11. Атмосфера

12.1 Состав атмосферы. Жизнь на Земле стала возможной, прежде всего оттого, что на планете есть атмосфера – воздушная оболочка. Она словно куполом прикрыла Землю, с ее растительным и животным миром, защищая от пагубного влияния ультрафиолетовой и космической радиации, от заряженных частиц, излучаемых космическим пространством, от крупных тел, врывающихся в атмосферу из Космоса, в основной массе сгорающих в воздухе (и только часть, которых проникает в поверхности Земли в виде метеоритов). Атмосфера задерживает тепло, которое излучается земной поверхностью, что предохраняет Землю от охлаждения и резких колебаний температуры в течение суток и года.

Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов, взвешенных капель воды, пыли, кристаллов льда и пр. Сухой воздух вблизи земной поверхности по объему содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,003% углекислого газа. Количество других газов в воздухе ничтожно мало. Содержание водяных паров непостоянно и колеблется от 0 до 4%.

До высоты 80-100 км состав атмосферы существенно не меняется из-за постоянного перемещения газов. Важной составной частью воздуха является кислород. Роль его велика. За счет кислорода организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Атмосфера содержит около 10¹⁵т кислорода. Столько же его приходит через живое вещество, а растения столько же возвращают в атмосферу.

Содержание углекислого газа в атмосфере непостоянно. В промышленных районах его больше. В приземном слое воздуха количество CO₂ претерпевает и суточные изменения. Наблюдается увеличение содержания углекислого газа в атмосфере за последние 50 лет почти на 10%. Это, по-видимому, способствует потеплению климата, т.к. CO₂ выполняет роль стекол в садовом парнике.

Важной частью атмосферы являются водяные пары. В отличие от других газов, содержание их с высотой очень быстро уменьшается – около 90% всего количества водяного пара находится в приземном пятикилометровом слое воздуха. Влагосодержание воздуха зависит от температуры воздуха, что играет существенную роль в жизни планеты, поскольку этим обусловлено образование облаков и осадков.

В атмосфере всегда содержится большое количество пыли. Нижние слои содержат минеральные частицы, продукты горения, вулканическую пыль, семена, споры, пыльцу растений, частицы морской соли. В верхнюю атмосферу проникает космическая пыль – за год на Землю падает около 1000 тонн космической пыли.

На высоте 22-25 км находится максимум концентрации озона, который возникает при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации и тем самым предохраняет животный и растительный мир от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

12.2 Строение атмосферы. Атмосфера простирается до высоты 2-3 тыс. км и без резкой границы резко переходит в межпланетное пространство. С высотой меняется химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и др. ее физические свойства. По характеру изменения температуры атмосфера делится на следующие слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу и переходные слои, так называемые паузы: тропопаузу, стратопаузу, мезопаузу, термопаузу.

Тропосфера. Свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является ее нижней границей. В экваториальной и тропических зонах высота тропосферы достигает 16-18 км, над полюсами 8-10 км, в умеренных широтах 10-12 км. В тропосфере находится 80% всей массы воздуха, причем половина его сосредоточена в нижнем пятикилометровом слое. Температура воздуха в тропосфере понижается с высотой в среднем на 0,6С на каждые 100 м. Это объясняется тем, что воздух нагревается и охлаждается от поверхности Земли. В тропосфере происходит конденсация водяных паров. Здесь образуются туманы и облака, дожди и снегопады, бури и ураганы, т.е. те явления, которые определяют погоду. Это более изученный слой атмосферы.

Стратосфера. Простирается до высоты 50-55 км. По физическим свойствам она резко отличается от тропосферы тем, что температура воздуха здесь повышается и у верхней границы становится даже положительной. Повышение температуры в этом слое вызвано наличием здесь озона, который занимает почти всю стратосферу и, поглощая ультрафиолетовые лучи, нагревает воздух. Стратосфера бедна водяными парами. Здесь не происходят бурные процессы облакообразования и не выпадают осадки, однако, в стратосфере иногда наблюдается образование уникального явления природы – перламутровых облаков, природа которых еще не выяснена, но предполагается, что они состоят из переохлажденных капель. В стратосфере происходит вертикальная и горизонтальная циркуляция воздуха, вызванная неоднородным распределением в ней тепла.

Мезосфера. Простирается от 55 до 80 км. Она характеризуется падением температуры, продолжающимся до мезопаузы, от 0С до-75 –90С. С высоты около 80 км это понижение температуры прекращается и начинается ее повышение. Здесь летом над инверсионным слоем в сумерках при ясной погоде наблюдаются блестящие, тонкие облака, ярко освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. Эти удивительные облака называют серебристыми; предполагают, что они состоят из ледяных кристаллов и космической пыли. Установлено, что на их уровне ветры обладают большой изменчивостью, и скорости ветра колеблются от 50 до нескольких сотен километров в час.

Термосфера. Простирается до 800-1000 км – самый мощный слой атмосферы. Здесь наблюдается рост температуры с высотой: на уровне 150 км до 220С, а у верхней границы она, по-видимому, превышает 1000С. Под действием ультрафиолетовой и электрической радиации Солнца нарушается строение молекул и атомов газов: происходит отрыв электронов и в пространстве находятся целые атомы, атомы без электронов и отдельные электроны. Такое состояние вещества называют сверхгазовым, или плазмой, а процесс расщепления атомов и образование заряженных частиц – ионизацией. Поэтому термосфера называется еще и ионосферой. При крайней разреженности пространства термосферы высокая температура не ощущается. В термосфере сгорает, не долетает до поверхности Земли, основная часть материалов. В слое ионизации образуются полярные сияния. Этот же слой, отражая радиоволны, обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера. Сфера рассеяния – самая верхняя часть атмосферы, расположенная до высоты 2-3 тыс. км. Частицы газов настолько редки, что, двигаясь с огромными скоростями – около 12 км/сек, почти не встречаясь друг с другом, они рассеиваются в межпланетном пространстве. Особенно интенсивно ускользают атомы водорода и гелия. Эти газы, очевидно, и господствуют в экзосфере. Водород и гелий, преодолевающие земное притяжение образуют около Земли корону до высоты 20 тыс. км, которая в неосвещенной стороне планеты тянется наподобие хвоста кометы.

Вокруг Земли существуют зоны с повышенным содержанием заряженных частиц, т.е. радиационных поясов – внутреннего и внешнего. Внутренняя зона диаметром 15-20 тыс. км состоит из протонов, являющихся продуктом распада нейтронов, возникших при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой. Внешний пояс диаметром 50-100 тыс. км состоит из электронов солнечного происхождения. Эти заряженные частицы задерживаются около Земли ее магнитным полем. Границы радиационных поясов изменяются в зависимости от солнечной активности.

По электрическим свойствам атмосферу делят на два слоя: нейтросферу и ионосферу. Это деление основано на распределении в атмосферу электрически заряженных частиц газов – ионов. В нейтросфере, где плотность воздуха близка к нормальной, частицы, несущие положительный или отрицательный заряд, часто сталкиваясь, воссоединяются, образуются нейтральные молекулы или атомы. Выше 80 км располагается ионосфера. Она представляет собой ионизированные слои воздуха, т.е. газы, получившие электрический заряд.