Атмосфера — склад, будова і властивості

Планету Земля оточує багатошарова газова оболонка товщиною в кілька тисяч кілометрів. На її склад і структуру впливають багато факторів. Але найсильніше на атмосферу впливає життєдіяльність людей.

Шари характеризуються неоднорідністю і динамічністю. Вони утворюють цілісну систему, без якої життя на планеті була б неможливою.

Основні властивості атмосфери

Космічний простір – джерело загроз для живих організмів. При відсутності повітряної оболонки метеорити не згорали б, а падали на поверхню Землі. Інша серйозна загроза – ультрафіолетове випромінювання Сонця, здатне знищити флору і фауну. Шари атмосфери забезпечують комфортне життя для сотень тисяч видів організмів.

Первинна газоподібна оболонка стала зароджуватися з моменту появи землі та з часом перетворилася в складну структуру з безліччю функцій.

Так, завдяки повітряному шару утворюються хмари. Вони, в свою чергу, відбивають сонячні промені і повертають тепло на землю. Цей процес повторюється багаторазово, тому у поверхні планети зберігається комфортна температура. Без атмосферних шарів на Землі було б в середньому на 30 градусів холодніше, ніж зараз.

У декількох шарах оболонки відбувається колообіг води. Над усією планетою переміщаються теплі і холодні потоки повітря. Ці процеси врівноважують Клімат на земній кулі. Без атмосфери різниця температур на екваторі і біля полюсів була б колосальною. Різноманітність форм живої і неживої природи утворилося завдяки унікальним кліматичним умовам, які стали результатом переміщення газоподібних структур.

Загальна маса всіх шарів, що входять до складу атмосфери, становить 5,2×1018кг. газоподібні речовини оточують планету, поширюючись на багато тисяч кілометрів від поверхні.

Шари атмосфери:

  • тропосфера;
  • стратосфера;
  • мезосфера;
  • термосфера;
  • екзосфера;
  • іоносфера.

Вони розташовуються саме в такому порядку та обертаються разом з планетою. Ті, що знаходяться вище, рухаються з іншою швидкістю. Верхнім шаром вважають екзосферу, але деякі вчені зараховують до атмосфери також іоносферу.

Склад повітряної оболонки

Повітря являє собою неоднорідну суміш газів. У нижніх оболонках можна нарахувати 12 видів. На більшій висоті присутні практично всі елементи хімічної таблиці Менделєєва. Всі вони знаходяться в газоподібному стані.
 
Найбільше в атмосфері кисню, що забарвлює повітряну оболонку в блакитний колір. Цей ефект пояснюється тим, що повітря найкраще розсіює короткі промені, що утворюють синю частину спектра. Цікаво, що Земля з космосу виглядає блакитною, а на величезній відстані здається синьою крапкою. Крім кисню, в складі повітряної оболонки присутні такі елементи:
  • водень;
  • гелій;
  • неон;
  • криптон;
  • аргон;
  • радон;
  • ксенон.
Благородні гази проникають на поверхню під час вулканічних вивержень і підіймаються у верхні шари. Склад і будова атмосфери весь час змінюється, але в масштабах планети ці процеси незначні.
 

Навіть якщо кількість кисню зменшиться в 100 разів, це не призведе до руйнування озонового шару. Однак діяльність людини загрожує не стільки існуванню планети, скільки самої цивілізації. Вже зараз над деякими великими містами постійно присутні Хмари смогу, добре помітні з космічного простору. Також вчених турбує виникнення озонових дірок, яких з кожним роком стає більше.

Фізичні характеристики тропосфери

Кожен з основних шарів володіє особливими характеристиками. Тропосфера – найщільніша оболонка, перша за рахунком від поверхні планети. На полюсах вона поширюється на 7 км від поверхні, а біля екватора — на 20 км. Різниця обумовлена тим, що планета не кругла, а трохи сплющена, оскільки на неї впливає відцентрова сила. Чим тепліше повітря, тим більше розмір тропосфери.

Цей шар – найбільш продуктивний і динамічний. У ньому:

  • формуються хмари;
  • утворюються вітри;
  • циклони і антициклони.

У тропосфері мешкає велика частина видів, що утворюють живу природу. Температура повітря в цій частині оболонки знижується на 0,5 – 0,7 градуса зі збільшенням висоти на кожні 100 метрів. Швидкість вітру змінюється на 2-3 км/с на 1 км висоти.

У тропопаузі температура залишається незмінною. Нижня частина тропосфери примикає до літосфери і утворює прикордонний шар. Його роль полягає в акумуляції і передача тепла на висоту. Водообмін також відбувається в прикордонному шарі. Протягом 8-12 днів відбувається повний оборот води. Таким чином, тропосфера грає роль величезного фільтра.

У складі цього шару виділяють гомосферу – простір, де знаходиться і здійснює діяльність людина.

Опис стратосфери

Стратосферою називають повітряний шар, який починається на висоті 50 км біля екватора і близько 8 км — біля полюсів. У перекладі з грецької stratus означає»шар, настил”. Ця зона дуже розріджена, в ній дуже мало частинок води. Тиск повітря у верхній частині стратосфери в 100 разів нижче, ніж у поверхні, а в нижній — в 10 разів.

Температура повітря з набором висоти зростає: якщо в нижній частині повітряного шару вона становить -56 градусів, то у верхній — від -1 до 0. Припинення нагріву повітря спостерігається в стратопаузі – прикордонному шарі між мезосферою і стратосферою.

У стратосфері літають літаки, чия швидкість вище звукової, і пасажирські лайнери. Така висота обрана тому, що в нижніх шарах стратосфери спостерігається стабільність повітряних потоків, а завдяки низькій температурі знижуються витрати палива. Рух відбувається в умовах малого аеродинамічного опору.

Однак є межа: літак може піднятися тільки до певної висоти. У якийсь момент повітря стає занадто мало, а воно потрібне, щоб працювали реактивні двигуни.

У високих шарах стратосфери літаку, щоб отримати приплив повітря, доводиться переміщатися швидше швидкості звуку. Тому на найбільшу висоту залітають тільки бойові і надзвукові пасажирські лайнери, наприклад «»Конкорд”.

У стратосфері присутні метеорологічні зонди. Вони закріплені на величезних повітряних кулях і знаходяться в завислому положенні. Завдання зондів – збір інформації про стан тропосфери та про зміни, що відбуваються.

З живих організмів в стратосфері можна виявити бактерії, наприклад, аеропланктон. Але не тільки мікроорганізми здатні виживати на такій великій висоті: був випадок, коли у двигун літака потрапив великий птах — гриф. Також відомо, що качки, здійснюючи сезонні перельоти, переміщаються над Еверестом.

Світовий рекорд з перебування на висоті встановив віце-президент Google — американець Алан Юстас.

Він піднявся на висоту 41 км і зістрибнув з парашутом. Щоб відірватися від кулі, довелося привести в дію невеликий вибуховий пристрій. Під час вільного падіння він розвинув швидкість 1342 км/год — це швидше, ніж рухається звук.

Озоновий шар

Шар озону розділяє мезосферу і стратосферу. Завдяки йому велика частина ультрафіолетових променів не досягає поверхні землі, а поглинається і відбивається. Вище озонового шару умови такі, що там не можуть жити ніякі організми, в тому числі найстійкіші бактерії і віруси. Все живе вбивають несприятливі фактори, а саме:

  • космічне випромінювання;
  • низька температура;
  • тиск.

Створенню озонового шару посприяли бактерії, яка багато тисяч років виділяли кисень. Піднімаючись у високі шари, молекули вступали в фотохімічну реакцію, і в результаті молекули O2 перетворювалися в O3.

Озон – речовина, створена за участю ультрафіолету. При цьому озон захищає все живе на планеті від цього згубного випромінювання.

Поглинаючи сонячні промені, озон нагрівається сам і підвищує температуру навколишньої атмосфери. Таким чином, цей газ частково сприяє підтримці сприятливого мікроклімату на Землі.

Особливості мезосфери

Мезосфера – шар, розташований в проміжку між 45 і 90 кілометрами. Його верхня частина називається мезопаузою і є найхолоднішим місцем: повітря тут охолоджується до -143 градусів.

Ця ділянка атмосфери поки не дуже добре вивчений. Це обумовлено занадто малим тиском газів: воно в кілька тисяч разів нижче того, що спостерігається у поверхні планети. Повітряні кулі, піднявшись до певної точки, не летять вище, а зависають.

Використовувати для вивчення мезосфери літаки з реактивними двигунами теж не виходить, оскільки принцип їх руху в умовах, коли газ сильно розріджений, втрачає сенс. Аеродинаміка корпусу і крил стає марною.

Переміщатися в мезосфері можуть тільки ракетоплани або ракети. До перших відносять літаки, оснащені ракетними двигунами. Одна з таких машин – X-15. Це найшвидший ракетоплан, який зумів піднятися на висоту 108 км. Однак такі апарати летять занадто швидко, а за короткий час не вдається провести ґрунтовного вивчення повітряного шару. Літальні апарати або рухаються вище, або опускаються, в обох випадках залишаючи мезосферу.

Суборбітальні зонди та супутники не виходить використовувати для досліджень в мезосфері, оскільки вони сповільнюються під впливом тиску. Воно дуже низьке, проте перешкоджає руху, а іноді і спалює апарати.

У цьому ж шарі згорають і метеорити. Спостерігачі, що знаходяться на землі, бачать своєрідне світіння.

Крім цього, кожен день на Землю осідає від 100 до 9-10 тис.тонн космічного пилу. Ці частинки мають певний вплив на дощоутворення, хоча кардинально змінити циркуляцію атмосфери вони нездатні.

Термосфера і екзосфера

Загальна висота атмосфери Землі становить близько 100 км. На цьому рівні проходить умовна межа, що відокремлює планету від космосу. Її називають лінією кишені. На висоті понад 100 км є гази, але їх кількість мізерно мало. Польоти на такій відстані від поверхні відносяться до космічних.

Лінія кишені одночасно є нижньою межею термосфери-найдовшого повітряного шару. Ця частина атмосферної оболонки простягається до висоти 800 км над рівнем моря. Температура тут досягає 1800 градусів. Наскільки це багато, можна зрозуміти, якщо згадати, що залізо плавиться вже при 1538 °C.

Однак Космічні апарати в термосфері не руйнуються, тому що вміст газів в ньому низький. Окремі частинки мають величезну енергію, але вони знаходяться на великій відстані один від одного. Літальні апарати знаходяться у вакуумі. При цьому виникає необхідність відводити надмірне тепло, яке виділяється при роботі двигунів та інших механізмів. Тепловиділення досягається за рахунок роботи радіаторів. Ними оснащують всі космічні кораблі.

Екзосфера – останній атмосферний шар, нижня межа якого проходить на висоті 700-800 км.

ця частина оболонки дуже розріджена і складається в основному з атомів водню. У малій кількості присутні іони азоту і кисню (менше сотих часток відсотка).

Простягаючись на 100 тис.км, екзосфера плавно переходить в геокорону. У порівнянні з нижніми шарами атмосфери, концентрація частинок тут менше в мільйони разів.

Посилання на основну публікацію