La composición del diagrama de la atmósfera terrestre. La atmósfera es la capa de aire de la Tierra. Distribución de la presión barométrica

La capa de aire que rodea a nuestro planeta y gira con él se llama atmósfera. La mitad de la masa total de la atmósfera se concentra en los 5 km inferiores y las tres cuartas partes de la masa en los 10 km inferiores. Arriba, el aire está muy enrarecido, aunque sus partículas se encuentran a una altitud de 2000-3000 km sobre la superficie terrestre.

El aire que respiramos es una mezcla de gases. Sobre todo contiene nitrógeno - 78% y oxígeno - 21%. El argón es menos del 1% y el 0,03% es dióxido de carbono. Numerosos otros gases, como el criptón, el xenón, el neón, el helio, el hidrógeno, el ozono y otros, constituyen milésimas y millonésimas de un porcentaje. El aire también contiene vapor de agua, partículas de diversas sustancias, bacterias, polen y polvo cósmico.

La atmósfera está formada por varias capas. La capa inferior hasta una altura de 10 a 15 km sobre la superficie de la Tierra se llama troposfera. Se calienta desde la Tierra, por lo que la temperatura del aire aquí con altura desciende 6 ° C por 1 kilómetro de ascenso. Casi todo el vapor de agua está en la troposfera y casi todas las nubes se forman - nota .. La altura de la troposfera en diferentes latitudes del planeta no es la misma. Se eleva hasta 9 km sobre los polos, hasta 10-12 km sobre latitudes templadas y hasta 15 km sobre el ecuador. Los procesos que ocurren en la troposfera -la formación y movimiento de masas de aire, la formación de ciclones y anticiclones, la aparición de nubes y precipitaciones- determinan el tiempo y el clima cerca de la superficie terrestre.

Por encima de la troposfera se encuentra la estratosfera, que se extiende hasta 50-55 km. La troposfera y la estratosfera están separadas por una capa de transición llamada tropopausa, de 1 a 2 km de espesor. En la estratosfera a una altitud de unos 25 km, la temperatura del aire comienza a aumentar gradualmente y alcanza + 10 +30 °С a 50 km. Tal aumento de la temperatura se debe al hecho de que hay una capa de ozono en la estratosfera a altitudes de 25-30 km. En la superficie de la Tierra, su contenido en el aire es insignificante y, en altitudes elevadas, las moléculas diatómicas de oxígeno absorben la radiación solar ultravioleta, formando moléculas triatómicas de ozono.

Si el ozono estuviera situado en las capas inferiores de la atmósfera, a una altura con presión normal, el espesor de su capa sería de tan solo 3 mm. Pero incluso en una cantidad tan pequeña, juega un papel muy importante: absorbe parte de la radiación solar dañina para los organismos vivos.

Por encima de la estratosfera, hasta unos 80 km, se extiende la mesosfera, en la que la temperatura del aire desciende con la altura hasta varias decenas de grados bajo cero.

La parte superior de la atmósfera se caracteriza por temperaturas muy altas y se llama termosfera - nota .. Se divide en dos partes - la ionosfera - hasta una altura de unos 1000 km, donde el aire está altamente ionizado, y la exosfera - más de 1000 km. En la ionosfera, las moléculas de gas atmosférico absorben la radiación ultravioleta del Sol y se forman átomos cargados y electrones libres. Las auroras se observan en la ionosfera.

La atmósfera juega un papel muy importante en la vida de nuestro planeta. Protege a la Tierra del fuerte calentamiento de los rayos solares durante el día y de la hipotermia durante la noche. La mayoría de los meteoritos se queman en las capas atmosféricas antes de llegar a la superficie del planeta. La atmósfera contiene oxígeno, necesario para todos los organismos, un escudo de ozono que protege la vida en la Tierra de la parte nociva de la radiación ultravioleta del Sol.

ATMÓSFERAS DE LOS PLANETAS DEL SISTEMA SOLAR

La atmósfera de Mercurio está tan enrarecida que, se podría decir, es prácticamente inexistente. La envoltura de aire de Venus consiste en dióxido de carbono (96%) y nitrógeno (alrededor del 4%), es muy densa: la presión atmosférica cerca de la superficie del planeta es casi 100 veces mayor que en la Tierra. La atmósfera marciana también se compone principalmente de dióxido de carbono (95%) y nitrógeno (2,7%), pero su densidad es unas 300 veces menor que la de la Tierra y su presión es casi 100 veces menor. La superficie visible de Júpiter es en realidad la capa superior de una atmósfera de hidrógeno y helio. Las capas de aire de Saturno y Urano tienen la misma composición. El hermoso color azul de Urano se debe a la alta concentración de metano en la parte superior de su atmósfera, aproximadamente. Neptuno, envuelto en una neblina de hidrocarburos, tiene dos capas principales de nubes: una consiste en cristales de metano congelados y la segunda, ubicado debajo, contiene amoníaco y sulfuro de hidrógeno.

La composición de la tierra. Aire

El aire es una mezcla mecánica de varios gases que componen la atmósfera terrestre. El aire es esencial para la respiración de los organismos vivos y se utiliza ampliamente en la industria.

El hecho de que el aire es una mezcla, y no una sustancia homogénea, se demostró durante los experimentos del científico escocés Joseph Black. Durante uno de ellos, el científico descubrió que cuando se calienta la magnesia blanca (carbonato de magnesio), se libera "aire atado", es decir, dióxido de carbono, y se forma magnesia (óxido de magnesio) quemada. Por el contrario, cuando se quema piedra caliza, se elimina el "aire aglutinado". Con base en estos experimentos, el científico concluyó que la diferencia entre los álcalis carbónicos y cáusticos es que los primeros incluyen dióxido de carbono, que es uno de los componentes del aire. Hoy sabemos que además del dióxido de carbono, la composición del aire terrestre incluye:

La proporción de gases en la atmósfera terrestre indicada en la tabla es típica para sus capas inferiores, hasta una altura de 120 km. En estas áreas se encuentra una región homogénea bien mezclada, llamada homosfera. Por encima de la homosfera se encuentra la heterosfera, que se caracteriza por la descomposición de las moléculas de gas en átomos e iones. Las regiones están separadas entre sí por una turbopausa.

La reacción química en la que, bajo la influencia de la radiación solar y cósmica, las moléculas se descomponen en átomos, se denomina fotodisociación. Durante la descomposición del oxígeno molecular, se forma oxígeno atómico, que es el principal gas de la atmósfera a altitudes superiores a los 200 km. A altitudes superiores a los 1200 km, comienzan a predominar el hidrógeno y el helio, que son los gases más livianos.

Dado que la mayor parte del aire se concentra en las 3 capas atmosféricas inferiores, los cambios en la composición del aire a altitudes superiores a 100 km no tienen un efecto notable en la composición general de la atmósfera.

El nitrógeno es el gas más común y representa más de las tres cuartas partes del volumen de aire de la Tierra. El nitrógeno moderno se formó por la oxidación de la atmósfera primitiva de amoníaco-hidrógeno con oxígeno molecular, que se forma durante la fotosíntesis. Actualmente, una pequeña cantidad de nitrógeno ingresa a la atmósfera como resultado de la desnitrificación, el proceso de reducción de nitratos a nitritos, seguido de la formación de óxidos gaseosos y nitrógeno molecular, que es producido por procariotas anaeróbicos. Parte del nitrógeno entra en la atmósfera durante las erupciones volcánicas.

En la atmósfera superior, cuando se expone a descargas eléctricas con la participación de ozono, el nitrógeno molecular se oxida a monóxido de nitrógeno:

N 2 + O 2 → 2NO

En condiciones normales, el monóxido reacciona inmediatamente con el oxígeno para formar óxido nitroso:

2NO + O2 → 2N2O

El nitrógeno es el elemento químico más importante en la atmósfera terrestre. El nitrógeno forma parte de las proteínas, proporciona nutrición mineral a las plantas. Determina la velocidad de las reacciones bioquímicas, desempeña el papel de un diluyente de oxígeno.

El oxígeno es el segundo gas más abundante en la atmósfera terrestre. La formación de este gas está asociada a la actividad fotosintética de plantas y bacterias. Y cuanto más diversos y numerosos eran los organismos fotosintéticos, más significativo se volvía el proceso de contenido de oxígeno en la atmósfera. Una pequeña cantidad de oxígeno pesado se libera durante la desgasificación del manto.

En las capas superiores de la troposfera y la estratosfera, bajo la influencia de la radiación solar ultravioleta (la denotamos como hν), se forma ozono:

O 2 + hν → 2O

Como resultado de la acción de la misma radiación ultravioleta, el ozono se descompone:

O 3 + hν → O 2 + O

O 3 + O → 2O 2

Como resultado de la primera reacción, se forma oxígeno atómico, como resultado de la segunda: oxígeno molecular. Las 4 reacciones se denominan mecanismo de Chapman, en honor al científico británico Sidney Chapman, quien las descubrió en 1930.

El oxígeno se utiliza para la respiración de los organismos vivos. Con su ayuda, ocurren los procesos de oxidación y combustión.

El ozono sirve para proteger a los organismos vivos de la radiación ultravioleta, que provoca mutaciones irreversibles. La mayor concentración de ozono se observa en la estratosfera inferior dentro de la denominada. capa de ozono o pantalla de ozono situada a altitudes de 22-25 km. El contenido de ozono es pequeño: a presión normal, todo el ozono de la atmósfera terrestre ocuparía una capa de sólo 2,91 mm de espesor.

La formación del tercer gas más común en la atmósfera, el argón, así como el neón, el helio, el criptón y el xenón, está asociada con las erupciones volcánicas y la descomposición de elementos radiactivos.

En particular, el helio es un producto de la desintegración radiactiva del uranio, el torio y el radio: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (en estas reacciones, el α- partícula es un núcleo de helio, que en el proceso de pérdida de energía captura electrones y se convierte en 4 He).

El argón se forma durante la desintegración del isótopo radiactivo de potasio: 40 K → 40 Ar + γ.

El neón se escapa de las rocas ígneas.

El criptón se forma como producto final de la descomposición del uranio (235 U y 238 U) y el torio Th.

La mayor parte del criptón atmosférico se formó en las primeras etapas de la evolución de la Tierra como resultado de la descomposición de elementos transuránicos con una vida media fenomenalmente corta o provino del espacio, cuyo contenido de criptón es diez millones de veces mayor que en la Tierra. .

El xenón es el resultado de la fisión del uranio, pero la mayor parte de este gas queda de las primeras etapas de la formación de la Tierra, de la atmósfera primaria.

El dióxido de carbono ingresa a la atmósfera como resultado de erupciones volcánicas y en el proceso de descomposición de la materia orgánica. Su contenido en la atmósfera de las latitudes medias de la Tierra varía mucho según las estaciones del año: en invierno aumenta la cantidad de CO 2 y en verano disminuye. Esta fluctuación está relacionada con la actividad de las plantas que utilizan dióxido de carbono en el proceso de fotosíntesis.

El hidrógeno se forma como resultado de la descomposición del agua por la radiación solar. Pero, al ser el más ligero de los gases que componen la atmósfera, escapa constantemente al espacio exterior, y por tanto su contenido en la atmósfera es muy reducido.

El vapor de agua es el resultado de la evaporación del agua de la superficie de lagos, ríos, mares y tierra.

La concentración de los principales gases en las capas inferiores de la atmósfera, a excepción del vapor de agua y el dióxido de carbono, es constante. En pequeñas cantidades, la atmósfera contiene óxido de azufre SO 2, amoníaco NH 3, monóxido de carbono CO, ozono O 3, cloruro de hidrógeno HCl, fluoruro de hidrógeno HF, monóxido de nitrógeno NO, hidrocarburos, vapor de mercurio Hg, yodo I 2 y muchos otros. En la capa atmosférica inferior de la troposfera, hay constantemente una gran cantidad de partículas sólidas y líquidas en suspensión.

Las fuentes de partículas en la atmósfera terrestre son las erupciones volcánicas, el polen de las plantas, los microorganismos y, más recientemente, las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles en los procesos de fabricación. Las partículas más pequeñas de polvo, que son los núcleos de condensación, son las causantes de la formación de nieblas y nubes. Sin partículas sólidas constantemente presentes en la atmósfera, la precipitación no caería sobre la Tierra.

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Límite de la atmósfera

Se considera atmósfera a aquella zona alrededor de la Tierra en la que el medio gaseoso gira junto con la Tierra en su conjunto. La atmósfera pasa gradualmente al espacio interplanetario, en la exosfera, comenzando a una altitud de 500-1000 km desde la superficie de la Tierra.

Según la definición propuesta por la Federación Internacional de Aviación, el límite entre la atmósfera y el espacio se traza a lo largo de la línea Karmana, situada a una altitud de unos 100 km, por encima de la cual los vuelos aéreos se vuelven completamente imposibles. La NASA utiliza la marca de 122 kilómetros (400 000 pies) como el límite de la atmósfera, donde los transbordadores cambian de maniobras motorizadas a maniobras aerodinámicas.

Propiedades físicas

Además de los gases enumerados en la tabla, la atmósfera contiene Cl 2 (\displaystyle (\ce (Cl2))) , SO 2 (\displaystyle (\ce (SO2))) , NH 3 (\displaystyle (\ce (NH3))) , CO (\displaystyle ((\ce (CO)))) , O 3 (\displaystyle ((\ce (O3)))) , NO2 (\displaystyle (\ce (NO2))), hidrocarburos , HCl (\displaystyle (\ce (HCl))) , HF (\ estilo de visualización (\ ce (HF))) , HBr (\displaystyle (\ce (HBr))) , Hola (\displaystyle ((\ce (HI)))), parejas Hg (\displaystyle (\ce (Hg))) , Yo 2 (\displaystyle (\ce (I2))) , Br 2 (\displaystyle (\ce (Br2))), así como muchos otros gases en pequeñas cantidades. En la troposfera hay constantemente una gran cantidad de partículas sólidas y líquidas en suspensión (aerosol). El gas más raro en la atmósfera terrestre es Rn (\ estilo de visualización (\ ce (Rn))) .

La estructura de la atmósfera.

capa límite de la atmósfera

La capa inferior de la troposfera (1-2 km de espesor), en la que el estado y las propiedades de la superficie de la Tierra afectan directamente la dinámica de la atmósfera.

Troposfera

Su límite superior se encuentra a una altitud de 8-10 km en latitudes polares, 10-12 km en templadas y 16-18 km en latitudes tropicales; menor en invierno que en verano.
La capa principal inferior de la atmósfera contiene más del 80% de la masa total de aire atmosférico y alrededor del 90% de todo el vapor de agua presente en la atmósfera. La turbulencia y la convección están fuertemente desarrolladas en la troposfera, aparecen nubes, se desarrollan ciclones y anticiclones. La temperatura disminuye con la altitud con un gradiente vertical promedio de 0,65°/100 metros.

tropopausa

La capa de transición de la troposfera a la estratosfera, la capa de la atmósfera en la que se detiene la disminución de la temperatura con la altura.

Estratosfera

La capa de la atmósfera situada a una altitud de 11 a 50 km. Un ligero cambio de temperatura en la capa de 11-25 km (capa inferior de la estratosfera) y su aumento en la capa de 25-40 km de menos 56,5 a más 0,8 °C (estratosfera superior o región de inversión) son típicos. Habiendo alcanzado un valor de unos 273 K (casi 0 °C) a una altitud de unos 40 km, la temperatura permanece constante hasta una altitud de unos 55 km. Esta región de temperatura constante se llama estratopausa y es el límite entre la estratosfera y la mesosfera.

estratopausia

La capa límite de la atmósfera entre la estratosfera y la mesosfera. Hay un máximo en la distribución vertical de la temperatura (alrededor de 0 °C).

mesosfera

termosfera

El límite superior es de unos 800 km. La temperatura sube a altitudes de 200-300 km, donde alcanza valores del orden de los 1500 K, a partir de los cuales se mantiene casi constante hasta altitudes elevadas. Bajo la acción de la radiación solar y la radiación cósmica, el aire se ioniza ("luces polares"): las regiones principales de la ionosfera se encuentran dentro de la termosfera. En altitudes superiores a 300 km, predomina el oxígeno atómico. El límite superior de la termosfera está determinado en gran medida por la actividad actual del Sol. Durante períodos de baja actividad, por ejemplo, en 2008-2009, hay una disminución notable en el tamaño de esta capa.

termopausa

La región de la atmósfera por encima de la termosfera. En esta región, la absorción de la radiación solar es insignificante y la temperatura en realidad no cambia con la altura.

Exosfera (esfera de dispersión)

Hasta una altura de 100 km, la atmósfera es una mezcla homogénea y bien mezclada de gases. En las capas superiores, la distribución de los gases en altura depende de sus masas moleculares, la concentración de gases más pesados ​​disminuye más rápido con la distancia a la superficie terrestre. Debido a la disminución de la densidad del gas, la temperatura desciende de 0 °C en la estratosfera a menos 110 °C en la mesosfera. Sin embargo, la energía cinética de partículas individuales a altitudes de 200-250 km corresponde a una temperatura de ~ 150 °C. Por encima de los 200 km, se observan fluctuaciones significativas en la temperatura y la densidad del gas en el tiempo y el espacio.

A una altitud de aproximadamente 2000-3500 km, la exosfera pasa gradualmente a la llamada espacio cercano al vacío, que está lleno de raras partículas de gas interplanetario, principalmente átomos de hidrógeno. Pero este gas es solo una parte de la materia interplanetaria. La otra parte está compuesta por partículas similares al polvo de origen cometario y meteórico. Además de partículas de polvo extremadamente enrarecidas, la radiación electromagnética y corpuscular de origen solar y galáctico penetra en este espacio.

Revisar

La troposfera representa alrededor del 80% de la masa de la atmósfera, la estratosfera representa alrededor del 20%; la masa de la mesosfera no supera el 0,3%, la termosfera es inferior al 0,05% de la masa total de la atmósfera.

Según las propiedades eléctricas de la atmósfera, emiten la neutrosfera y ionosfera .

Dependiendo de la composición del gas en la atmósfera, emiten homósfera y heterosfera. heterosfera- esta es un área donde la gravedad afecta la separación de gases, ya que su mezcla a tal altura es despreciable. De aquí se sigue la composición variable de la heterosfera. Debajo se encuentra una parte homogénea y bien mezclada de la atmósfera, llamada homosfera. El límite entre estas capas se llama turbopausa, se encuentra a una altitud de unos 120 km.

Otras propiedades de la atmósfera y efectos sobre el cuerpo humano

Ya a una altitud de 5 km sobre el nivel del mar, una persona no capacitada desarrolla falta de oxígeno y, sin adaptación, el rendimiento de una persona se reduce significativamente. Aquí es donde termina la zona fisiológica de la atmósfera. La respiración humana se vuelve imposible a una altitud de 9 km, aunque hasta unos 115 km la atmósfera contiene oxígeno.

La atmósfera nos proporciona el oxígeno que necesitamos para respirar. Sin embargo, debido a la disminución de la presión total de la atmósfera, a medida que se asciende, la presión parcial de oxígeno también disminuye en consecuencia.

Historia de la formación de la atmósfera.

Según la teoría más común, la atmósfera de la Tierra ha tenido tres composiciones diferentes a lo largo de su historia. Inicialmente, consistía en gases ligeros (hidrógeno y helio) capturados del espacio interplanetario. Este llamado atmósfera primaria. En la siguiente etapa, la actividad volcánica activa condujo a la saturación de la atmósfera con gases distintos al hidrógeno (dióxido de carbono, amoníaco, vapor de agua). Así es como atmósfera secundaria. Este ambiente fue reparador. Además, el proceso de formación de la atmósfera estuvo determinado por los siguientes factores:

• fuga de gases ligeros (hidrógeno y helio) al espacio interplanetario;
• reacciones químicas que ocurren en la atmósfera bajo la influencia de la radiación ultravioleta, descargas de rayos y algunos otros factores.

Gradualmente, estos factores llevaron a la formación atmósfera terciaria, caracterizado por un contenido mucho más bajo de hidrógeno y un contenido mucho más alto de nitrógeno y dióxido de carbono (formado como resultado de reacciones químicas a partir de amoníaco e hidrocarburos).

Nitrógeno

La formación de una gran cantidad de nitrógeno se debe a la oxidación de la atmósfera de amoníaco-hidrógeno por el oxígeno molecular. O 2 (\displaystyle (\ce (O2))), que comenzó a salir de la superficie del planeta como resultado de la fotosíntesis, a partir de hace 3 mil millones de años. también nitrógeno norte 2 (\displaystyle (\ce (N2))) se libera a la atmósfera como resultado de la desnitrificación de nitratos y otros compuestos que contienen nitrógeno. El nitrógeno es oxidado por el ozono a NO (\ estilo de visualización ((\ ce (NO)))) en las capas superiores de la atmósfera.

Nitrógeno norte 2 (\displaystyle (\ce (N2))) entra en reacciones solo bajo condiciones específicas (por ejemplo, durante la descarga de un rayo). La oxidación de nitrógeno molecular por ozono durante descargas eléctricas se utiliza en pequeñas cantidades en la producción industrial de fertilizantes nitrogenados. Puede ser oxidado con un bajo consumo de energía y convertido en una forma biológicamente activa por cianobacterias (algas verdeazuladas) y bacterias de nódulos que forman una simbiosis de rizobios con leguminosas, que pueden ser plantas de abono verde efectivas que no agotan, sino que enriquecen el suelo. con fertilizantes naturales.

Oxígeno

La composición de la atmósfera comenzó a cambiar radicalmente con la llegada de los organismos vivos a la Tierra, como resultado de la fotosíntesis, acompañada de la liberación de oxígeno y la absorción de dióxido de carbono. Inicialmente, el oxígeno se gastó en la oxidación de compuestos reducidos: amoníaco, hidrocarburos, la forma ferrosa de hierro contenida en los océanos y otros. Al final de esta etapa, el contenido de oxígeno en la atmósfera comenzó a crecer. Gradualmente, se formó una atmósfera moderna con propiedades oxidantes. Dado que esto provocó cambios graves y abruptos en muchos procesos que ocurren en la atmósfera, la litosfera y la biosfera, este evento se denominó la Catástrofe del Oxígeno.

Gases nobles

La contaminación del aire

Recientemente, el hombre ha comenzado a influir en la evolución de la atmósfera. El resultado de la actividad humana ha sido un aumento constante del contenido de dióxido de carbono en la atmósfera debido a la combustión de combustibles hidrocarbonados acumulados en épocas geológicas anteriores. Enormes cantidades se consumen en la fotosíntesis y son absorbidas por los océanos del mundo. Este gas ingresa a la atmósfera por la descomposición de rocas carbonatadas y sustancias orgánicas de origen vegetal y animal, así como por actividades de vulcanismo y producción humana. Contenido de los últimos 100 años CO2 (\displaystyle (\ce (CO2))) en la atmósfera aumentó un 10 %, y la mayor parte (360 000 millones de toneladas) provino de la quema de combustibles. Si la tasa de crecimiento de la quema de combustible continúa, en los próximos 200 a 300 años la cantidad CO2 (\displaystyle (\ce (CO2))) se duplica en la atmósfera y puede provocar

Atmósfera(del griego atmos - vapor y spharia - bola) - la capa de aire de la Tierra, girando con ella. El desarrollo de la atmósfera estuvo estrechamente relacionado con los procesos geológicos y geoquímicos que tienen lugar en nuestro planeta, así como con las actividades de los organismos vivos.

El límite inferior de la atmósfera coincide con la superficie de la Tierra, ya que el aire penetra en los poros más pequeños del suelo y se disuelve incluso en el agua.

El límite superior a una altitud de 2000-3000 km pasa gradualmente al espacio exterior.

La atmósfera rica en oxígeno hace posible la vida en la Tierra. El oxígeno atmosférico se utiliza en el proceso de respiración de humanos, animales y plantas.

Si no hubiera atmósfera, la Tierra estaría tan tranquila como la luna. Después de todo, el sonido es la vibración de las partículas de aire. El color azul del cielo se explica por el hecho de que los rayos del sol, al atravesar la atmósfera, como a través de una lente, se descomponen en los colores que los componen. En este caso, los rayos de colores azul y azul se dispersan sobre todo.

La atmósfera retiene la mayor parte de la radiación ultravioleta del Sol, que tiene un efecto perjudicial sobre los organismos vivos. También mantiene el calor en la superficie de la Tierra, evitando que nuestro planeta se enfríe.

La estructura de la atmósfera.

Se pueden distinguir varias capas en la atmósfera, que difieren en densidad y densidad (Fig. 1).

Troposfera

Troposfera- la capa más baja de la atmósfera, cuyo espesor sobre los polos es de 8-10 km, en latitudes templadas - 10-12 km, y sobre el ecuador - 16-18 km.

Arroz. 1. La estructura de la atmósfera terrestre

El aire en la troposfera se calienta desde la superficie terrestre, es decir, desde la tierra y el agua. Por lo tanto, la temperatura del aire en esta capa disminuye con la altura en un promedio de 0,6 °C por cada 100 m, y en el límite superior de la troposfera alcanza los -55 °C. Al mismo tiempo, en la región del ecuador en el límite superior de la troposfera, la temperatura del aire es de -70 °С, y en la región del Polo Norte de -65 °С.

Alrededor del 80% de la masa de la atmósfera se concentra en la troposfera, casi todo el vapor de agua se encuentra, se producen tormentas eléctricas, tormentas, nubes y precipitaciones, y se produce un movimiento de aire vertical (convección) y horizontal (viento).

Podemos decir que el clima se forma principalmente en la troposfera.

Estratosfera

Estratosfera- la capa de la atmósfera situada por encima de la troposfera a una altitud de 8 a 50 km. El color del cielo en esta capa aparece púrpura, lo que se explica por la rarefacción del aire, por lo que los rayos del sol casi no se dispersan.

La estratosfera contiene el 20% de la masa de la atmósfera. El aire en esta capa está enrarecido, prácticamente no hay vapor de agua y, por lo tanto, casi no se forman nubes ni precipitaciones. Sin embargo, se observan corrientes de aire estables en la estratosfera, cuya velocidad alcanza los 300 km/h.

Esta capa se concentra ozono(pantalla de ozono, ozonosfera), una capa que absorbe los rayos ultravioleta, evitando que pasen a la Tierra y protegiendo así a los organismos vivos de nuestro planeta. Debido al ozono, la temperatura del aire en el límite superior de la estratosfera está en el rango de -50 a 4-55 °C.

Entre la mesosfera y la estratosfera hay una zona de transición: la estratopausa.

mesosfera

mesosfera- una capa de la atmósfera ubicada a una altitud de 50-80 km. La densidad del aire aquí es 200 veces menor que en la superficie de la Tierra. El color del cielo en la mesosfera aparece negro, las estrellas son visibles durante el día. La temperatura del aire baja a -75 (-90) °C.

A una altitud de 80 km comienza termosfera. La temperatura del aire en esta capa aumenta bruscamente hasta una altura de 250 m, y luego se vuelve constante: a una altura de 150 km alcanza 220-240 °C; a una altitud de 500-600 km supera los 1500 °C.

En la mesosfera y la termosfera, bajo la acción de los rayos cósmicos, las moléculas de gas se descomponen en partículas cargadas (ionizadas) de átomos, por lo que esta parte de la atmósfera se llama ionosfera- una capa de aire muy enrarecido, situada a una altitud de 50 a 1000 km, compuesta principalmente por átomos de oxígeno ionizado, moléculas de óxido nítrico y electrones libres. Esta capa se caracteriza por una alta electrificación, y las ondas de radio largas y medianas se reflejan en ella, como en un espejo.

En la ionosfera, surgen auroras, el resplandor de los gases enrarecidos bajo la influencia de partículas cargadas eléctricamente que vuelan desde el Sol, y se observan fuertes fluctuaciones en el campo magnético.

exosfera

exosfera- la capa exterior de la atmósfera, situada por encima de los 1000 km. Esta capa también se llama esfera de dispersión, ya que las partículas de gas se mueven aquí a gran velocidad y pueden dispersarse en el espacio exterior.

Composición de la atmósfera

La atmósfera es una mezcla de gases compuesta por nitrógeno (78,08 %), oxígeno (20,95 %), dióxido de carbono (0,03 %), argón (0,93 %), una pequeña cantidad de helio, neón, xenón, criptón (0,01 %), ozono y otros gases, pero su contenido es insignificante (Cuadro 1). La composición moderna del aire de la Tierra se estableció hace más de cien millones de años, pero el fuerte aumento de la actividad de producción humana, sin embargo, condujo a su cambio. Actualmente, hay un aumento en el contenido de CO 2 de aproximadamente 10-12%.

Los gases que componen la atmósfera cumplen varias funciones funcionales. Sin embargo, la principal importancia de estos gases está determinada principalmente por el hecho de que absorben muy fuertemente la energía radiante y, por lo tanto, tienen un efecto significativo en el régimen de temperatura de la superficie terrestre y la atmósfera.

Tabla 1. Composición química del aire atmosférico seco cerca de la superficie terrestre

Nitrógeno, el gas más común en la atmósfera, químicamente poco activo.

Oxígeno, a diferencia del nitrógeno, es un elemento químicamente muy activo. La función específica del oxígeno es la oxidación de la materia orgánica de organismos heterótrofos, rocas y gases incompletamente oxidados emitidos a la atmósfera por los volcanes. Sin oxígeno, no habría descomposición de la materia orgánica muerta.

El papel del dióxido de carbono en la atmósfera es excepcionalmente grande. Entra en la atmósfera como resultado de los procesos de combustión, respiración de los organismos vivos, descomposición y es, ante todo, el principal material de construcción para la creación de materia orgánica durante la fotosíntesis. Además, es de gran importancia la propiedad del dióxido de carbono de transmitir radiación solar de onda corta y absorber parte de la radiación térmica de onda larga, lo que generará el denominado efecto invernadero, del que se hablará a continuación.

La influencia sobre los procesos atmosféricos, especialmente sobre el régimen térmico de la estratosfera, también la ejercen ozono. Este gas sirve como absorbente natural de la radiación ultravioleta solar, y la absorción de la radiación solar conduce al calentamiento del aire. Los valores medios mensuales del contenido total de ozono en la atmósfera varían según la latitud de la zona y la estación entre 0,23 y 0,52 cm (este es el espesor de la capa de ozono a presión y temperatura del suelo). Hay un aumento en el contenido de ozono desde el ecuador hasta los polos y una variación anual con un mínimo en otoño y un máximo en primavera.

Una propiedad característica de la atmósfera se puede llamar el hecho de que el contenido de los gases principales (nitrógeno, oxígeno, argón) cambia ligeramente con la altura: a una altitud de 65 km en la atmósfera, el contenido de nitrógeno es del 86%, oxígeno - 19, argón - 0,91, a una altitud de 95 km - nitrógeno 77, oxígeno - 21,3, argón - 0,82%. La constancia de la composición del aire atmosférico vertical y horizontalmente se mantiene mediante su mezcla.

Además de gases, el aire contiene vapor de agua y partículas sólidas. Estos últimos pueden tener un origen tanto natural como artificial (antropogénico). Estos son polen de flores, diminutos cristales de sal, polvo de carreteras, impurezas de aerosoles. Cuando los rayos del sol penetran por la ventana, se pueden ver a simple vista.

Hay especialmente muchas partículas en el aire de las ciudades y grandes centros industriales, donde las emisiones de gases nocivos y sus impurezas formadas durante la combustión de combustibles se suman a los aerosoles.

La concentración de aerosoles en la atmósfera determina la transparencia del aire, lo que incide en la radiación solar que llega a la superficie terrestre. Los aerosoles más grandes son núcleos de condensación (del lat. condensación- compactación, espesamiento) - contribuyen a la transformación del vapor de agua en gotas de agua.

El valor del vapor de agua está determinado principalmente por el hecho de que retrasa la radiación térmica de onda larga de la superficie terrestre; representa el eslabón principal de los ciclos de humedad grandes y pequeños; eleva la temperatura del aire cuando los lechos de agua se condensan.

La cantidad de vapor de agua en la atmósfera varía con el tiempo y el espacio. Así, la concentración de vapor de agua cerca de la superficie terrestre oscila entre el 3% en los trópicos y el 2-10 (15)% en la Antártida.

El contenido promedio de vapor de agua en la columna vertical de la atmósfera en latitudes templadas es de aproximadamente 1,6-1,7 cm (una capa de vapor de agua condensado tendrá ese espesor). La información sobre el vapor de agua en diferentes capas de la atmósfera es contradictoria. Se supuso, por ejemplo, que en el rango de altitud de 20 a 30 km, la humedad específica aumenta fuertemente con la altura. Sin embargo, mediciones posteriores indican una mayor sequedad de la estratosfera. Aparentemente, la humedad específica en la estratosfera depende poco de la altura y asciende a 2-4 mg/kg.

La variabilidad del contenido de vapor de agua en la troposfera está determinada por la interacción de la evaporación, la condensación y el transporte horizontal. Como resultado de la condensación del vapor de agua, se forman nubes y se producen precipitaciones en forma de lluvia, granizo y nieve.

Los procesos de transición de fase del agua ocurren principalmente en la troposfera, por lo que las nubes en la estratosfera (en altitudes de 20-30 km) y la mesosfera (cerca de la mesopausa), llamadas nácar y plata, se observan relativamente raramente. , mientras que las nubes troposféricas suelen cubrir alrededor del 50% de la superficie terrestre.

La cantidad de vapor de agua que puede contener el aire depende de la temperatura del aire.

1 m 3 de aire a una temperatura de -20 ° C no puede contener más de 1 g de agua; a 0 °C - no más de 5 g; a +10 °С - no más de 9 g; a +30 °С - no más de 30 g de agua.

Conclusión: Cuanto mayor sea la temperatura del aire, más vapor de agua puede contener.

El aire puede ser rico y no saturado vapor. Entonces, si a una temperatura de +30 ° C 1 m 3 de aire contiene 15 g de vapor de agua, el aire no está saturado con vapor de agua; si 30 g - saturado.

Humedad absoluta- esta es la cantidad de vapor de agua contenida en 1 m 3 de aire. Se expresa en gramos. Por ejemplo, si dicen "la humedad absoluta es 15", entonces esto significa que 1 mL contiene 15 g de vapor de agua.

Humedad relativa- esta es la relación (en porcentaje) del contenido real de vapor de agua en 1 m 3 de aire a la cantidad de vapor de agua que puede contener 1 m L a una temperatura dada. Por ejemplo, si la radio durante la transmisión del parte meteorológico informa que la humedad relativa es del 70%, esto significa que el aire contiene el 70% del vapor de agua que puede contener a una temperatura determinada.

Cuanto mayor sea la humedad relativa del aire, t. cuanto más cerca esté el aire de la saturación, más probable es que caiga.

En la zona ecuatorial se observa siempre una humedad relativa alta (hasta el 90%), ya que hay una temperatura del aire alta durante todo el año y hay una gran evaporación desde la superficie de los océanos. La misma humedad relativa alta se encuentra en las regiones polares, pero solo porque a bajas temperaturas, incluso una pequeña cantidad de vapor de agua hace que el aire se sature o esté cerca de la saturación. En latitudes templadas, la humedad relativa varía según la estación: es más alta en invierno y más baja en verano.

La humedad relativa del aire es especialmente baja en los desiertos: 1 m 1 de aire contiene de dos a tres veces menos que la cantidad de vapor de agua posible a una temperatura dada.

Para medir la humedad relativa, se usa un higrómetro (del griego hygros - mojado y metreco - mido).

Cuando se enfría, el aire saturado no puede retener la misma cantidad de vapor de agua en sí mismo, se espesa (se condensa) y se convierte en gotas de niebla. La niebla se puede observar en el verano en una noche clara y fresca.

nubes- esta es la misma niebla, solo que no se forma en la superficie de la tierra, sino a cierta altura. A medida que el aire asciende, se enfría y el vapor de agua que contiene se condensa. Las diminutas gotas de agua resultantes forman las nubes.

involucrados en la formación de nubes materia particular suspendido en la troposfera.

Las nubes pueden tener una forma diferente, que depende de las condiciones de su formación (Tabla 14).

Las nubes más bajas y más pesadas son los estratos. Se encuentran a una altitud de 2 km de la superficie terrestre. A una altitud de 2 a 8 km, se pueden observar cúmulos más pintorescos. Las más altas y ligeras son los cirros. Se encuentran a una altitud de 8 a 18 km sobre la superficie terrestre.

Protección atmosférica

Las principales fuentes son las empresas industriales y los automóviles. En las grandes ciudades, el problema de la contaminación por gases de las principales rutas de transporte es muy agudo. Es por eso que en muchas grandes ciudades del mundo, incluido nuestro país, se ha introducido el control ambiental de la toxicidad de los gases de escape de los automóviles. Según los expertos, el humo y el polvo en el aire pueden reducir a la mitad el flujo de energía solar hacia la superficie terrestre, lo que provocará un cambio en las condiciones naturales.

La atmósfera terrestre es heterogénea: se observan diferentes densidades y presiones del aire a diferentes alturas, la temperatura y la composición de los gases cambian. En función del comportamiento de la temperatura ambiente (es decir, la temperatura aumenta con la altura o disminuye), se distinguen en ella las siguientes capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. Los límites entre las capas se llaman pausas: hay 4 de ellos, porque. el límite superior de la exosfera es muy borroso y con frecuencia se refiere al espacio cercano. La estructura general de la atmósfera se puede encontrar en el diagrama adjunto.

Fig.1 La estructura de la atmósfera terrestre. Crédito: sitio web

La capa atmosférica más baja es la troposfera, cuyo límite superior, llamado tropopausa, varía según la latitud geográfica y oscila entre los 8 km. en polar hasta 20 km. en latitudes tropicales. En latitudes medias o templadas, su límite superior se encuentra a altitudes de 10 a 12 Km. Durante el año, el límite superior de la troposfera experimenta fluctuaciones en función de la afluencia de radiación solar. Entonces, como resultado del sondeo en el Polo Sur de la Tierra realizado por el servicio meteorológico de los EE. Agosto o septiembre, su límite se eleva a 11,5 km. Luego, entre septiembre y diciembre, desciende rápidamente y alcanza su posición más baja, 7,5 km, después de lo cual su altura permanece prácticamente sin cambios hasta marzo. Aquellos. La troposfera es más espesa en verano y más delgada en invierno.

Cabe señalar que además de las variaciones estacionales, también existen fluctuaciones diarias en la altura de la tropopausa. Además, su posición está influenciada por ciclones y anticiclones: en el primero, desciende, porque. la presión en ellos es más baja que en el aire circundante y, en segundo lugar, aumenta en consecuencia.

La troposfera contiene hasta el 90% de la masa total del aire de la tierra y 9/10 de todo el vapor de agua. La turbulencia está muy desarrollada aquí, especialmente en las capas cercanas a la superficie y más altas, se desarrollan nubes de todos los niveles, se forman ciclones y anticiclones. Y debido a la acumulación de gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, vapor de agua) de los rayos del sol reflejados en la superficie de la Tierra, se desarrolla el efecto invernadero.

El efecto invernadero está asociado con una disminución de la temperatura del aire en la troposfera con la altura (porque la Tierra calentada emite más calor a las capas superficiales). La pendiente vertical media es de 0,65°/100 m (es decir, la temperatura del aire desciende 0,65° C por cada 100 metros de subida). Entonces, si en la superficie de la Tierra cerca del ecuador, la temperatura promedio anual del aire es de + 26 °, entonces, en el límite superior, -70 °. La temperatura en la región de la tropopausa sobre el Polo Norte varía a lo largo del año de -45° en verano a -65° en invierno.

A medida que aumenta la altitud, la presión del aire también disminuye, alcanzando solo el 12-20% del nivel cercano a la superficie cerca de la troposfera superior.

En el borde de la troposfera y la capa suprayacente de la estratosfera se encuentra la capa de tropopausa, de 1 a 2 km de espesor. La capa de aire en la que el gradiente vertical disminuye a 0,2°/100 m frente a 0,65°/100 m en las regiones subyacentes de la troposfera suele tomarse como los límites inferiores de la tropopausa.

Dentro de la tropopausa se observan corrientes de aire de dirección estrictamente definida, denominadas corrientes en chorro de gran altitud o "jet streams", formadas bajo la influencia de la rotación de la Tierra alrededor de su eje y el calentamiento de la atmósfera con la participación de la radiación solar. Las corrientes se observan en los límites de las zonas con diferencias de temperatura significativas. Hay varios centros de localización de estas corrientes, por ejemplo, ártico, subtropical, subpolar y otros. Conocer la ubicación de las corrientes en chorro es muy importante para la meteorología y la aviación: la primera utiliza corrientes para un pronóstico meteorológico más preciso, la segunda para construir rutas de vuelo de aviones, porque En los límites de flujo hay fuertes remolinos turbulentos, similares a pequeños remolinos, llamados "turbulencia de cielo despejado" debido a la ausencia de nubes en estas altitudes.

Bajo la influencia de las corrientes en chorro a gran altura, a menudo se forman rupturas en la tropopausa y, a veces, desaparece por completo, aunque luego se forma de nuevo. Esto se observa con especial frecuencia en latitudes subtropicales en las que domina una poderosa corriente subtropical de gran altitud. Además, la diferencia en las capas de la tropopausa en términos de temperatura del aire ambiente conduce a la formación de roturas. Por ejemplo, existe una gran brecha entre la tropopausa polar cálida y baja y la tropopausa alta y fría de las latitudes tropicales. Recientemente también se ha distinguido una capa de la tropopausa de latitudes templadas, que ha roto con las dos capas anteriores: polar y tropical.

La segunda capa de la atmósfera terrestre es la estratosfera. La estratosfera se puede dividir condicionalmente en 2 regiones. El primero de ellos, que se extiende hasta 25 km de altura, se caracteriza por temperaturas casi constantes, que son iguales a las temperaturas de las capas superiores de la troposfera en un área específica. La segunda región, o región de inversión, se caracteriza por un aumento de la temperatura del aire hasta altitudes de unos 40 km. Esto se debe a la absorción de la radiación ultravioleta solar por parte del oxígeno y el ozono. En la parte superior de la estratosfera, debido a este calentamiento, la temperatura suele ser positiva o incluso comparable a la temperatura del aire en la superficie.

Por encima de la región de inversión hay una capa de temperaturas constantes, que se llama estratopausa y es el límite entre la estratosfera y la mesosfera. Su espesor alcanza los 15 km.

En contraste con la troposfera, las perturbaciones turbulentas son raras en la estratosfera, pero se notan fuertes vientos horizontales o corrientes en chorro que soplan en zonas estrechas a lo largo de los límites de las latitudes templadas que miran hacia los polos. La posición de estas zonas no es constante: pueden cambiar, expandirse o incluso desaparecer por completo. A menudo, las corrientes en chorro penetran en las capas superiores de la troposfera, o viceversa, las masas de aire de la troposfera penetran en las capas inferiores de la estratosfera. Esta mezcla de masas de aire en áreas de frentes atmosféricos es especialmente característica.

Poco en la estratosfera y vapor de agua. El aire aquí es muy seco y, por lo tanto, hay pocas nubes. Solo a altitudes de 20-25 km, en latitudes altas, se pueden notar nubes de nácar muy delgadas, que consisten en gotas de agua superenfriadas. Durante el día, estas nubes no son visibles, pero con el inicio de la oscuridad, parecen brillar debido a su iluminación por el Sol que ya se ha puesto por debajo del horizonte.

A las mismas alturas (20-25 km.) en la estratosfera inferior se encuentra la llamada capa de ozono, el área con el mayor contenido de ozono, que se forma bajo la influencia de la radiación solar ultravioleta (puede obtener más información sobre este proceso en la pagina). La capa de ozono u ozonosfera es esencial para mantener la vida de todos los organismos que viven en la tierra al absorber los rayos ultravioleta mortales de hasta 290 nm. Es por esta razón que los organismos vivos no viven por encima de la capa de ozono, es el límite superior de propagación de la vida en la Tierra.

Bajo la influencia del ozono, los campos magnéticos también cambian, los átomos rompen las moléculas, se produce la ionización, la nueva formación de gases y otros compuestos químicos.

La capa de la atmósfera por encima de la estratosfera se llama mesosfera. Se caracteriza por una disminución de la temperatura del aire con la altura con un gradiente vertical medio de 0,25-0,3°/100 m, lo que provoca fuertes turbulencias. En los límites superiores de la mesosfera en el área llamada mesopausa, se observaron temperaturas de hasta -138 ° C, que es el mínimo absoluto para toda la atmósfera de la Tierra en su conjunto.

Aquí, dentro de la mesopausa, pasa el límite inferior de la región de absorción activa de rayos X y radiación ultravioleta de longitud de onda corta del Sol. Este proceso de energía se llama transferencia de calor radiante. Como resultado, el gas se calienta y se ioniza, lo que provoca el resplandor de la atmósfera.

A altitudes de 75 a 90 km cerca de los límites superiores de la mesosfera, se observaron nubes especiales que ocupaban vastas áreas en las regiones polares del planeta. Estas nubes se llaman plateadas por su brillo al anochecer, que se debe al reflejo de la luz solar en los cristales de hielo que las componen.

La presión del aire dentro de la mesopausia es 200 veces menor que en la superficie terrestre. Esto sugiere que casi todo el aire de la atmósfera se concentra en sus 3 capas inferiores: la troposfera, la estratosfera y la mesosfera. Las capas superiores de la termosfera y la exosfera representan solo el 0,05% de la masa de toda la atmósfera.

La termosfera se encuentra a altitudes de 90 a 800 km sobre la superficie de la Tierra.

La termosfera se caracteriza por un aumento continuo de la temperatura del aire hasta altitudes de 200-300 km, donde puede alcanzar los 2500°C. El aumento de temperatura se produce debido a la absorción por parte de las moléculas de gas de los rayos X y parte de onda corta de la radiación ultravioleta del Sol. Por encima de los 300 km sobre el nivel del mar, el aumento de temperatura se detiene.

Al mismo tiempo que aumenta la temperatura, disminuye la presión y, en consecuencia, la densidad del aire circundante. Entonces, si en los límites inferiores de la termosfera la densidad es de 1,8 × 10 -8 g / cm 3, entonces en la parte superior ya es de 1,8 × 10 -15 g / cm 3, lo que corresponde aproximadamente a 10 millones - 1 billón de partículas en 1 cm 3 .

Todas las características de la termosfera, como la composición del aire, su temperatura, densidad, están sujetas a fuertes fluctuaciones: según la ubicación geográfica, la estación del año y la hora del día. Incluso la ubicación del límite superior de la termosfera está cambiando.

La capa superior de la atmósfera se llama exosfera o capa de dispersión. Su límite inferior cambia constantemente dentro de límites muy amplios; se tomó como valor medio la altura de 690-800 km. Se establece donde la probabilidad de colisiones intermoleculares o interatómicas puede despreciarse, es decir la distancia media que recorrerá una molécula que se mueve aleatoriamente antes de chocar con otra molécula similar (el llamado camino libre) será tan grande que, de hecho, las moléculas no chocarán con una probabilidad cercana a cero. La capa donde tiene lugar el fenómeno descrito se denomina termopausa.

El límite superior de la exosfera se encuentra a altitudes de 2-3 mil km. Está fuertemente borroso y pasa gradualmente al vacío del espacio cercano. A veces, por esta razón, la exosfera se considera parte del espacio exterior, y su límite superior se toma como una altura de 190 mil km, en la que el efecto de la presión de la radiación solar sobre la velocidad de los átomos de hidrógeno supera la atracción gravitacional de la tierra. Este es el llamado. la corona de la tierra, que está formada por átomos de hidrógeno. La densidad de la corona terrestre es muy baja: solo 1000 partículas por centímetro cúbico, pero incluso este número es más de 10 veces mayor que la concentración de partículas en el espacio interplanetario.

Debido al aire extremadamente enrarecido de la exosfera, las partículas se mueven alrededor de la Tierra en órbitas elípticas sin chocar entre sí. Algunos de ellos, moviéndose a lo largo de trayectorias abiertas o hiperbólicas con velocidades cósmicas (átomos de hidrógeno y helio), abandonan la atmósfera y van al espacio exterior, por lo que la exosfera se llama esfera de dispersión.