вводить в заблуждение. В сущности озоновый слой весьма тонок. Если привести его к нормальным условиям, т. е. мысленно собрать молекулы озона таким образом, чтобы парциальное давление озонового газа стало равно 760 мм рт.ст., то получится слой толщиной всего лишь ~ 3 мм. Такова приведенная толщина всего озонового слоя.

Основная масса озона – это, конечно, стратосферный озон. В тропосфере и, в частности, в приповерхностном слое совсем немного озона. Но именно здесь мы встречаемся с ним непосредственно и можем ощутить на себе его свойства. Всем известен характерный запах озона при его образовании во время грозовых разрядов. Озонированный воздух весьма свеж и не содержит микроорганизмов: озон их убивает.

Атмосфера: гроза фото

Существуют специальные технические устройства – озонаторы, в которых образуется озон при тихом (без искр) электрическом разряде в стеклянной трубке, сквозь которую пропускается поток молекулярного кислорода. Озонирование питьевой воды с целью ее обеззараживания широко применяется на практике. Озонированная вода чище и вкуснее хлорированной.

Вместе с тем нельзя забывать, что озон – сильнейший окислитель и что он ядовит (даже в большей степени, чем, например, угарный газ). Если относительная концентрация озона в воздухе повысится всего до 0,00005%, у людей возникнет головная боль и появятся другие признаки химического отравления. К счастью, в приповерхностном слое атмосферы концентрация озона в настоящее время не превышает 5 • 1017 м-3 , что соответствует относительной концентрации 0,000003%. Однако происходит возрастающее загрязнение атмосферы озоном техногенного происхождения, поэтому существует потенциальная угроза озонового отравления атмосферы.

Озонатор фото
Озонатор

Две глобальные роли стратосферного озона

Ультрафиолетовое излучение с А < 200 нм поглощается во всей атмосфере за счет фотодиссоциации молекулярного кислорода . Этот процесс начинается уже при уменьшении длины волны до значения 240 нм, соответствующего порогу фотодиссоциации молекулы О2. Ультрафиолетовое излучение в интервале длин волн от 320 нм до 400 нм, обозначенном УФ-А, достигает поверхности Земли. Именно этому излучению мы обязаны своим загаром. В малых дозах оно полезно, но при передозировке вызывает ожоги и даже временную слепоту.

А вот излучение с длинами волн меньше 320 нм (граница, конечно, приблизительна) не просто вредно, но, более того, может оказаться губительным для всего живого на Земле. У человека оно может вызвать рак кожи, катаракту, иммунную недостаточность. Особенно губительно действует жесткое ультрафиолетовое излучение на микроорганизмы. Как показали эксперименты, планктон в приповерхностных водах океанов погибает под воздействием излучения УФ-Б. А ведь планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем. Излучение УФ-Б может губительно повлиять также на фотосинтез растений.

Роль озона фото

Все это позволяет отметить глобальную роль стратосферного озона — он является своеобразным щитом, защищающим земную биосферу от губительного для нее ультрафиолетового солнечного излучения в интервале длин волн 200 нм < Л < 320 нм. Без озонового слоя жизнь на Земле, по-видимому, была бы невозможна. Если ионосферу часто называют «волшебным зеркалом планеты», то за озоносферой закрепилось название «волшебный щит планеты». Приведенная толщина этого щита всего 2-4 мм, но этого оказалось достаточно, чтобы уберечь биосферу Земли от губительного ультрафиолетового излучения Солнца.

Другая глобальная роль стратосферного озона заключается в том, что поглощение излучения УФ-Б обусловливает нагревание воздуха в стратосфере, в результате чего температура воздуха в ней с высотой увеличивается и возникает «слоеный пирог» атмосферы. Без озонового слоя существенно изменилось бы высотное распределение температуры во всей атмосфере, а ведь это распределение контролирует динамические процессы, т.е. перемещение в пространстве воздушных масс. В результате могли бы наблюдаться катастрофические явления, связанные с резким изменением климата на планете.

Атмосфера: ураган фото
Ураган

Предположим, что произойдет не исчезновение озонового слоя, а только повсеместное изменение концентрации озона (изменится приведенная толщина озонового слоя). Практически интересны последствия уменьшения концентрации озона в атмосфере, поскольку оно может реально оказаться плодом современной цивилизации. Допустим, концентрация озона в атмосфере уменьшилась в два раза. Как показали модельные расчеты, в этом случае должно произойти охлаждение воздуха в мезосфере на 20-30 °С, а в стратосфере примерно на 10 °С, в результате чего вся вертикальная структура стратосферы и тропосферы может стать в значительной мере неустойчивой. Что же касается последствий неизбежного в данном случае усиления облучения биосферы ультрафиолетовым солнечным излучением, то они трудно предсказуемы, но нет сомнения в том, что эти последствия будут ужасны для живых организмов.

Говоря о влиянии озонового слоя на климат планеты, отметим также, что этот слой поглощает не только излучение УФ-Б, но и инфракрасное излучение с длиной волны 9,6 мкм. Имеется в виду часть инфракрасного излучения, испускаемого нагретой земной поверхностью. Частично задерживая это излучение, озоновый слой вносит определенный вклад в парниковый эффект.

Аэрозольные частицы: загрязнение атмосферы

Аэрозоли относятся к так называемым дисперсным системам. Дисперсная система состоит из множества мелких аэрозольных частиц, которые образуют дисперсную фазу системы и как бы рассеяны в однородной среде (дисперсионной среде). Слово dispersio в переводе с латинского означает рассеяние.

В случае аэрозолей дисперсионная среда – это газообразная среда, а дисперсная фаза – твердые или жидкие частицы, взвешенные (рассеянные) в газообразной среде. Дисперсионная среда – смесь соответствующих газов включая водяные пары. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой имеют специальное название – «туманы», а с твердой дисперсной фазой — «дымы» и «пыли».

Атмосфера: Китай, смог над городом фото
Смог над городом Яньтай, Китай

Аэрозольные частицы могут иметь либо природное происхождение, либо антропогенное. Одним из источников естественных аэрозолей служит поверхность Мирового океана. Аэрозоли над океаном возникают в результате разбрызгивания и последующего испарения капель морской воды. Эти капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн. Основной компонент морских аэрозолей—хлорид натрия NaCl.

Другие источники естественных аэрозолей – вулканические выбросы в атмосферу, ветровая эрозия почв и горных пород, пылевые бури, степные и лесные пожары. Отметим также аэрозоли космического происхождения (метеорная пыль) и биологического происхождения (споры грибов, пыльца растений).

Песчаная буря фото
Песчаная буря

Аэрозоли антропогенного происхождения возникают в результате выбросов в атмосферу отходов промышленных и бытовых предприятий и выхлопных газов автомобилей, взрывов, пожаров, вызванных людьми, сжигания свалок и т. п. Сюда же надо отнести пылевые бури в районах с эрозией почвы, обусловленной деятельностью человека.

Аэрозольные частицы загрязняют атмосферу. Это особенно относится к аэрозолям антропогенного происхождения. По сравнению с естественными аэрозолями они существенно токсичнее, биологически опаснее и к тому же могут иметь повышенную концентрацию взвешенных частиц в отдельных районах (например, в крупных промышленных центрах).

Наибольший вклад в загрязнение вносят выбросы в атмосферу от:

  • автотранспорта,
  • авиации,
  • теплоэлектростанций,
  • нефтехимических и металлургических предприятий.

Самолёт, атмосфера фото

Заметим, что многие вещества, являющиеся безвредными в виде сплошных тел, становятся опасными, превратившись в аэрозоли. Так, в топочном дыме помимо частичек сажи содержатся капельки серной кислоты , образовавшейся из присутствующего в дыме диоксида серы. Для таких аэрозолей используют специальное название «смог» — от английских слов smoke (дым) и fog (туман). Печально известен лондонский смог.

Естественные аэрозоли в целом не наносят серьезного ущерба природной среде. Правда, он может оказаться заметным в отдельных районах, например вблизи сильных вулканических извержений. Отметим простирающуюся далеко на запад от побережья Сенегала область Атлантики с постоянным интенсивным выносом пыли из Сахары. Упомянем также интенсивное выпадение соли на океанических островах, достигающее в год сотен тонн на квадратный километр.

Атмосфера получает аэрозоли и от извержения вулканов фото
Извержение вулкана

Имея в виду главным образом естественные аэрозоли (для них общее количество аэрозольных частиц в атмосфере в десятки раз больше, чем для аэрозолей антропогенного происхождения), мы должны обратить внимание на еще одну важную роль аэрозольных частиц в атмосфере. Именно в результате их присутствия происходит конденсация пересыщенного водяного пара и образуются облака и обычные туманы. Аэрозольные частицы выступают в качестве центров (так называемых ядер конденсации), на которых конденсируется пар, превращаясь в капли воды или кристаллы льда.

Не всякие аэрозольные частицы могут служить ядрами конденсации. Ими могут быть жидкие капельки растворов солей и кислот, растворимые в воде твердые частицы солей, а также нерастворимые, но смачиваемые водой твердые частицы (частицы почвы, горной породы, дыма).

Облака в атмосфере фото
Облака — это капли воды или кристаллики льда, конденсированные вокруг ядер — аэрозольных частиц

Вещества, загрязняющие атмосферу

Загрязняют атмосферу вредные вещества или те, что накапливаются в ней в избыточном количестве. Даже кислород в большом количестве вреден. Атмосфера получает загрязняющие выбросы как в результате естественных природных процессов, так и в ходе деятельности человека. Основными загрязнителями атмосферы являются:

  • угарный газ, или оксид углерода (CO). Появляется в результате неполного сгорания топлива в результате работы двигателей внутреннего сгорания, вулканической деятельности. Образует прочные связи с гемоглобином и блокирует поступление кислорода и удаление углекислого газа из организма;
  • углекислый газ, или двуокись углерода (СО2). Образуется при полном сгорании топлива, в результате деятельности вулканов, дыхания живых организмов. Это один из парниковых газов;
  • диоксид серы, или сернистый ангедрид (SO2). Появляется в результате сжигания серосодержащего топлива, переработки полезных ископаемых, извержения вулканов, морских бризов, жизнедеятельности некоторых бактерий. Участвует в образовании кислотных дождей. Для животных и человека этот газ ядовит. При длительном воздействии он вначале вызывает потерю вкусовых ощущений, затем отёк лёгких и смерть;
  • оксид и диоксид азота (NOх). Источники: химические предприятия, работающие с азотистыми полезными ископаемыми, транспорт, энергетика, бытовой сектор, любое горение, бактерии;
  • озон (О3) — в больших концентрациях ядовит, он ещё больший окислитель чем свободный кислород. Образуется в результате фотохимических процессов. Один из парниковых газов;
  • углеводороды – соединения углерода и водорода. появляются в атмосфере в результате деятельности разных отраслей промышленности и быта, жизнедеятельности организмов (метан);
  • тяжёлые металлы: свинец, цинк, кадмий. Попадают в атмосферу главным образом в результате работы автотранспорта.

Органические вещества в атмосфере

Выделение органических соединений в окружающую среду – универсальное явление, характерное для всех видов организмов от одноклеточных бактерий до высших растений и животных. Выделение этих веществ происходит в процессах дыхания, выброса отходов метаболизма и в результате деятельности органов внешней секреции.

Хотя исследование биоэмиссии органических веществ в атмосферу находится в начальной стадии, уже можно сделать некоторые выводы. Во-первых, биоэмиссия значительно сильнее антропогенной. Так, глобальная биоэмиссия лишь углеводородов (без учета метана) оценивается ориентировочно величиной 1,5 » 109 т/год, что более чем в 10 раз превосходит выделение углеводородов из антропогенных источников. Во-вторых, общее количество выделяемых живыми организмами органических веществ насчитывает тысячи наименований, причем эмиссия специфична для каждого микроорганизма, растения. В-третьих, существует группа универсальных соединений, которые присущи почти всем живым организмам и масштабы эмиссии которых особенно велики. В их числе метан, этилен, изопрен, этиловый спирт, ацетон. В выделениях хвойных деревьев присутствуют терпеновые углеводороды, представителями которых являются a- и b-пинены. Для лиственных растений более характерна эмиссия так называемого лиственного спирта — 3-гексен-1-ола: однако максимальная доля от общей эмиссии растительностью приходится на долю этилена, изопрена и терпенов.

При составлении глобального баланса органической составляющей атмосферы вклад геологических источников обычно не учитывался. Между тем процессы дегазации верхней мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов о-ва Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источником богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.

Источник: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/527.html

Парниковый эффект в атмосфере

Часть приходящего к Земле солнечного излучения поглощается атмосферой и земной поверхностью. Поглощая излучение, тела нагреваются, а остывая, испускают собственное излучение, т. е. сами становятся источниками излучения. Излучение, которое испускают атмосфера и земная поверхность, почти полностью попадает в интервал длин волн между 4 мкм и 100 мкм. На этот интервал приходится менее 1 % интенсивности солнечного излучения, но практически 100% интенсивности излучения Земли и ее атмосферы!

Солнечное излучение в интервале длин волн от 0,32 мкм до 4 мкм относительно легко (с небольшими потерями на поглощение) проходит сквозь земную атмосферу и достигает поверхности. А вот излучение с длинами волн от 4 мкм до 100 мкм испытывает заметное поглощение в атмосфере. Для солнечного излучения этот факт значения не имеет, поскольку в спектре Солнца указанному диапазону соответствует менее 1 % интенсивности. Зато это весьма важно для излучения, испускаемого земной поверхностью.

Проходя через атмосферу, инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, в значительной степени поглощается молекулами водяного пара Н2О, углекислого газа СО2, метана СН4, озона О3 и некоторых других газов. Азот N2 и кислород О2 и О для этого излучения прозрачны. Поглощенная энергия подогревает атмосферу, и в результате возникает излучение, распространяющееся обратно к поверхности Земли; его называют противоизлучением атмосферы. Происходит подогрев земной поверхности в данном случае уже не излучением Солнца, а излучением атмосферы.

Атмосфера: парниковый эффект фото
Парниковый эффект

Атмосфера уподобляется своеобразному одеялу, накрывающему земную поверхность и тем самым препятствующему ее охлаждению. Это напоминает парник. Поэтому и возник термин «парниковый эффект». Газы, поглощающие излучение земной поверхности и испускающие противоизлучение, получили название парниковых газов.

Суть парникового эффекта: испускаемое земной поверхностью излучение не уходит полностью в космос, а частично поглощается парниковыми газами, которые в свою очередь становятся источником излучения, возвращающегося обратно к поверхности Земли.

В настоящее время среднеглобальная и среднесезонная температура земной поверхности равна +15 °С. Расчеты показывают, что если бы не было парникового эффекта, то средняя температура земной поверхности была бы на 33 °С ниже, т. е. равнялась -18 °С.

Круговорот углекислого газа в природе фото

Для существования жизни на Земле наличие парникового эффекта – счастливое обстоятельство. Без него земная поверхность была бы сильно переохлаждена, ее средняя температура была бы на двадцать градусов ниже точки замерзания воды. Вряд ли оказалось бы возможным развитие растительного мира на суше.

Однако было бы весьма опасным и перегревание земной поверхности в том случае, если бы парниковый эффект существенно усилился. Примером такого перегрева служит Венера.

Ее атмосфера практически целиком состоит из углекислого газа (а он является парниковым газом) и к тому же отличается весьма высокой плотностью (давление у поверхности достигает 90 атм). Вследствие мощного парникового эффекта на Венере температура у ее поверхности достигает 460 °С.

В наше время все чаще высказывается тревога по поводу возможного перегревания земной поверхности из-за усиления парникового эффекта, которое может произойти вследствие увеличения концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов.

Основным парниковым газом является водяной пар, следующими по значимости идут углекислый газ и метан. Обусловленное производственной деятельностью людей увеличение в атмосфере углекислого газа (и ряда других газов) действительно чревато заметным возрастанием температуры земной поверхности и, как следствие, настоящей глобальной катастрофой — повышением уровня Мирового океана.




За последние двести лет концентрация углекислого газа в воздухе возросла на 25%, а метана на 60%. По данным долголетних наблюдений выявлена тенденция — потепление климата на 0,55 °С за сто лет. Это повышение температуры согласуется с теоретическими моделями, построенными на основе учета усиления парникового эффекта в результате возрастания концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов.

Значение атмосферы Земли для жизни организмов

Воздушная оболочка нашей планеты значительно отличается от газовых оболочек других планет. Её уникальный состав с одной стороны сделал возможным развитие жизни на Земле, с другой стороны он сам в значительной степени сформировался под воздействием жизни. Он:

  • защищает нас от угроз из космоса. В результате деятельности кислорода в ней сгорает большая часть космических объектов — метеоритов, пытающихся проникнуть на поверхность планеты (тела, сгорающие в атмосфере, называются метеорами). Газы атмосферы, в большей степени озон, спасают нас от коротковолнового солнечного и космического излучения;
  • поддерживает относительное постоянство температур, спасая от переохлаждения при помощи парникового эффекта и от перегрева, пропуская большую часть тепловых лучей от поверхности Земли;
  • участвует в выветривании и образовании горных пород, почв, различных ландшафтов;
  • уникальный газовый состав атмосферы (существование кислорода, азота, углекислого газа и др.) обеспечивает существование живых организмов на планете;
  • способствует образованию ветров, осадков;
  • позволяет видеть нам цвета и их оттенки, слышать звуки. В тонком слое воздух бесцветен. Его цвет изменяется в зависимости от интенсивности рассеивания солнечных лучей, определяемой длиной волны. В первую очередь рассеиваются коротковолновые лучи – фиолетовые, синие, голубые, в последнюю – красные. Поэтому на больших высотах цвет атмосферы фиолетовый, а в нижней части голубой;
  • в тропосфере и стратосфере атмосфера служит условием образования ветров и осадков, что имеет важнейшее значение для нашего существования.

Атмосфера Земли: значение фото

Горизонтальные слои атмосферы Земли

Части атмосферы, которые выделяют в ней учёные, следующие: тропосфера и стратосфера, разделённые переходным слоем, называемым тропопаузой, мезосфера, отделяемая от стратосферы стратопаузой, термосфера и экзосфера, разделяемые мезопаузой. Строение атмосферы зависит от плотности содержащихся в её участках газов, от температурного режима и количества ионов.

Кроме того атмосферу делян на нижнюю атмосферу (тропосферу, тропопаузу и стратосферу), среднюю атмосферу (мезосферу, мезопаузу и термосферу) и верхнюю атмосферу (экзосферу). Экзосфера – это внешний слой, который по строгой научной классификации атмосферой не является.

Строение атмосферы Земли фото
Атмосфера Земли: строение

Нижние слои атмосферы

К нижним слоям атмосферы относят тропосферу и стратосферу. В пределах тропосферы сосредоточено около 80% массы земной атмосферы, а в пределах стратосферы — остальные 20%. По существующим оценкам на долю мезосферы приходится не более 0,3% массы атмосферы, а на долю термосферы — менее 0,05%.

Как мы видим, почти вся масса атмосферы находится в 50- километровом слое воздуха, прилегающем к земной поверхности.

Естественно, что этот слой воздуха, и прежде всего его нижняя часть, т. е. тропосфера (в среднем от 16-18 км в тропических широтах, 10-12 – в умеренных, до 8-10 км в полярных), и определяет погоду на планете. Содержащиеся в тропосфере и стратосфере водяные пары, углекислый газ, озон и ряд других газов (среди них газы техногенного происхождения) задерживают распространяющееся от Земли в космос инфракрасное излучение и тем самым обеспечивают на земной поверхности определенный температурный режим. Такова сущность парникового эффекта. Погода на Земле определяется в существенной мере вертикальными и горизонтальными перемещениями (потоками) воздушных масс, происходящими как в тропосфере, так и в стратосфере. Достаточно хорошо изучена динамика тропосферы:

  • циклоны и антициклоны,
  • непрерывный круговорот воды;
  • тропические циклоны (иначе говоря, ураганы или тайфуны),
  • глобальные ветры у поверхности Земли и вблизи границы тропосферы.

Уникальным свойством стратосферы (от 11 км над полюсами, 50 км в тропическом поясе) можно считать наличие в ней озона. Хотя озон можно наблюдать также в тропосфере и даже мезосфере, однако в основном он сосредоточен на высотах между 20 км и 55 км, т. е. в стратосфере. Стратосфера характеризуется инверсией температур. Если при подъёме в тропосфере она уменьшается, то в стратосфере в слое в 25-40 км она начинает повышаться. От 40 до 55 км температура остаётся постоянной (0°С) – стратопауза – пограничный слой между стратосферой и мезосферой.

В стратосфере вплоть до озонового слоя существуют живые организмы – бактерии, вирусы, одноклеточные водоросли. Это называется спорами жизни.

Уникальным свойством тропосферы следует признать наличие в ней облаков. Для их образования необходимо не только наличие ядер конденсации. Нужно также, чтобы воздух был достаточно влажным и чтобы происходило существенное понижение температуры. Наиболее влажен воздух вблизи земной поверхности, т. е. в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому естественно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы.

В стратосфере облаков практически нет, если не считать тонких просвечивающих перламутровых облаков, возникающих изредка на высоте 20-30 км и наблюдаемых на темном небе после захода Солнца и перед его восходом. Кроме того, отметим появляющиеся летом у верхней границы мезосферы на высоте около 80 км (на этой высоте температура воздуха опускается ниже -100 °С) серебристые облака. Они образуют размытые полосы, настолько прозрачные, что сквозь них хорошо просвечивают звезды.

Мы живем на дне воздушного океана, плотность которого очень быстро уменьшается по мере подъема от поверхности Земли. Поэтому для жизни подходит лишь относительно тонкий приповерхностный слой атмосферы, не выходящий за пределы тропосферы. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека возникает кислородное голодание. По достижении 12-15 км дыхание становится невозможным. На высоте около 20 км атмосферное давление снижается до 0,05 атм, т.е. до 40 мм рт.ст. При таком давлении во внешней среде вода и межтканевая жидкость в организме человека закипают. Поэтому почти мгновенно наступает смерть, если вдруг произойдет разгерметизация скафандра или космической капсулы. Заметим, что в данном случае человек погибает отнюдь не из-за «космического холода», а вследствие внутреннего закипания, вызванного понижением давления окружающего воздуха.

По мере увеличения высоты постепенно ослабляются, а затем и вовсе исчезают хорошо знакомые нам явления – например, распространение звука в воздухе, возникновение аэродинамической подъемной силы и сопротивления, теплопередача посредством конвекции, т.е. посредством перемешивания воздуха. На высотах за пределами стратосферы практически невозможен управляемый аэродинамический полет.

Ионосфера

До сих пор, говоря о составе атмосферного воздуха, мы принимали во внимание только электрически нейтральные атомы и молекулы. Однако наряду с ними в атмосфере имеются заряженные частицы – атомарные и молекулярные ионы и свободные электроны. Ионов и электронов в атмосфере существенно меньше, чем нейтральных частиц.

В приземном слое атмосферы (до высоты 3-5 км) ионизацию воздуха осуществляют космические лучи и радиоактивные газы, поступающие в атмосферу из земной коры. Космические лучи являются основным ионизатором воздуха в пределах всей тропосферы и всей стратосферы.

На высотах больше 50 км (в мезосфере и термосфере) основным ионизатором атмосферы является излучение Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение). Под действием излучения происходит процесс фотоионизации.

Если буквально расшифровать термин «ионосфера» как «сфера, содержащая ионы», то следовало бы называть ионосферой всю атмосферу. Однако под ионосферой принято понимать атмосферу на высотах, начиная от 50-60 км, т. е. выше не только тропосферы, но и стратосферы.

Объяснение этому можно дать, обратившись к истории вопроса. В самом начале прошлого столетия английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный подобно своеобразному зеркалу отражать радиоволны. Его сначала назвали слоем Хэвисайда-Кеннели, а затем ионосферой.

Существование слоя, отражающего радиоволны, было экспериментально подтверждено в 20-х г. Согласно сложившимся в те годы представлениям, поверхность земного шара и ионизированный слой атмосферы выполняют роль обкладок гигантского сферического конденсатора, которые действуют на радиоволны подобно тому, как зеркала действуют на световые лучи.

Отражаясь попеременно от слоя ионосферы и от земной поверхности, радиоволны могут огибать земной шар огромными скачками в сотни и тысячи километров и таким образом преодолевать многие тысячи километров. На основе зондирования ионосферы радиоимпульсами ученые заключили, что внутри ионосферы располагаются несколько электронных зеркал – слоев, отражающих радиоволны. Эти слои обозначили в порядке постепенного удаления от поверхности Земли как D-слой, Е-слой, F-слой.

Развернувшиеся во второй половине века исследования ионосферы с помощью ракет и искусственных спутников Земли показали, что никаких сколько-нибудь выраженных ионосферных слоев не существует, а происходит монотонное изменение концентрации электронов с высотой, обнаруживающее основной максимум на высотах 300-350 км. Тот факт, что отражение радиоволн усиливается на определенных высотных участках, связан не с определенными электронными слоями-отражателями, а с изменением с высотой условий отражения. Проще говоря, разным «слоям» (разным высотам) соответствует разная физика процессов, связанных с отражением радиоволн. Поэтому сегодня, говоря об ионосфере, употребляют не термин «слой», а термин «область». Ионосферу разбивают по высоте на области:

  • от 60 км до 90 км — область D;
  • от 90 км до 150 км — область Е;
  • от 150 км до 220 км — область F1;
  • от 220 км до 450 км — область F2;
  • выше 450 км — область внешней ионосферы.

Но возвратимся к определению понятия ионосфера. Оно появилось, как было сказано, в связи с исследованиями распространения радиоволн в атмосфере. На их распространение влияет концентрация в атмосфере не ионов, а свободных электронов.

С точки зрения радиофизика ионосфера кончается там, где становится слишком малой концентрация именно свободных электронов. По мере понижения высоты, начиная от 50-60 км, концентрация свободных электронов в атмосфере начинает быстро уменьшаться вследствие «прилипания» этих электронов к нейтральным частицам (с образованием отрицательных ионов). Этот процесс происходит тем активнее, чем больше плотность воздуха. Уже на высоте около 50 км концентрация электронов составляет всего 107 м-3 , что посредством радиоволн практически не обнаруживается.

Итак, теперь мы можем привести определение понятия ионосфера. Ионосфера – это та часть верхней атмосферы, где концентрация свободных электронов достаточна, чтобы оказывать заметное влияние на распространение радиоволн. Концентрация свободных электронов должна быть выше 107 м-3.

Высотное распределение электронов в ионосфере существенно изменяется в течение суток, что вполне понятно, поскольку обусловленная солнечным излучением фотоионизация атмосферы происходит днем и отсутствует ночью. Не входя в детали, отметим, что ионосфера непрерывно изменяется.

Кроме суточных наблюдаются также другие регулярные изменения ионосферы:

  • сезонные (со сменой времен года),
  • широтные (при перемещении наблюдателя вдоль меридиана);
  • связанные с многолетними циклами солнечной активности.

Кроме того, наблюдаются нерегулярные возмущения ионосферы, обусловленные солнечными вспышками.

Снизу ионосфера ограничена высотами 50-60 км. А что следует считать верхней границей ионосферы? На этот счет нет общей договоренности, равно как и нет определенности в вопросе о верхней границе земной атмосферы. В качестве верхней границы ионосферы можно рассматривать, например, высоты, при которых начинают преобладать ионы Н+ (протоны), т.е. высоты порядка 1000 км. Область верхней ионосферы, расположенную еще выше, часто называют протоносферой. Обычно, однако, под ионосферой понимают область атмосферы до высот 500-600 км, т. е. вкладывают ионосферу в мезосферу и термосферу. Недаром иногда термосферу называют также ионосферой.

Понятно, что существование ионосферы нельзя рассматривать как результат только процессов ионизации. Ионосфера существует благодаря происходящим в ней трем основным физико-химическим процессам:

  • фотоионизации,
  • ионно-молекулярным реакциям
  • и рекомбинации.

Эти процессы соответствуют трем стадиям жизни ионов: рождению, превращениям и уничтожению. Совокупность этих процессов, их взаимодействие — все это как раз и создает разнообразие ситуаций, наблюдаемых в ионосфере.

Кроме того, важны также процессы диффузии, связанные с перемещением в пространстве электронов и ионов. Роль этих процессов относительно невелика на высотах до ~ 300 км, но возрастает при очень сильном разрежении атмосферы на высотах от 300-400 км.

Не имея возможности в данной статье углубляться в вопросы аэрономии (современной науки о строении и физико-химии верхней атмосферы Земли), не будем рассматривать диффузию, уделив внимание лишь трем упомянутым выше физико-химическим процессам.

В ионно-молекулярных реакциях в ионосфере чаще всего образуются ионы NO+ и О2+.

В реакции рекомбинации положительный ион соединяется с электроном и появляется нейтральная частица. Зачем здесь нужна некоторая третья частица, обозначенная М? Как и при всякой рекомбинации, при присоединении электрона к иону выделяется энергия, которая ранее была затрачена на ионизацию.

Частица М нужна для того, чтобы принять на себя энергию, выделившуюся при рекомбинации. Не имеет значения, что это за частица, поскольку она не претерпевает в данной реакции химического превращения.

Реакция рекомбинации является обратной по отношению к реакции фотоионизации. Здесь при соединении положительного иона с электроном рождаются нейтральная частица и фотон. Энергия, выделившаяся при рекомбинации, уносится фотоном. Понятно, почему ночью концентрация электронов в ионосфере значительно слабее, чем днем. Ведь ночью процессы фотоионизации отсутствуют, тогда как процессы рекомбинации продолжают действовать.

Северное сияние фото
Северное сияние — результат ионизации атмосферы

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.