Для чего нужна атмосфера
Атмосфера, человек и жизнь на Земле
Oн невидимый, и все же без него мы жить не можем
Каждый из нас понимает, насколько воздух необходим для жизни. Выражение «Это необходимо как воздух» можно услышать, когда говорят о чем-то очень важном для жизни человека. Мы с детства знаем, что жить и дышать — это практически одно и то же.
А Вы знаете, сколько времени человек может прожить без воздуха?
Не все люди знают, сколько воздуха они вдыхают. Оказывается, за сутки, делая около 20000 вдохов-выдохов, человек пропускает через легкие 15 кг воздуха, тогда как пищи он поглощает всего примерно 1,5 кг, а воды 2-3 кг. В то же время воздух для нас — нечто само собой разумеющееся, как восход солнца каждое утро. К сожалению, мы ощущаем его только тогда, когда его не хватает, или когда он загрязнен. Мы забываем, что все живое на Земле развиваясь в течение миллионов лет приспособилось к жизни в условиях атмосферы определенного природного состава.
Давайте посмотрим из чего состоит воздух.
И сделаем вывод: Воздух — это смесь газов. Кислорода в нем около 21 % (приблизительно 1/5 по объему), на долю азота приходится около 78 %. Остальные обязательные составные части — инертные газы (прежде всего аргон), углекислый газ, а также другие химические соединения.
Изучать состав воздуха начали в XVIII в., когда химики научились собирать газы и проводить с ними опыты. Если Вы интересуетесь историей науки, посмотрите небольшой фильм, посвященный истории открытия воздуха.
Содержащийся в воздухе кислород требуется для дыхания живых организмов. В чем состоит сущность процесса дыхания? Как известно, в процессе дыхания организм потребляет кислород воздуха. Кислород воздуха требуется для многочисленных химических реакций, которые непрерывно протекают во всех клетках, тканях и органах живых организмов. В процессе этих реакций при участии кислорода медленно «сгорают» с образованием углекислого газа те вещества, которые поступили с пищей. При этом освобождается заключенная в них энергия. За счет этой энергии организм и существует, используя ее на все функции — синтез веществ, сокращение мышц, работу всех органов и др.
В природе существуют также некоторые микроорганизмы, способные использовать в процессе жизнедеятельности азот. За счет углекислого газа, содержащегося в воздухе, происходит процесс фотосинтеза, живет биосфера Земли в целом.
Как Вы знаете, воздушная оболочка Земли называется атмосферой. Атмосфера простирается примерно на 1000 км от Земли — это своеобразный барьер между Землей и космосом. По характеру изменения температуры в атмосфере существует несколько слоев:
Атмосфера — это своеобразный барьер между Землей и космосом. Она смягчает действие космического излучения и обеспечивает на Земле условия для развития и существования жизни. Именно атмосфера первой из земных оболочек встречает солнечные лучи и поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое губительно действует на все живые организмы.
Еще одна «заслуга» атмосферы связана с тем, что она почти полностью поглощает собственное невидимое тепловое (инфракрасное) излучение Земли и возвращает большую его часть обратно. То есть атмосфера, прозрачная по отношению к солнечным лучам, в то же время представляет собой воздушное «одеяло», которое не позволяет Земле остывать. Тем самым на нашей планете поддерживается оптимальная для жизни разнообразных живых существ температура.
Состав современной атмосферы — уникальный, единственный в нашей планетной системе.
Первичная атмосфера Земли состояла из метана, аммиака и других газов. Вместе с развитием планеты атмосфера существенно изменялась. Живые организмы сыграли ведущую роль в образовании того состава атмосферного воздуха, который возник и поддерживается при их участии в настоящее время. Вы можете посмотреть более подробно историю формирования атмосферы на Земле.
Природные процессы, как потребления, так и образования компонентов атмосферы приблизительно уравновешивают друг друга, то есть обеспечивают постоянный состав газов, составляющих атмосферу.
Как Вы думаете, можно ли считать воздух неиссякаемым и возобновляемым природным достоянием?
Без хозяйственной деятельности человека природа справляется с такими явлениями, как поступление в атмосферу вулканических газов, дыма от природных пожаров, пыли от природных пыльных бурь. Эти выбросы рассеиваются в атмосфере, оседают или выпадают на поверхность Земли с осадками. За них принимаются почвенные микроорганизмы, и в конце концов перерабатывают их в углекислый газ, сернистые и азотные соединения почвы, то есть в «обычные» компоненты воздуха и почвы. В этом и заключается причина того, что атмосферный воздух имеет в среднем постоянный состав. С появлением человека на Земле сначала постепенно, затем бурно и в настоящее время угрожающе начался процесс изменения газового состава воздуха и разрушения природной устойчивости атмосферы. Около 10 000 лет назад люди научились пользоваться огнем. К природным источникам загрязнения прибавились продукты сгорания различного вида топлива. Вначале это были древесина и другие виды растительного материала.
В настоящее время больше всего вреда атмосфере приносит искусственно произведенное топливо — продукты переработки нефти (бензин, керосин, соляровое масло, мазут) и синтетическое топливо. Сгорая, они образуют оксиды азота и серы, угарный газ, тяжелые металлы и другие ядовитые вещества неприродного происхождения (загрязнители).
Почему троллейбус и трамвай считаются экологически чистыми видами транспорта по сравнению с автобусом?
Не вызывает сомнения прямая связь повышения содержания вредных веществ в атмосфере с ростом аллергических заболеваний и болезней органов дыхания, а также рядом других заболеваний.
Необходимы серьезные меры в связи с возрастанием в городах количества автомобилей, планируемым в ряде городов России развитием промышленности, что неизбежно увеличит количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Посмотрите, как решаются проблемы чистоты атмосферного воздуха в «зеленой столице Европы» — Стокгольме.
Комплекс мероприятий для улучшения качества воздуха должен непременно включать улучшение экологических характеристик автомобилей; строительство системы газоочистки на промышленных предприятиях; использование природного газа, а не угля, как топлива на предприятиях энергетики. Сейчас в каждой развитой стране существует служба контроля за состоянием чистоты воздуха в городах и промышленных центрах, что несколько улучшило сложившуюся скверную ситуацию. Так, в Санкт-Петербурге действует автоматизированная система мониторинга атмосферного воздуха Санкт-Петербурга (АСМ). Благодаря ей не только органы государственной власти и местного самоуправления, но и жители города могут узнавать о состоянии атмосферного воздуха.
На здоровье жителей Санкт-Петербурга — мегаполиса с развитой сетью транспортных магистралей — оказывают влияние, в первую очередь, основные загрязняющие вещества: оксид углерода, оксид азота, диоксид азота, взвешенные вещества (пыль), диоксид серы, которые поступают в атмосферный воздух города от выбросов предприятий теплоэнергетики, промышленности, и от транспорта. В настоящее время доля выбросов от автотранспорта составляет 80% от общего объема выбросов основных загрязняющих веществ. (По экспертным оценкам, более чем в 150 городах России преобладающее влияние на загрязнение воздушного бассейна оказывает именно автотранспорт).
А как обстоят дела в вашем городе? Как Вы думаете, что можно и нужно делать, чтобы воздух в наших городах стал чище?
Здесь помещена информация об уровне загрязнения атмосферного воздуха в районах расположения станций АСМ на территории Санкт-Петербурга.
Надо сказать, что в Санкт-Петербурге отмечена тенденция к уменьшению выбросов загрязнителей в атмосферу, однако причины этого явления связаны преимущественно с уменьшением количества работающих предприятий. Понятно, что с экономический точки зрения это не лучший способ снижения загрязнения.
Сделаем выводы.
Воздушная оболочка Земли — атмосфера — необходима для существования жизни. Газы, входящие в состав воздуха, участвуют в таких важных процессах, как дыхание, фотосинтез. Атмосфера отражает и поглощает солнечную радиацию и таким образом защищает живые организмы от губительных рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Углекислый газ удерживает тепловое излучение земной поверхности. Атмосфера Земли уникальна! От нее зависят наше здоровье и жизнь.
Человек бездумно накапливает в атмосфере отходы своей деятельности, что вызывает серьезные экологические проблемы. Нам всем необходимо не только осознавать свою ответственность за состояние атмосферы, но и по мере сил, делать то, что мы можем, для сохранения чистоты воздуха, основы нашей жизни.
Зачем Земле нужна атмосфера
Атмосфера Земли настолько огромна и настолько далеко уходит за пределы нашей планеты, что даже влияет на траекторию полета МКС. Но как образовался этот гигантский газообразный кокон? То есть, зачем вообще Земле нужна атмосфера?
«Мы считаем, что Земля возникла с атмосферой, немного похожей на атмосферу Венеры: с азотом, углекислым газом, и, может быть, метаном», — рассказал Джереми Фрей, профессор физической химии в Университете Саутгемптона в Великобритании. «Тогда каким-то образом зародилась жизнь, причем, скорее всего, это произошло где-нибудь на дне океана», — добавил он.
Спустя примерно 3 миллиарда лет система фотосинтеза эволюционировала. Это значит, что одноклеточные организмы использовали энергию Солнца, чтобы превратить молекулы углекислого газа и воды в сахар и газообразный кислород, что резко повысило его уровень, пояснил Фрей в интервью Live Science.
В настоящее время, по его словам, атмосфера Земли на 80% состоит из азота и на 20% — из кислорода. Помимо этого, в ней содержится аргон, углекислый газ, водяной пар и многие другие газы.
«И хорошо, что эти газы есть», — сказал ученый. Наша атмосфера защищает Землю от интенсивного солнечного излучения и экстремально низких температур, действуя как одеяло, обернутое вокруг планеты.
Тем временем, эффект парниковых газов означает, что солнечный свет, который достигает поверхности Земли, поглощается ею. В дальнейшем разогретая поверхность отдает эту энергию обратно в атмосферу, часть которой остается там, поглощенная углекислым газом. Без парникового эффекта температура на Земле была бы ниже нуля.
Интересно, что ни на одной другой планете во Вселенной нет такой атмосферы, как у Земли. Небольшая атмосфера есть у Марса и Венеры, но она не в состоянии поддерживать жизнь на планетах (или, по крайней мере, жизнь, похожую на земную), поскольку ей не хватает кислорода.
Например, атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа с облаками серной кислоты, «воздух» настолько густой и горячий, что никто не может им дышать. Согласно NASA, плотная оболочка вокруг Венеры удерживает тепло, создавая экстремальный парниковый эффект, что делает ее самой горячей планетой в нашей Солнечной системе. Температура поверхности там достаточно высокая, чтобы расплавить свинец.
«Тот факт, что у Земли есть атмосфера, чрезвычайно необычен, поскольку он делает нашу планету абсолютно уникальной», — сказал Фрей. Например, давление на Венере составляет около 90 атмосфер, что эквивалентно погружению на глубину 914 метров в океан на Земле.
«Российские космические корабли, которые летели туда [на Венеру], смогли проработать всего несколько секунд, а затем погибли», — добавил ученый. «Никто никогда не понимал, насколько там действительно жарко».
По словам Фрея, атмосфера важна для зарождения жизни.
«Планета создала атмосферу и создала условия для возникновения и развития жизни. Эта оболочка является неотъемлемой частью биологической системы», — заключил он.
Для чего нужна атмосфера
АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Данная проблема заинтересовала и я решил сделать исследовательскую работу: «Атмосфера Земли».
Цель работы : изучение атмосферы Земли
Задачи работы:
Изучить историю покорения человеком атмосферы.
Составить 10 фактов для школьника об атмосфере Земли
Изучить влияние деятельности человека на состав атмосферы.
Методы исследования: анализ, классификация, сопоставление и сравнение, анкетирование
2. Основная часть
2.1. Историческая справка «Покорение человеком атмосферы»
30 июня 1901 г. профессорами Берсоном и Сюрингом из Берлинского общества воздухоплавания был установлен первый официальный рекорд высоты полета для аэростата: поднялись на высоту 10 800 метров. (Примечание. Область атмосферы – тропосфера)
«Экипаж первого советского стратостата выполнил поставленную перед ним задачу и сообщает о благополучном завершении подъема стратостата «СССР» на высоту 19000 м (по приборам). Экипаж готов к дальнейшей работе по овладению стратосферой.
Командир стратостата «СССР» Прокофьев. Пилот Бирнбаум. Инженер Годунов.»
2.2. Атмосфера Земли: ее состав и строение
Главные составные части атмосферы:
Что такое атмосфера, его значение для жизни
XX век заставил людей много говорить об атмосфере. И не только потому, что наши знания ширились и углублялись. Постепенно основной острой темой стало загрязнение.
Атмосфера (Фото из открытого источника)
В XXI век человечество шагнуло уже с очень серьезными проблемами и даже угрозой гибели живого на Земле. Но почему атмосфера так важна для людей, какую роль играет в существовании планеты и что из себя представляет – разберемся.
Что такое атмосфера
Это газовая оболочка, которая окружает небесные тела. Атмосфера – не прерогатива Земли. В Солнечной системе газовый слой присутствует у всех планет. Исключение составляет только Меркурий. Особенно толстый слой атмосферы окружает так называемые газовые планеты. Удерживается она за счет силы притяжения.
Планета Земля (Фото из открытого источника)
Определить на глаз, что конкретно в этом месте заканчивается слой атмосферы и начинается межпланетное пространство, невозможно.
Поэтому под этим названием понимают область вокруг планеты (или другого небесного тела), в которой газ вращается вместе с родным космическим телом.
По сути, получается крепкая единая связка.
Поскольку речь в статье идет о земной атмосфере, рассмотрим подробно ее строение. Газовая оболочка не однородна, ученые выделяют отдельные слои. Каждый играет собственную роль и отличается составом.
Состав
Самый удаленный слой, непосредственно граничащий с межпланетным пространством, – экзосфера. В нее попадают, если поднимаются на высоту около 1.000 километров. По сути, это уже внешний слой. Здесь отдельные частицы движутся очень быстро. Плюс сила притяжения снижается, поэтому они способны покидать границы атмосферы и улетать в космос.
Северное сияние (Фото из открытого источника)
Ниже расположена ионосфера, которая считается верхним слоем. Начинается с 80 километров. Это область «обитания» заряженных частиц. Здесь происходят резкие и серьезные магнитные колебания. Чудесные северные сияния, наблюдаемые с поверхности Земли в некоторых регионах, тоже играют красками в ионосфере.
Далее следует мезосфера. Это разреженный слой, расположенный на отметке в 80 километров.
Начиная с 8 километров и до 55 (это максимально широкие границы, в некоторых местах слой намного уже) распространяется стратосфера. Здесь лежит слой озона, о котором речь пойдет далее. На долю стратосферы приходится пятая часть массы земной атмосферы.
Тропосфера – слой, с которым контактируют все люди. Ее высота от 8 до 16 километров. Именно ее воздухом мы дышим, здесь формируются осадки и концентрируется весь водяной пар. Воздух может перемещаться во всех направлениях (вертикально и горизонтально).
Из сказанного выше понятно, что толщина слоев атмосферы не одинакова в разных частях планеты. Плюс она изменяется в зависимости от многих условий.
Атмосфера – один из важнейших факторов зарождения, развития и сохранения жизни на Земле. Без нее чуда жизни на планете никогда бы не случилось. Так чем же она так уникальна, почему нужна и требует бережного отношения?
Люди дышат воздухом
Многоклеточные животные не могут существовать без кислорода. Если взять слои атмосферы, включая тропосферу, то в них будет 20% этого ценнейшего газа. Около 80% приходится на азот, в гораздо более незначительных количествам присутствуют аргон, углекислый газ, совсем немного озона и инертных газов.
Считается, что жизнь на планете зародилась в виде бактерий, поглощающих азот. Затем появились микроорганизмы и растения, активно выделяющие кислород как побочный продукт. Близкие к окружающим нас сейчас формы жизни появились после того, как концентрация кислорода достигла всего одного процента.
Вид на Землю с космоса (Фото из открытого источника)
Указанная выше доля углекислого газа в атмосфере кажется ничтожной. Но сейчас она неуклонно увеличивается. И причина тому – деятельность человека.
Надо понимать, если газа станет всего на 0,1 процента больше, животные не смогут дышать, здоровье же людей окажется под угрозой.
Озоновый щит
Солнце необходимо для жизни на планете. Но оно же легко может погубить все живое. Между нами и смертоносным излучением стоит тонкий озоновый слой. Именно он поглощает и отражает вредные ультрафиолетовые лучи и радиацию, пропускает только нужное.
Кстати, благодаря озону мы видим голубое небо. Дело в том, что из всей видимой части спектра меньше всего поглощается голубой. Если подниматься вертикально, то при удалении от планеты небо постепенно темнеет. В космосе оно совершенно черное. Сама атмосфера прозрачна, поэтому мы можем хорошо видеть окружающий мир.
Согревающая шуба
Если бы не было атмосферы, температура на планете была бы крайне некомфортной. Нагреваясь, поверхность Земли начинает отдавать тепло обратно. Логично предположить, что это вызвало бы охлаждение. Однако этого не происходит. Здесь в игру вступает углекислый газ, а также мельчайшие частицы водяного пара. Именно они улавливают инфракрасное излучение и возвращают его обратно. В результате температура на Земле остается постоянной, зависит только от перемен времен года, то есть интенсивности солнечного излучения.
Поверхность Земли (Фото из открытого источника)
Отсюда становится понятной схема развития «парникового эффекта». Если доля углекислого газа увеличивается, нагрев земной поверхности происходит более интенсивно. Далее следуют изменения климата и соответствующие реакции планеты на происходящее.
Добавим, что озоновый слой подвержен разрушению. На него воздействуют химические вещества, в избытке вырабатываемые промышленностью.
Земной щит
Падение метеорита на землю кажется нам чем-то экстраординарным. Но на самом деле, каждый год на планету летят тонны мусора и космических тел разных размеров. Очень редко они производят разрушения. В большинстве случаев сгорают на подлете к поверхности или распадаются на незначительные фрагменты.
Приближение метеорита (Фото используется по стандартной лицензии ©iplanets.ru)
Атмосфера только кажется невесомой. На самом деле, сила трения космического тела, влетающего в нее на огромной скорости, очень велика. Оно мгновенно раскаляется и буквально сгорает, не успевая нанести живым существам никакого вреда.
Как видно, без атмосферы невозможно существование на Земле. Но и при любых изменениях состава газовой оболочки жизнь попадет под угрозу.
Поэтому ученые и общественные активисты так рьяно выступают за принятие законов и программ по сохранению окружающей среды. Пришло время внести свой вклад в наше общее будущее.
Атмосфера Земли
Атмосфера Земли — это газовая оболочка нашей планеты, простирающаяся до тысячи километров ввысь над поверхностью планеты. Она характеризуется высокой динамичностью, физической неоднородностью и уязвимостью к биологическим факторам. На протяжении миллиардов лет истории атмосферы Земли, именно живые существа сильнее всего изменяли ее состав.
Основные свойства атмосферы Земли
Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.
Горение метеоров — один из подарков нашей атмосферы
Масса атмосферы составляет 5,2×10 18 килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).
Состав атмосферы Земли. История развития
Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!
Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад:
Молодая Земля значительно отличалась от своего современного облика. Круглые «озера» — это кратеры от ударов многочисленных метеоритов, которые без труда проникали сквозь тонкую атмосферу.
Вулканы — одни из главных участников формирования атмосферы
Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.
Известняк с останками древних безпозвоночных организмов
Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.
Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.
Смог над Китаем, вид из космоса
Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.
Структура атмосферы
Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных:
Тропосфера
Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.
Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.
Слои атмосферы из космоса. Самый нижний, оранжевый слой — тропосфера.
Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».
Круговорот воды в природе
Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.
Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.
В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.
Вид на Землю из стратосферы. Облака сверху выглядят даже меньшими, чем снизу
Жизнь и человек в стратосфере
Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.
Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.
Конкорд — пассажирский сверхзвуковой самолет
Читателю уже наверняка известно, что вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысяч метров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.
Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).
Алан Юстас в скафандре. Прыжок был совершен только в защитном костюме — без герметических капсул и прочих защитных мер.
Озоновый слой
А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.
Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O2, получается озон — O3.
Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.
Фиолетовый жидкий озон и синий кислород при температуре ниже –180°C
Мезосфера
Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.
Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.
Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).
А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.
Персеиды. Снято в 2015 году
Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.
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 незримо 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!
Шаттл на линии Кармана. На фото отчетливо видны все слои атмосферы
Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? 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.
Термосфера и космонавтика
Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.
Корабль Восток-1 на орбите в представлении художника
Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.
Полярные сияния
В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.
Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.
Полярное сияние из МКС
Экзосфера
Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.
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.
Спутник Google Maps. Аппараты для крупномасштабной съемки обычно находятся на орбитах внутри экзосферы
Выветривание атмосферы
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. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.
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/м 3 — а так как облака достигают объема в несколько кубических километров, масса воды в них исчисляется десятками и сотнями тонн.
Разнообразные классы облаков
Облака — это самое заметное образование нашей Земли; они видны даже с Луны, где очертания континентов размываются перед невооруженным глазом. И это не странно — ведь тучами постоянно покрыто больше 50% Земли!
В теплообмене Земли облака играют невероятно важную роль. Зимой они захватывают солнечные лучи, повышая температуру под собой за счет парникового эффекта, а летом экранируют громадную энергию Солнца. Также облака уравновешивают перепады температуры между днем и ночью. К слову, именно из-за их отсутствия пустыни так сильно остывают ночью — все накопленное песком и скалами тепло беспрепятственно улетает ввысь, когда в других регионах его удерживают тучи.
Преобладающее большинство туч формируются у поверхности Земли, в тропосфере, однако в своем дальнейшем развитии они принимают самые разнообразные формы и свойства. Их разделение весьма полезно — появление туч различных видов может не только помочь предсказывать погоду, но и определять наличие примесей в воздухе! Давайте рассмотрим основные типы облаков подробнее.
Облака нижнего яруса
Тучи, которые опускаются ниже всего над землей, относят к облакам нижнего яруса. Им характерна высокая однородность и низкая масса — когда они опускаются на землю, ученые-метеорологи не отделяют их от обычного тумана. Тем не менее разница между ними есть — одни просто заслоняют небо, а другие могут разразиться большими дождями и снегопадами.
Облака вертикального развития
У туч нижнего яруса есть старшие братья — облака вертикального развития. Хотя их нижняя граница пролегает на небольшой высоте в 800–2000 километров, облака вертикального развития серьезно устремляются вверх — их толщина может достигать 12–14 километров, что подталкивает их верхний предел к границам тропосферы. Еще такие облака называют конвективными: из-за больших размеров вода в них приобретает разную температуру, что порождает конвекцию — процесс перемещения горячих масс наверх, и холодных — вниз. Поэтому в облаках вертикального развития одновременно существуют водный пар, мелкие капельки, снежинки и даже целые кристаллы льда.
Большое кучево-дождевое облако
Облака среднего яруса
В промежуточной части тропосферы (на высоте от 2–7 километров в средних широтах) находятся облака среднего яруса. Им свойственны большие площади — на них меньше влияют восходящие потоки от земной поверхности и неровности ландшафта — и небольшая толщина в несколько сот метров. Это те облака, которые «наматываются» вокруг острых пиков гор и зависают возле них.
Сами облака среднего яруса делятся на два основных типа — высокослоистые и высококучевые.
Высококучевые и высокослоистые облака
К слову о тучах возле гор — на фотографиях (а, может, и вживую) вы наверняка не раз видели круглые облака, напоминающие ватные диски, которые зависают слоями над горной вершиной. Дело в том, что облака среднего яруса часто бывают лентикулярными или линзовидными — разделенными на несколько параллельных слоев. Их создают воздушные волны, образующиеся при обтекании ветром крутых пиков. Линзовидные тучи также особенны тем, что висят на месте даже при самом сильном ветре. Это делает возможным их природа — поскольку такие облака создаются в местах контакта нескольких воздушных потоков, они находятся в относительно стабильной позиции.
Лентикулярные облака над горой Фудзи, Япония
Облака верхнего яруса
Последний уровень обычных туч, которые поднимаются до нижних пределов стратосферы, называется верхним ярусом. Высота таких облаков достигает 6–13 километров — там очень холодно, и потому облака на верхнем ярусе состоят из мелких льдинок. Из-за их волокнистой растянутой формы, напоминающей перья, высокие облака также называются перистыми — хотя причуды атмосферы часто придают им форму когтей, хлопьев и даже рыбьих скелетов. Осадки, которые образуются с них, никогда не достигают земли — но само присутствие перистых облаков служит древним способом предсказывать погоду.
Серебристые облака
В отдельный класс стоит выделить серебристые облака — самые высокие тучи на Земле. Они забираются на высоту 80 километров, что даже выше стратосферы! Кроме того, они имеют необычный состав — в отличие от других облаков, они состоят из метеоритной пыли и метана, а не воды. Эти тучи видны только после заката или перед рассветом — лучи Солнца, проникающие из-за горизонта, подсвечивают серебристые облака, которые в течение дня остаются невидимыми на высоте.
Серебристые облака представляют собой невероятно красивое зрелище — однако чтобы увидеть их в Северном полушарии, нужны особые условия. А еще их загадку было не так просто разгадать — ученые в бессилии отказывались в них верить, объявляя серебристые тучи оптической иллюзией. Посмотреть на необычные облака и узнать о их секретах вы можете из нашей специальной статьи.
Атмосфера Земли в астрономии
В заглавной статье мы упоминали о том, что Земля служит главным инструментом познания других миров. Не является исключением и ее атмосфера — сопоставляя земные и инопланетные явления, астрономы узнают древнюю историю близких и не очень планет.
К примеру, цвет атмосферы других планет открывает нам тайны ее состава. Атмосфера Марса имеет такой же красный оттенок, как и его поверхность. Это связано с тем, что доминирующий газ на Марсе — это углекислый газ. То же самое касается экзопланет. Анализируя их цветовой спектр, мы можем узнать о составе атмосферы — даже не представляя, как планета выглядит.
А состав атмосферы, как мы знаем, может многое рассказать нам о планете. Если много углекислого газа — значит, на планете бушуют вулканы и происходят активные геологические процессы. Водные пары в атмосфере не гарантируют океанов на поверхности, но зато являются источником кислорода. А существующий избыток кислорода является почти стопроцентной гарантией наличие жизни. Ведь мы с вами уже знаем, что кислород из неживых источников сразу же тратится на химические реакции, и для его накапливания требуется биотический источник.
На Марсе тоже есть атмосфера и даже облака
А еще атмосфера оставляет ярко выраженные следы на поверхности Земли. Признаки ветровой эрозии остаются даже после того, как космический объект потеряет свою атмосферу. Сравнивая инопланетные и Земные ландшафты, можно с точностью определить их историю — так, теоретические изыскания, сделанные по спутниковым снимкам рельефа Марса, нашли свое подтверждение во время работы марсоходов.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!