Sammansättningen av jordens atmosfärdiagram. Atmosfären är jordens luftlager. Barometrisk tryckfördelning

Luftskalet som omger vår planet och roterar med det kallas atmosfären. Hälften av atmosfärens totala massa är koncentrerad till de nedre 5 km och tre fjärdedelar av massan i de lägre 10 km. Ovan är luften mycket sällsynt, även om dess partiklar finns på en höjd av 2000-3000 km över jordens yta.

Luften vi andas är en blandning av gaser. Mest av allt innehåller den kväve - 78% och syre - 21%. Argon är mindre än 1 % och 0,03 % är koldioxid. Många andra gaser, såsom krypton, xenon, neon, helium, väte, ozon och andra, utgör tusendelar och miljondelar av en procent. Luften innehåller även vattenånga, partiklar av olika ämnen, bakterier, pollen och kosmiskt damm.

Atmosfären består av flera lager. Det nedre lagret upp till en höjd av 10-15 km över jordens yta kallas troposfären. Det värms upp från jorden, så lufttemperaturen här med höjd sjunker med 6 ° C per 1 kilometers uppstigning. Nästan all vattenånga finns i troposfären och nästan alla moln bildas - obs.. Troposfärens höjd över planetens olika breddgrader är inte densamma. Den stiger upp till 9 km över polerna, upp till 10-12 km över tempererade breddgrader och upp till 15 km över ekvatorn. De processer som sker i troposfären - bildandet och rörelsen av luftmassor, bildandet av cykloner och anticykloner, uppkomsten av moln och nederbörd - bestämmer vädret och klimatet nära jordens yta.

Ovanför troposfären finns stratosfären, som sträcker sig upp till 50-55 km. Troposfären och stratosfären är åtskilda av ett övergångsskikt som kallas tropopausen, 1–2 km tjockt. I stratosfären på en höjd av cirka 25 km börjar lufttemperaturen gradvis att stiga och når +10 +30 °С vid 50 km. En sådan temperaturökning beror på att det finns ett ozonskikt i stratosfären på höjder av 25-30 km. På jordens yta är dess innehåll i luften försumbart, och på höga höjder absorberar diatomiska syremolekyler ultraviolett solstrålning och bildar triatomiska ozonmolekyler.

Om ozon var lokaliserat i de lägre skikten av atmosfären, på en höjd med normalt tryck, skulle tjockleken på dess skikt vara endast 3 mm. Men även i en så liten mängd spelar den en mycket viktig roll: den absorberar en del av solstrålningen som är skadlig för levande organismer.

Ovanför stratosfären, upp till cirka 80 km, sträcker sig mesosfären, där lufttemperaturen sjunker med höjden till flera tiotals minusgrader.

Den övre delen av atmosfären kännetecknas av mycket höga temperaturer och kallas för termosfären - not .. Den är uppdelad i två delar - jonosfären - upp till en höjd av ca 1000 km, där luften är starkt joniserad, och exosfären - över 1000 km. I jonosfären absorberar atmosfäriska gasmolekyler ultraviolett strålning från solen och laddade atomer och fria elektroner bildas. Norrsken observeras i jonosfären.

Atmosfären spelar en mycket viktig roll i livet på vår planet. Det skyddar jorden från stark uppvärmning av solens strålar under dagen och från hypotermi på natten. De flesta meteoriter brinner upp i atmosfärens skikt innan de når planetens yta. Atmosfären innehåller syre, nödvändigt för alla organismer, en ozonsköld som skyddar livet på jorden från den skadliga delen av solens ultravioletta strålning.

ATMOSFÄRER PÅ SOLSYSTEMETS PLANETER

Atmosfären i Merkurius är så sällsynt att, man kan säga, den är praktiskt taget obefintlig. Venus lufthölje består av koldioxid (96%) och kväve (cirka 4%), det är mycket tätt - atmosfärstrycket nära planetens yta är nästan 100 gånger större än på jorden. Mars atmosfär består också huvudsakligen av koldioxid (95 %) och kväve (2,7 %), men dess densitet är cirka 300 gånger mindre än jordens och dess tryck är nästan 100 gånger lägre. Den synliga ytan av Jupiter är faktiskt det översta lagret av en väte-heliumatmosfär. Saturnus och Uranus luftskal har samma sammansättning. Uranus vackra blå färg beror på den höga koncentrationen av metan i den övre delen av dess atmosfär - ca .. Neptunus, höljd i kolvätedis, har två huvudlager av moln: det ena består av frusna metankristaller, och det andra, som ligger nedanför, innehåller ammoniak och svavelväte.

Jordens sammansättning. Luft

Luft är en mekanisk blandning av olika gaser som utgör jordens atmosfär. Luft är avgörande för andningen av levande organismer och används i stor utsträckning inom industrin.

Det faktum att luft är en blandning, och inte ett homogent ämne, bevisades under den skotske forskaren Joseph Blacks experiment. Under en av dem upptäckte forskaren att när vit magnesia (magnesiumkarbonat) värms upp frigörs "bunden luft", det vill säga koldioxid, och bränd magnesiumoxid (magnesiumoxid) bildas. Däremot, när kalksten eldas, avlägsnas "bunden luft". Baserat på dessa experiment drog forskaren slutsatsen att skillnaden mellan kolsyra och kaustikalkali är att den förra innehåller koldioxid, som är en av luftens komponenter. Idag vet vi att förutom koldioxid inkluderar sammansättningen av jordens luft:

Förhållandet mellan gaser i jordens atmosfär som anges i tabellen är typiskt för dess lägre lager, upp till en höjd av 120 km. I dessa områden ligger en välblandad, homogen region, kallad homosfären. Ovanför homosfären ligger heterosfären, som kännetecknas av nedbrytning av gasmolekyler till atomer och joner. Regionerna är separerade från varandra av en turbopaus.

Den kemiska reaktion där molekyler under inverkan av sol- och kosmisk strålning bryts ner till atomer kallas fotodissociation. Under sönderfallet av molekylärt syre bildas atomärt syre, som är atmosfärens huvudgas på höjder över 200 km. På höjder över 1200 km börjar väte och helium, som är de lättaste av gaserna, att dominera.

Eftersom huvuddelen av luften är koncentrerad i de 3 lägre atmosfäriska lagren, har förändringar i luftsammansättningen på höjder över 100 km ingen märkbar effekt på atmosfärens totala sammansättning.

Kväve är den vanligaste gasen och står för mer än tre fjärdedelar av jordens luftvolym. Modernt kväve bildades när den tidiga ammoniak-väte-atmosfären oxiderades av molekylärt syre, som bildas under fotosyntesen. För närvarande kommer en liten mängd kväve in i atmosfären som ett resultat av denitrifikation - processen för reduktion av nitrater till nitriter, följt av bildandet av gasformiga oxider och molekylärt kväve, som produceras av anaeroba prokaryoter. En del kväve kommer in i atmosfären under vulkanutbrott.

I den övre atmosfären, när den utsätts för elektriska urladdningar med deltagande av ozon, oxideras molekylärt kväve till kvävemonoxid:

N2 + O2 → 2NO

Under normala förhållanden reagerar monoxiden omedelbart med syre för att bilda dikväveoxid:

2NO + O2 → 2N2O

Kväve är det viktigaste kemiska grundämnet i jordens atmosfär. Kväve är en del av proteiner, ger mineralnäring till växter. Det bestämmer hastigheten för biokemiska reaktioner, spelar rollen som ett syrespädningsmedel.

Syre är den näst vanligaste gasen i jordens atmosfär. Bildandet av denna gas är förknippat med den fotosyntetiska aktiviteten hos växter och bakterier. Och ju fler och fler fotosyntetiska organismer blev, desto mer betydelsefull blev processen för syrehalten i atmosfären. En liten mängd tungt syre frigörs vid avgasning av manteln.

I de övre skikten av troposfären och stratosfären, under påverkan av ultraviolett solstrålning (vi betecknar det som hν), bildas ozon:

O2 + hv → 2O

Som ett resultat av verkan av samma ultravioletta strålning sönderfaller ozon:

O3 + hν → O2 + O

O 3 + O → 2O 2

Som ett resultat av den första reaktionen bildas atomärt syre, som ett resultat av det andra - molekylärt syre. Alla fyra reaktionerna kallas Chapman-mekanismen, efter den brittiska vetenskapsmannen Sidney Chapman som upptäckte dem 1930.

Syre används för andning av levande organismer. Med dess hjälp uppstår processerna för oxidation och förbränning.

Ozon tjänar till att skydda levande organismer från ultraviolett strålning, vilket orsakar irreversibla mutationer. Den högsta koncentrationen av ozon observeras i den nedre stratosfären inom den sk. ozonskikt eller ozonskärm som ligger på höjder av 22-25 km. Ozonhalten är liten: vid normalt tryck skulle allt ozon i jordens atmosfär uppta ett lager som bara är 2,91 mm tjockt.

Bildandet av den tredje vanligaste gasen i atmosfären, argon, samt neon, helium, krypton och xenon, är förknippad med vulkanutbrott och sönderfall av radioaktiva grundämnen.

Helium är i synnerhet en produkt av det radioaktiva sönderfallet av uran, torium och radium: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (i dessa reaktioner är α- partikel är en heliumkärna, som i processen av energiförlust fångar elektroner och blir 4 He).

Argon bildas under sönderfallet av den radioaktiva isotopen av kalium: 40 K → 40 Ar + γ.

Neon flyr från magmatiska stenar.

Krypton bildas som slutprodukten av sönderfallet av uran (235 U och 238 U) och torium Th.

Huvuddelen av atmosfäriskt krypton bildades i de tidiga stadierna av jordens evolution som ett resultat av sönderfallet av transuranelement med en fenomenalt kort halveringstid eller kom från rymden, vars innehåll av krypton är tio miljoner gånger högre än på jorden .

Xenon är resultatet av klyvningen av uran, men det mesta av denna gas är över från de tidiga stadierna av jordens bildning, från den primära atmosfären.

Koldioxid kommer in i atmosfären som ett resultat av vulkanutbrott och i processen för nedbrytning av organiskt material. Dess innehåll i atmosfären på jordens mellersta breddgrader varierar mycket beroende på årstider: på vintern ökar mängden CO 2 och på sommaren minskar den. Denna fluktuation är kopplad till aktiviteten hos växter som använder koldioxid i fotosyntesprocessen.

Väte bildas som ett resultat av nedbrytning av vatten genom solstrålning. Men eftersom den är den lättaste av de gaser som utgör atmosfären, flyr den ständigt ut i rymden, och därför är dess innehåll i atmosfären mycket litet.

Vattenånga är resultatet av avdunstning av vatten från ytan av sjöar, floder, hav och land.

Koncentrationen av huvudgaserna i de lägre skikten av atmosfären, med undantag av vattenånga och koldioxid, är konstant. I små mängder innehåller atmosfären svaveloxid SO 2, ammoniak NH 3, kolmonoxid CO, ozon O 3, väteklorid HCl, vätefluorid HF, kvävemonoxid NO, kolväten, kvicksilverånga Hg, jod I 2 och många andra. I det nedre atmosfäriska lagret av troposfären finns det konstant en stor mängd suspenderade fasta och flytande partiklar.

Källor till partiklar i jordens atmosfär är vulkanutbrott, växtpollen, mikroorganismer och, på senare tid, mänskliga aktiviteter som förbränning av fossila bränslen i tillverkningsprocesser. De minsta dammpartiklarna, som är kärnorna för kondens, är orsakerna till bildandet av dimma och moln. Utan fasta partiklar som ständigt finns i atmosfären skulle nederbörd inte falla på jorden.

Encyklopedisk YouTube

1 / 5

✪ Jordens rymdskepp (avsnitt 14) - Atmosfär

✪ Varför drogs inte atmosfären in i rymdens vakuum?

✪ Inträde i jordens atmosfär av rymdfarkosten "Soyuz TMA-8"

✪ Atmosfärens struktur, mening, studie

✪ O. S. Ugolnikov "Övre atmosfär. Mötet mellan jorden och rymden"

undertexter

Atmosfärens gräns

Atmosfären anses vara det område runt jorden där det gasformiga mediet roterar tillsammans med jorden som helhet. Atmosfären passerar gradvis in i det interplanetära rymden, i exosfären, med början på en höjd av 500-1000 km från jordens yta.

Enligt definitionen som föreslås av International Aviation Federation dras gränsen mellan atmosfären och rymden längs Karmanalinjen, som ligger på en höjd av cirka 100 km, över vilken flygflygningar blir helt omöjliga. NASA använder markeringen 122 kilometer (400 000 fot) som gränsen för atmosfären, där skyttlarna växlar från motordriven manövrering till aerodynamisk manövrering.

Fysikaliska egenskaper

Förutom de gaser som anges i tabellen innehåller atmosfären Cl 2 (\displaystyle (\ce (Cl2))) , SO 2 (\displaystyle (\ce (SO2))) , NH 3 (\displaystyle (\ce (NH3))) , CO (\displaystyle ((\ce (CO)))) , O 3 (\displaystyle ((\ce (O3)))) , NO 2 (\displaystyle (\ce (NO2))), kolväten , HCl (\displaystyle (\ce (HCl))) , HF (\displaystyle (\ce (HF))) , HBr (\displaystyle (\ce (HBr))) , HI (\displaystyle ((\ce (HI)))), par Hg (\displaystyle (\ce (Hg))) , I 2 (\displaystyle (\ce (I2))) , Br 2 (\displaystyle (\ce (Br2))), liksom många andra gaser i små mängder. I troposfären finns ständigt en stor mängd suspenderade fasta och flytande partiklar (aerosol). Den sällsynta gasen i jordens atmosfär är Rn (\displaystyle (\ce (Rn))) .

Atmosfärens struktur

atmosfärens gränsskikt

Det nedre lagret av troposfären (1-2 km tjockt), där tillståndet och egenskaperna hos jordens yta direkt påverkar atmosfärens dynamik.

Troposfär

Dess övre gräns är på en höjd av 8-10 km i polar, 10-12 km i tempererade och 16-18 km i tropiska breddgrader; lägre på vintern än på sommaren.
Atmosfärens nedre huvudskikt innehåller mer än 80 % av den totala massan av atmosfärisk luft och cirka 90 % av all vattenånga som finns i atmosfären. Turbulens och konvektion är starkt utvecklad i troposfären, moln uppstår, cykloner och anticykloner utvecklas. Temperaturen minskar med höjden med en genomsnittlig vertikal gradient på 0,65°/100 meter.

tropopaus

Övergångsskiktet från troposfären till stratosfären, det skikt av atmosfären där temperaturminskningen med höjden upphör.

Stratosfär

Atmosfärens lager som ligger på en höjd av 11 till 50 km. En liten temperaturförändring i 11-25 km skiktet (det nedre skiktet av stratosfären) och dess ökning i 25-40 km skiktet från minus 56,5 till plus 0,8 °C (övre stratosfären eller inversionsregionen) är typiska. Efter att ha nått ett värde av cirka 273 K (nästan 0 °C) på en höjd av cirka 40 km, förblir temperaturen konstant upp till en höjd av cirka 55 km. Denna region med konstant temperatur kallas stratopaus och är gränsen mellan stratosfären och mesosfären.

Stratopaus

Atmosfärens gränsskikt mellan stratosfären och mesosfären. Det finns ett maximum i den vertikala temperaturfördelningen (cirka 0 °C).

Mesosfären

Termosfär

Den övre gränsen är ca 800 km. Temperaturen stiger till höjder på 200-300 km, där den når värden av storleksordningen 1500 K, varefter den förblir nästan konstant upp till höga höjder. Under inverkan av solstrålning och kosmisk strålning joniseras luft ("polära ljus") - jonosfärens huvudområden ligger inuti termosfären. På höjder över 300 km dominerar atomärt syre. Termosfärens övre gräns bestäms till stor del av solens nuvarande aktivitet. Under perioder med låg aktivitet - till exempel 2008-2009 - finns en märkbar minskning av storleken på detta lager.

Termopaus

Området i atmosfären ovanför termosfären. I denna region är absorptionen av solstrålning obetydlig och temperaturen förändras faktiskt inte med höjden.

Exosfär (spridningssfär)

Upp till en höjd av 100 km är atmosfären en homogen, välblandad blandning av gaser. I högre lager beror fördelningen av gaser på höjden på deras molekylära massor, koncentrationen av tyngre gaser minskar snabbare med avståndet från jordens yta. På grund av minskningen av gasdensiteten sjunker temperaturen från 0 °C i stratosfären till minus 110 °C i mesosfären. Den kinetiska energin hos enskilda partiklar på höjder av 200-250 km motsvarar dock en temperatur på ~150 °C. Över 200 km observeras betydande fluktuationer i temperatur och gasdensitet i tid och rum.

På en höjd av ca 2000-3500 km övergår exosfären gradvis till s.k. nära rymdvakuum, som är fylld med sällsynta partiklar av interplanetär gas, främst väteatomer. Men denna gas är bara en del av den interplanetära materien. Den andra delen består av dammliknande partiklar av kometärt och meteoriskt ursprung. Förutom extremt sällsynta dammpartiklar, tränger elektromagnetisk och korpuskulär strålning av sol- och galaktiskt ursprung in i detta utrymme.

Recension

Troposfären står för cirka 80 % av atmosfärens massa, stratosfären står för cirka 20 %; massan av mesosfären är inte mer än 0,3%, termosfären är mindre än 0,05% av den totala massan av atmosfären.

Baserat på de elektriska egenskaperna i atmosfären avger de neutrosfären och jonosfär .

Beroende på sammansättningen av gasen i atmosfären släpper de ut homosfär och heterosfär. heterosfär- detta är ett område där gravitationen påverkar separationen av gaser, eftersom deras blandning på en sådan höjd är försumbar. Därav följer den varierande sammansättningen av heterosfären. Under den ligger en välblandad, homogen del av atmosfären, kallad homosfären. Gränsen mellan dessa lager kallas turbopaus, den ligger på en höjd av cirka 120 km.

Andra egenskaper hos atmosfären och effekter på människokroppen

Redan på en höjd av 5 km över havet utvecklar en otränad person syresvält, och utan anpassning minskar en persons prestation avsevärt. Det är här den fysiologiska zonen i atmosfären slutar. Människans andning blir omöjlig på en höjd av 9 km, även om atmosfären upp till cirka 115 km innehåller syre.

Atmosfären ger oss det syre vi behöver för att andas. Men på grund av fallet i atmosfärens totala tryck när du stiger till en höjd, minskar också partialtrycket av syre i enlighet med detta.

Historien om atmosfärens bildande

Enligt den vanligaste teorin har jordens atmosfär varit i tre olika sammansättningar genom hela dess historia. Ursprungligen bestod den av lätta gaser (väte och helium) som fångats från det interplanetära rymden. Detta sk primär atmosfär. I nästa steg ledde aktiv vulkanisk aktivitet till att atmosfären mättades med andra gaser än väte (koldioxid, ammoniak, vattenånga). Detta är hur sekundär atmosfär. Denna atmosfär var återställande. Vidare bestämdes processen för bildandet av atmosfären av följande faktorer:

• läckage av lätta gaser (väte och helium) in i det interplanetära rummet;
• kemiska reaktioner som sker i atmosfären under påverkan av ultraviolett strålning, blixtnedslag och några andra faktorer.

Gradvis ledde dessa faktorer till bildandet tertiär atmosfär, kännetecknad av en mycket lägre halt av väte och en mycket högre halt av kväve och koldioxid (bildad som ett resultat av kemiska reaktioner från ammoniak och kolväten).

Kväve

Bildandet av en stor mängd kväve beror på oxidationen av ammoniak-väteatmosfären av molekylärt syre O 2 (\displaystyle (\ce (O2))), som började komma från planetens yta som ett resultat av fotosyntesen, med början för 3 miljarder år sedan. Även kväve N 2 (\displaystyle (\ce (N2))) släpps ut i atmosfären som ett resultat av denitrifiering av nitrater och andra kvävehaltiga föreningar. Kväve oxideras av ozon till NEJ (\displaystyle ((\ce (NO)))) i de övre lagren av atmosfären.

Kväve N 2 (\displaystyle (\ce (N2))) inträder i reaktioner endast under specifika förhållanden (till exempel under en blixtladdning). Oxidation av molekylärt kväve med ozon under elektriska urladdningar används i små mängder vid industriell produktion av kvävegödselmedel. Den kan oxideras med låg energiförbrukning och omvandlas till en biologiskt aktiv form av cyanobakterier (blågröna alger) och knölbakterier som bildar en rhizobial symbios med baljväxter, som kan vara effektiva gröngödslingsväxter som inte utarmar, utan berikar jorden med naturliga gödselmedel.

Syre

Atmosfärens sammansättning började förändras radikalt med tillkomsten av levande organismer på jorden, som ett resultat av fotosyntes, åtföljd av frisättning av syre och absorption av koldioxid. Ursprungligen användes syre för oxidation av reducerade föreningar - ammoniak, kolväten, järnformen av järn som finns i haven och andra. I slutet av detta skede började syrehalten i atmosfären växa. Efter hand bildades en modern atmosfär med oxiderande egenskaper. Eftersom detta orsakade allvarliga och abrupta förändringar i många processer som inträffade i atmosfären, litosfären och biosfären, kallades denna händelse syrekatastrofen.

ädelgaser

Luftförorening

På senare tid har människan börjat påverka atmosfärens utveckling. Resultatet av mänsklig aktivitet har varit en konstant ökning av innehållet av koldioxid i atmosfären på grund av förbränning av kolvätebränslen som ackumulerats under tidigare geologiska epoker. Enorma mängder konsumeras i fotosyntesen och absorberas av världshaven. Denna gas kommer in i atmosfären på grund av nedbrytningen av karbonatstenar och organiska ämnen av vegetabiliskt och animaliskt ursprung, samt på grund av vulkanism och mänsklig produktion. Under de senaste 100 åren innehåll CO 2 (\displaystyle (\ce (CO2))) i atmosfären ökade med 10 %, där huvuddelen (360 miljarder ton) kom från bränsleförbränning. Om tillväxttakten för bränsleförbränning fortsätter, kommer mängden under de kommande 200-300 åren CO 2 (\displaystyle (\ce (CO2))) fördubblas i atmosfären och kan leda till

Atmosfär(från den grekiska atmosfären - ånga och spharia - boll) - jordens luftskal som roterar med det. Atmosfärens utveckling var nära förbunden med de geologiska och geokemiska processer som äger rum på vår planet, såväl som med levande organismers aktiviteter.

Atmosfärens nedre gräns sammanfaller med jordens yta, eftersom luft tränger in i de minsta porerna i jorden och löses även i vatten.

Den övre gränsen på en höjd av 2000-3000 km passerar gradvis ut i rymden.

Syrerik atmosfär gör livet möjligt på jorden. Atmosfäriskt syre används i andningsprocessen av människor, djur och växter.

Om det inte fanns någon atmosfär skulle jorden vara lika tyst som månen. När allt kommer omkring är ljud vibrationen av luftpartiklar. Himlens blå färg förklaras av det faktum att solens strålar, som passerar genom atmosfären, som genom en lins, sönderdelas i sina komponentfärger. I det här fallet är strålarna av blå och blå färger utspridda mest av allt.

Atmosfären håller kvar det mesta av den ultravioletta strålningen från solen, vilket har en skadlig effekt på levande organismer. Det håller också värmen på jordens yta, vilket hindrar vår planet från att svalna.

Atmosfärens struktur

Flera lager kan urskiljas i atmosfären, olika i densitet och densitet (Fig. 1).

Troposfär

Troposfär- det lägsta lagret av atmosfären, vars tjocklek ovanför polerna är 8-10 km, i tempererade breddgrader - 10-12 km och ovanför ekvatorn - 16-18 km.

Ris. 1. Strukturen av jordens atmosfär

Luften i troposfären värms upp från jordens yta, det vill säga från land och vatten. Därför minskar lufttemperaturen i detta lager med höjden med i genomsnitt 0,6 °C för varje 100 m. Vid troposfärens övre gräns når den -55 °C. Samtidigt, i ekvatorområdet vid troposfärens övre gräns, är lufttemperaturen -70 ° С, och i regionen av nordpolen -65 ° С.

Cirka 80 % av atmosfärens massa är koncentrerad i troposfären, nästan all vattenånga är lokaliserad, åskväder, stormar, moln och nederbörd förekommer, och vertikal (konvektion) och horisontell (vind) luftrörelse uppstår.

Vi kan säga att vädret huvudsakligen bildas i troposfären.

Stratosfär

Stratosfär- det skikt av atmosfären som ligger ovanför troposfären på en höjd av 8 till 50 km. Himlens färg i detta lager ser lila ut, vilket förklaras av luftens sällsynthet, på grund av vilken solens strålar nästan inte sprider sig.

Stratosfären innehåller 20 % av atmosfärens massa. Luften i detta lager är sällsynt, det finns praktiskt taget ingen vattenånga, och därför bildas nästan inte moln och nederbörd. Men stabila luftströmmar observeras i stratosfären, vars hastighet når 300 km / h.

Detta skikt koncentreras ozon(ozonskärm, ozonosfär), ett lager som absorberar ultravioletta strålar, hindrar dem från att passera till jorden och skyddar därigenom levande organismer på vår planet. På grund av ozon ligger lufttemperaturen vid stratosfärens övre gräns i intervallet från -50 till 4-55 °C.

Mellan mesosfären och stratosfären finns en övergångszon - stratopausen.

Mesosfären

Mesosfären- ett lager av atmosfären som ligger på en höjd av 50-80 km. Luftdensiteten här är 200 gånger mindre än vid jordens yta. Himlens färg i mesosfären ser svart ut, stjärnor är synliga under dagen. Lufttemperaturen sjunker till -75 (-90)°С.

På en höjd av 80 km börjar termosfär. Lufttemperaturen i detta lager stiger kraftigt till en höjd av 250 m och blir sedan konstant: på en höjd av 150 km når den 220-240 °C; på en höjd av 500-600 km överstiger den 1500 °C.

I mesosfären och termosfären, under inverkan av kosmiska strålar, bryts gasmolekyler upp till laddade (joniserade) partiklar av atomer, så denna del av atmosfären kallas jonosfär- ett lager av mycket förtärnad luft, beläget på en höjd av 50 till 1000 km, bestående huvudsakligen av joniserade syreatomer, kväveoxidmolekyler och fria elektroner. Detta lager kännetecknas av hög elektrifiering, och långa och medelstora radiovågor reflekteras från det, som från en spegel.

I jonosfären uppstår norrsken - glöden från förtärnade gaser under påverkan av elektriskt laddade partiklar som flyger från solen - och skarpa fluktuationer i magnetfältet observeras.

Exosfär

Exosfär- atmosfärens yttre skikt, beläget över 1000 km. Detta skikt kallas även spridningssfären, eftersom gaspartiklar rör sig här med hög hastighet och kan spridas ut i rymden.

Atmosfärens sammansättning

Atmosfären är en blandning av gaser som består av kväve (78,08%), syre (20,95%), koldioxid (0,03%), argon (0,93%), en liten mängd helium, neon, xenon, krypton (0,01%), ozon och andra gaser, men deras innehåll är försumbart (tabell 1). Den moderna sammansättningen av jordens luft etablerades för mer än hundra miljoner år sedan, men den kraftigt ökade mänskliga produktionsaktiviteten ledde ändå till dess förändring. För närvarande sker en ökning av innehållet av CO 2 med cirka 10-12%.

Gaserna som utgör atmosfären har olika funktionella roller. Men den huvudsakliga betydelsen av dessa gaser bestäms främst av det faktum att de mycket starkt absorberar strålningsenergi och därmed har en betydande effekt på temperaturregimen på jordens yta och atmosfär.

Tabell 1. Kemisk sammansättning av torr atmosfärisk luft nära jordytan

Kväve, den vanligaste gasen i atmosfären, kemiskt lite aktiv.

Syre, till skillnad från kväve, är ett kemiskt mycket aktivt grundämne. Syrets specifika funktion är oxidation av organiskt material från heterotrofa organismer, stenar och ofullständigt oxiderade gaser som släpps ut i atmosfären av vulkaner. Utan syre skulle det inte finnas någon nedbrytning av dött organiskt material.

Koldioxidens roll i atmosfären är exceptionellt stor. Det kommer in i atmosfären som ett resultat av förbränningsprocesser, andning av levande organismer, förfall och är först och främst det huvudsakliga byggmaterialet för skapandet av organiskt material under fotosyntesen. Dessutom är koldioxidens egenskap att överföra kortvågig solstrålning och absorbera en del av termisk långvågig strålning av stor betydelse, vilket kommer att skapa den så kallade växthuseffekten, som kommer att diskuteras nedan.

Inverkan på atmosfäriska processer, särskilt på stratosfärens termiska regim, utövas också av ozon. Denna gas fungerar som en naturlig absorbator av ultraviolett solstrålning, och absorptionen av solstrålning leder till luftuppvärmning. De genomsnittliga månatliga värdena för den totala ozonhalten i atmosfären varierar beroende på områdets latitud och årstid inom 0,23-0,52 cm (detta är ozonskiktets tjocklek vid marktryck och temperatur). Det finns en ökning av ozonhalten från ekvatorn till polerna och en årlig variation med ett minimum på hösten och ett maximum på våren.

En karakteristisk egenskap hos atmosfären kan kallas det faktum att innehållet i huvudgaserna (kväve, syre, argon) ändras något med höjden: på en höjd av 65 km i atmosfären är kvävehalten 86%, syre - 19, argon - 0,91, på en höjd av 95 km - kväve 77, syre - 21,3, argon - 0,82%. Konstantiteten hos atmosfärsluftens sammansättning vertikalt och horisontellt bibehålls genom dess blandning.

Förutom gaser innehåller luft vattenånga och fasta partiklar. Den senare kan ha både naturligt och artificiellt (antropogent) ursprung. Dessa är blompollen, små saltkristaller, vägdamm, aerosolföroreningar. När solens strålar tränger igenom fönstret kan de ses med blotta ögat.

Det finns särskilt mycket partiklar i luften i städer och stora industricentra, där utsläpp av skadliga gaser och deras föroreningar som bildas vid bränsleförbränning tillsätts aerosoler.

Koncentrationen av aerosoler i atmosfären bestämmer luftens genomskinlighet, vilket påverkar solstrålningen som når jordens yta. De största aerosolerna är kondensationskärnor (från lat. kondensatio- packning, förtjockning) - bidra till omvandlingen av vattenånga till vattendroppar.

Värdet av vattenånga bestäms i första hand av att den fördröjer den långvågiga termiska strålningen av jordytan; representerar huvudlänken mellan stora och små fuktcykler; höjer temperaturen på luften när vattenbäddarna kondenserar.

Mängden vattenånga i atmosfären varierar över tid och rum. Således sträcker sig koncentrationen av vattenånga nära jordens yta från 3 % i tropikerna till 2-10 (15) % i Antarktis.

Det genomsnittliga innehållet av vattenånga i atmosfärens vertikala kolumn på tempererade breddgrader är cirka 1,6-1,7 cm (lagret av kondenserad vattenånga kommer att ha en sådan tjocklek). Information om vattenånga i olika skikt av atmosfären är motsägelsefull. Man antog till exempel att i höjdområdet från 20 till 30 km ökar den specifika luftfuktigheten kraftigt med höjden. Efterföljande mätningar indikerar dock en större torrhet i stratosfären. Tydligen beror den specifika luftfuktigheten i stratosfären lite på höjden och uppgår till 2–4 mg/kg.

Variabiliteten av vattenånginnehållet i troposfären bestäms av interaktionen mellan avdunstning, kondensering och horisontell transport. Som ett resultat av kondensering av vattenånga bildas moln och nederbörd sker i form av regn, hagel och snö.

Processerna med fasövergångar av vatten pågår huvudsakligen i troposfären, varför moln i stratosfären (på höjder av 20-30 km) och mesosfären (nära mesopausen), kallade pärlemor och silver, observeras relativt sällan , medan troposfäriska moln ofta täcker cirka 50 % av hela jordens ytor.

Mängden vattenånga som kan finnas i luften beror på luftens temperatur.

1 m 3 luft vid en temperatur av -20 ° C kan inte innehålla mer än 1 g vatten; vid 0 °C - högst 5 g; vid +10 ° С - inte mer än 9 g; vid +30 ° С - inte mer än 30 g vatten.

Slutsats: Ju högre lufttemperaturen är, desto mer vattenånga kan den innehålla.

Luft kan vara rik och inte mättadånga. Så om vid en temperatur av +30 ° C 1 m 3 luft innehåller 15 g vattenånga, är luften inte mättad med vattenånga; om 30 g - mättad.

Absolut fuktighet- detta är mängden vattenånga som finns i 1 m 3 luft. Det uttrycks i gram. Till exempel, om de säger "absolut luftfuktighet är 15", betyder det att 1 ml innehåller 15 g vattenånga.

Relativ luftfuktighet- detta är förhållandet (i procent) av det faktiska innehållet av vattenånga i 1 m 3 luft och mängden vattenånga som kan finnas i 1 m L vid en given temperatur. Till exempel, om radion under sändningen av väderrapporten rapporterade att den relativa luftfuktigheten är 70 % betyder det att luften innehåller 70 % av den vattenånga som den kan hålla vid en given temperatur.

Ju högre luftfuktigheten är, t. ju närmare luften är mättnad, desto mer sannolikt är det att den faller.

Alltid hög (upp till 90%) relativ luftfuktighet observeras i ekvatorialzonen, eftersom det finns en hög lufttemperatur under hela året och det sker en stor avdunstning från havsytan. Samma höga relativa luftfuktighet finns i polarområdena, men bara för att vid låga temperaturer även en liten mängd vattenånga gör luften mättad eller nära mättnad. På tempererade breddgrader varierar den relativa luftfuktigheten säsongsmässigt - den är högre på vintern och lägre på sommaren.

Luftens relativa fuktighet är särskilt låg i öknar: 1 m 1 luft innehåller två till tre gånger mindre än den mängd vattenånga som är möjlig vid en given temperatur.

För att mäta relativ luftfuktighet används en hygrometer (från grekiskan hygros - våt och metreco - jag mäter).

När den kyls, kan mättad luft inte behålla samma mängd vattenånga i sig, den tjocknar (kondenserar) och förvandlas till dimdroppar. Dimma kan observeras på sommaren på en klar sval natt.

Moln- det här är samma dimma, bara den bildas inte på jordens yta, utan på en viss höjd. När luften stiger svalnar den och vattenångan i den kondenseras. De resulterande små dropparna vatten utgör molnen.

involverade i bildandet av moln partiklar upphängd i troposfären.

Moln kan ha en annan form, vilket beror på förhållandena för deras bildning (tabell 14).

De lägsta och tyngsta molnen är stratus. De ligger på en höjd av 2 km från jordens yta. På en höjd av 2 till 8 km kan mer pittoreska cumulusmoln observeras. De högsta och lättaste är cirrusmoln. De ligger på en höjd av 8 till 18 km över jordens yta.

Atmosfäriskt skydd

De huvudsakliga källorna är industriföretag och bilar. I stora städer är problemet med gasförorening av de viktigaste transportvägarna mycket akut. Det är därför i många stora städer i världen, inklusive vårt land, har miljökontroll av toxiciteten hos bilavgaser införts. Enligt experter kan rök och damm i luften halvera flödet av solenergi till jordens yta, vilket kommer att leda till en förändring av de naturliga förhållandena.

Jordens atmosfär är heterogen: olika luftdensiteter och tryck observeras på olika höjder, temperatur och gassammansättning förändras. Baserat på omgivningstemperaturens beteende (dvs. temperaturen stiger med höjden eller minskar), särskiljs följande lager i den: troposfär, stratosfär, mesosfär, termosfär och exosfär. Gränserna mellan lagren kallas pauser: det finns 4 av dem, eftersom. exosfärens övre gräns är mycket suddig och hänvisar ofta till närrummet. Atmosfärens allmänna struktur finns i det bifogade diagrammet.

Fig.1 Strukturen av jordens atmosfär. Kredit: webbplats

Det lägsta atmosfäriska lagret är troposfären, vars övre gräns, kallad tropopausen, varierar beroende på geografisk latitud och sträcker sig från 8 km. i polar upp till 20 km. på tropiska breddgrader. På medel- eller tempererade breddgrader ligger dess övre gräns på höjder av 10-12 km. Under året upplever den övre gränsen av troposfären fluktuationer beroende på inflödet av solstrålning. Så, som ett resultat av undersökningar på jordens sydpol av den amerikanska meteorologiska tjänsten, avslöjades det att från mars till augusti eller september sker en stadig avkylning av troposfären, som ett resultat av vilket under en kort period i Augusti eller september stiger dess gräns till 11,5 km. Sedan, mellan september och december, sjunker den snabbt och når sin lägsta position - 7,5 km, varefter dess höjd förblir praktiskt taget oförändrad fram till mars. De där. Troposfären är som tjockast på sommaren och som tunnast på vintern.

Det bör noteras att förutom säsongsvariationer finns det också dagliga fluktuationer i höjden av tropopausen. Dessutom påverkas dess position av cykloner och anticykloner: i den första faller den, eftersom. trycket i dem är lägre än i den omgivande luften, och för det andra stiger det därefter.

Troposfären innehåller upp till 90 % av den totala massan av jordens luft och 9/10 av all vattenånga. Turbulens är högt utvecklad här, speciellt i de nära ytan och högsta lagren, moln av alla nivåer utvecklas, cykloner och anticykloner bildas. Och på grund av ansamlingen av växthusgaser (koldioxid, metan, vattenånga) av solens strålar som reflekteras från jordens yta utvecklas växthuseffekten.

Växthuseffekten är förknippad med en minskning av lufttemperaturen i troposfären med höjden (eftersom den uppvärmda jorden avger mer värme till ytskikten). Den genomsnittliga vertikala gradienten är 0,65°/100 m (dvs lufttemperaturen sjunker med 0,65°C för varje 100 meter du stiger). Så om den genomsnittliga årliga lufttemperaturen vid jordens yta nära ekvatorn är + 26 °, då vid den övre gränsen -70 °. Temperaturen i tropopausområdet ovanför Nordpolen varierar under hela året från -45° på sommaren till -65° på vintern.

När höjden ökar minskar också lufttrycket och uppgår till endast 12-20 % av den ytnära nivån nära den övre troposfären.

På gränsen mellan troposfären och stratosfärens överliggande skikt ligger tropopausskiktet, 1-2 km tjockt. Luftskiktet där den vertikala gradienten minskar till 0,2°/100 m mot 0,65°/100 m i de underliggande regionerna av troposfären tas vanligtvis som tropopausens nedre gränser.

Inom tropopausen observeras luftflöden i en strikt definierad riktning, kallade jetströmmar på hög höjd eller "jetströmmar", bildade under inverkan av jordens rotation runt sin axel och uppvärmning av atmosfären med deltagande av solstrålning. Strömmar observeras vid gränserna för zoner med betydande temperaturskillnader. Det finns flera centra för lokalisering av dessa strömmar, till exempel arktiska, subtropiska, subpolära och andra. Att känna till lokaliseringen av jetströmmar är mycket viktigt för meteorologi och flyg: den första använder strömmar för mer exakt väderprognoser, den andra för att bygga flygrutter för flygplan, eftersom Vid flödesgränserna finns starka turbulenta virvlar, liknande små virvlar, kallade "klar himmelsturbulens" på grund av frånvaron av moln på dessa höjder.

Under inverkan av jetströmmar på hög höjd bildas ofta bristningar i tropopausen, och ibland försvinner den helt, fast då bildas den igen. Detta observeras särskilt ofta på subtropiska breddgrader över vilka en kraftfull subtropisk höghöjdsström dominerar. Dessutom leder skillnaden i tropopausens lager i termer av omgivande lufttemperatur till bildandet av pauser. Till exempel finns det ett stort gap mellan den varma och låga polära tropopausen och den höga och kalla tropopausen på tropiska breddgrader. Nyligen har också ett lager av tropopausen av tempererade breddgrader urskiljts, som har brytningar med de två föregående lagren: polära och tropiska.

Det andra lagret av jordens atmosfär är stratosfären. Stratosfären kan villkorligt delas in i 2 regioner. Den första av dem, som ligger upp till höjder på 25 km, kännetecknas av nästan konstanta temperaturer, som är lika med temperaturerna i de övre lagren av troposfären över ett specifikt område. Den andra regionen, eller inversionsregionen, kännetecknas av en ökning av lufttemperaturen till höjder av cirka 40 km. Detta beror på absorptionen av solens ultravioletta strålning av syre och ozon. I den övre delen av stratosfären är temperaturen på grund av denna uppvärmning ofta positiv eller till och med jämförbar med ytlufttemperaturen.

Ovanför inversionsområdet finns ett lager med konstanta temperaturer, som kallas stratopaus och är gränsen mellan stratosfären och mesosfären. Dess tjocklek når 15 km.

Till skillnad från troposfären är turbulenta störningar sällsynta i stratosfären, men starka horisontella vindar eller jetströmmar som blåser i smala zoner längs gränserna för tempererade breddgrader som vetter mot polerna. Placeringen av dessa zoner är inte konstant: de kan förskjutas, expandera eller till och med försvinna helt. Ofta tränger jetströmmar in i de övre skikten av troposfären, eller vice versa, luftmassor från troposfären tränger in i de nedre skikten av stratosfären. Sådan blandning av luftmassor i områden med atmosfäriska fronter är särskilt karakteristisk.

Lite i stratosfären och vattenånga. Luften här är väldigt torr, och därför finns det få moln. Endast på höjder av 20-25 km, på höga breddgrader, kan man märka mycket tunna pärlemormoln, bestående av underkylda vattendroppar. Under dagen är dessa moln inte synliga, men när mörkret börjar tycks de glöda på grund av sin belysning av solen som redan har gått ner under horisonten.

På samma höjder (20-25 km.) i den nedre stratosfären finns det så kallade ozonskiktet - området med högst ozoninnehåll, som bildas under påverkan av ultraviolett solstrålning (du kan lära dig mer om denna process på sidan). Ozonskiktet eller ozonosfären är avgörande för att upprätthålla liv för alla organismer som lever på land genom att absorbera dödliga ultravioletta strålar upp till 290 nm. Det är av denna anledning som levande organismer inte lever ovanför ozonskiktet, det är den övre gränsen för spridningen av liv på jorden.

Under påverkan av ozon förändras även magnetfält, atomer bryter upp molekyler, jonisering sker, nybildning av gaser och andra kemiska föreningar.

Atmosfärens skikt ovanför stratosfären kallas mesosfären. Den kännetecknas av en minskning av lufttemperaturen med höjden med en genomsnittlig vertikal gradient på 0,25-0,3°/100 m, vilket leder till stark turbulens. Vid de övre gränserna för mesosfären i området som kallas mesopausen noterades temperaturer upp till -138 ° C, vilket är det absoluta minimumet för hela jordens atmosfär som helhet.

Här, inom mesopausen, passerar den nedre gränsen för området för aktiv absorption av röntgenstrålning och kortvågig ultraviolett strålning från solen. Denna energiprocess kallas strålningsvärmeöverföring. Som ett resultat värms gasen upp och joniseras, vilket orsakar atmosfärens glöd.

På höjder av 75-90 km nära mesosfärens övre gränser noterades speciella moln som ockuperade stora områden i planetens polarområden. Dessa moln kallas silver på grund av deras glöd i skymningen, vilket beror på reflektionen av solljus från iskristallerna som dessa moln består av.

Lufttrycket i mesopausen är 200 gånger lägre än på jordens yta. Detta tyder på att nästan all luft i atmosfären är koncentrerad i dess 3 lägre lager: troposfären, stratosfären och mesosfären. De överliggande lagren av termosfären och exosfären står för endast 0,05 % av hela atmosfärens massa.

Termosfären ligger på höjder från 90 till 800 km över jordens yta.

Termosfären kännetecknas av en kontinuerlig ökning av lufttemperaturen upp till höjder på 200-300 km, där den kan nå 2500°C. Temperaturökningen uppstår på grund av absorptionen av gasmolekyler av röntgen- och kortvågsdelen av solens ultravioletta strålning. Över 300 km över havet avstannar temperaturökningen.

Samtidigt som temperaturen stiger, minskar trycket, och följaktligen densiteten av den omgivande luften. Så om densiteten vid termosfärens nedre gränser är 1,8 × 10 -8 g / cm 3, så är den vid den övre redan 1,8 × 10 -15 g / cm 3, vilket ungefär motsvarar 10 miljoner - 1 miljard partiklar i 1 cm 3 .

Alla egenskaper hos termosfären, såsom luftens sammansättning, dess temperatur, densitet, är föremål för starka fluktuationer: beroende på geografiskt läge, årstid och tid på dygnet. Även placeringen av termosfärens övre gräns förändras.

Atmosfärens översta skikt kallas exosfären eller spridningsskiktet. Dess nedre gräns förändras ständigt inom mycket vida gränser; höjden 690-800 km togs som medelvärde. Den är satt där sannolikheten för intermolekylära eller interatomära kollisioner kan försummas, d.v.s. det genomsnittliga avståndet som en slumpmässigt rörlig molekyl kommer att täcka innan den kolliderar med en annan liknande molekyl (den så kallade fria banan) kommer att vara så stort att molekylerna faktiskt inte kommer att kollidera med en sannolikhet nära noll. Det skikt där det beskrivna fenomenet äger rum kallas termopausen.

Exosfärens övre gräns ligger på höjder av 2-3 tusen km. Den är kraftigt suddig och går gradvis över i det nära rymdvakuumet. Ibland, av denna anledning, anses exosfären vara en del av yttre rymden, och dess övre gräns anses vara en höjd av 190 tusen km, vid vilken effekten av solstrålningstrycket på väteatomernas hastighet överstiger gravitationsattraktionen av jorden. Detta är den så kallade. jordens korona, som är uppbyggd av väteatomer. Tätheten av jordens korona är mycket låg: endast 1000 partiklar per kubikcentimeter, men även detta antal är mer än 10 gånger högre än koncentrationen av partiklar i det interplanetära rymden.

På grund av den extremt sällsynta luften i exosfären rör sig partiklar runt jorden i elliptiska banor utan att kollidera med varandra. Vissa av dem, som rör sig längs öppna eller hyperboliska banor med kosmiska hastigheter (väte- och heliumatomer), lämnar atmosfären och går ut i yttre rymden, vilket är anledningen till att exosfären kallas spridningssfären.