Атмосфера - состав, строение и свойства

Основные свойства атмосферы

Космическое пространство — источник угроз для живых организмов. При отсутствии воздушной оболочки метеориты не сгорали бы, а падали на поверхность Земли. Другая серьёзная угроза — ультрафиолетовое излучение солнца, способное уничтожить флору и фауну. Слои атмосферы обеспечивают комфортную жизнь для сотен тысяч видов организмов.

Первичная газообразная оболочка стала зарождаться с момента появления Земли и со временем превратилась в сложную структуру с множеством функций. Так, благодаря воздушному слою образуются облака. Они, в свою очередь, отражают солнечные лучи и возвращают тепло на землю. Этот процесс повторяется многократно, поэтому у поверхности планеты сохраняется комфортная температура. Без атмосферных слоёв на Земле было бы в среднем на 30 градусов холоднее, чем сейчас.

В нескольких слоях оболочки происходит круговорот воды. Над всей планетой перемещаются тёплые и холодные потоки воздуха. Эти процессы уравновешивают климат на земном шаре. Без атмосферы разница температур на экваторе и у полюсов была бы колоссальной. Разнообразие форм живой и неживой природы образовалось благодаря уникальным климатическим условиям, которые стали результатом перемещения газообразных структур.

Общая масса всех слоёв, входящих в состав атмосферы, составляет 5,2x10 ¹⁸кг. Газообразные вещества окружают планету, распространяясь на многие тысячи километров от поверхности. Слои атмосферы:

• тропосфера;
• стратосфера;
• мезосфера;
• термосфера;
• экзосфера;
• ионосфера.

Они располагаются именно в таком порядке и вращаются вместе с планетой. Те, что находятся выше, движутся с другой скоростью. Верхним слоем считают экзосферу, но некоторые учёные причисляют к атмосфере также ионосферу.

Состав воздушной оболочки

Воздух представляет собой неоднородную смесь газов. В нижних оболочках можно насчитать 12 видов. На большей высоте присутствуют практически все элементы химической таблицы Менделеева. Все они находятся в газообразном состоянии.

Больше всего в атмосфере кислорода, окрашивающего воздушную оболочку в голубой цвет. Этот эффект объясняется тем, что воздух лучше всего рассеивает короткие лучи, образующие синюю часть спектра. Интересно, что Земля из космоса выглядит голубой, а на огромном расстоянии кажется синей точкой. Кроме кислорода, в составе воздушной оболочки присутствуют такие элементы:

• водород;
• гелий;
• неон;
• криптон;
• аргон;
• радон;
• ксенон.

Благородные газы проникают на поверхность во время вулканических извержений и поднимаются в верхние слои. Состав и строение атмосферы всё время изменяется, но в масштабах планеты эти процессы незначительны.

Даже если количество кислорода уменьшится в 100 раз, это не приведёт к разрушению озонового слоя. Однако деятельность человека угрожает не столько существованию планеты, сколько самой цивилизации. Уже сейчас над некоторыми крупными городами постоянно присутствуют облака смога, хорошо заметные из космического пространства. Также учёных тревожит возникновение озоновых дыр, которых с каждым годом становится больше.

Физические характеристики тропосферы

Каждый из основных слоёв обладает особыми характеристиками. Тропосфера — самая плотная оболочка, первая по счёту от поверхности планеты. На полюсах она распространяется на 7 км от поверхности, а у экватора — на 20 км. Разница обусловлена тем, что планета не круглая, а немного сплющенная, так как на неё воздействует центробежная сила. Чем теплее воздух, тем больше размер тропосферы.

Этот слой — наиболее продуктивный и динамичный. В нём формируются тучи, образуются ветра, циклоны и антициклоны. В тропосфере обитает большая часть видов, образующих живую природу. Температура воздуха в этой части оболочки понижается на 0,5−0,7 градуса с увеличением высоты на каждые 100 метров. Скорость ветра изменяется на 2−3 км/с на 1 км высоты.

В тропопаузе температура остаётся неизменной. Нижняя часть тропосферы примыкает к литосфере и образует приграничный слой. Его роль заключается в аккумуляции и передача тепла на высоту. Водообмен также происходит в приграничном слое. В течение 8−12 дней совершается полный оборот воды. Таким образом, тропосфера играет роль огромного фильтра.

В составе этого слоя выделяют гомосферу — пространство, где находится и осуществляет деятельность человек.

Описание стратосферы

Стратосферой называют воздушный слой, который начинается на высоте 50 км у экватора и около 8 км — у полюсов. В переводе с греческого stratus означает «слой, настил». Эта зона очень разреженная, в ней очень мало частиц воды. Давление воздуха в верхней части стратосферы в 100 раз ниже, чем у поверхности, а в нижней — в 10 раз.

Температура воздуха с набором высоты возрастает: если в нижней части воздушного слоя она составляет -56 градусов, то в верхней — от -1 до 0. Прекращение нагрева воздуха наблюдается в стратопаузе — пограничном слое между мезосферой и стратосферой.

В стратосфере летают самолёты, чья скорость выше звуковой, и пассажирские лайнеры. Такая высота выбрана потому, что в нижних слоях стратосферы наблюдается стабильность воздушных потоков, а благодаря низкой температуре снижаются затраты топлива. Движение происходит в условиях малого аэродинамического сопротивления.

Однако есть предел: самолёт может подняться только до определённой высоты. В какой-то момент воздуха становится слишком мало, а он нужен, чтобы работали реактивные двигатели. В высоких слоях стратосферы самолету, чтобы получить приток воздуха, приходится перемещаться быстрее скорости звука. Поэтому на самую большую высоту залетают только боевые и сверхзвуковые пассажирские лайнеры, например, «Конкорд».

В стратосфере присутствуют метеорологические зонды. Они закреплены на огромных воздушных шарах и находятся в зависшем положении. Задача зондов — сбор информации о состоянии тропосферы и о происходящих изменениях.

Из живых организмов в стратосфере можно обнаружить бактерии, например, аэропланктон. Но не только микроорганизмы способны выживать на такой большой высоте: был случай, когда в двигатель самолёта попала крупная птица — гриф. Также известно, что утки, совершая сезонные перелёты, перемещаются над Эверестом.

Мировой рекорд по пребыванию на высоте установил вице-президент Google — американец Алан Юстас. Он поднялся на высоту 41 км и спрыгнул с парашютом. Чтобы оторваться от шара, пришлось привести в действие небольшое взрывное устройство. Во время свободного падения он развил скорость 1342 км/ч — это быстрее, чем движется звук.

Озоновый слой

Слой озона разделяет мезосферу и стратосферу. Благодаря ему большая часть ультрафиолетовых лучей не достигает поверхности земли, а поглощается и отражается. Выше озонового слоя условия таковы, что там не могут жить никакие организмы, в том числе самые стойкие бактерии и вирусы. Всё живое убивают неблагоприятные факторы, а именно:

• космическое излучение;
• низкая температура;
• давление.

Созданию озонового слоя поспособствовали бактерии, которая много тысяч лет выделяли кислород. Поднимаясь в высокие слои, молекулы вступали в фотохимическую реакцию, и в результате молекулы O2 преобразовывались в O3.

Озон — вещество, созданное при участии ультрафиолета. При этом оно защищает всё живое на планете от этого губительного излучения. Поглощая солнечные лучи, озон нагревается сам и повышает температуру окружающей атмосферы. Таким образом, этот газ частично способствует поддержанию благоприятного микроклимата на Земле.

Особенности мезосферы

Мезосфера — слой, расположенный в промежутке между 45 и 90 километрами. Его верхняя часть называется мезопаузой и является самым холодным местом: воздух здесь охлаждается до -143 градусов.

Этот участок атмосферы пока не очень хорошо изучен. Это обусловлено слишком малым давлением газов: оно в несколько тысяч раз ниже того, что наблюдается у поверхности планеты. Воздушные шары, поднявшись до определённой точки, не летят выше, а зависают. Использовать для изучения мезосферы самолёты с реактивными двигателями тоже не получается, так как принцип их движения в условиях, когда газ сильно разрежен, утрачивает смысл. Аэродинамика корпуса и крыльев становится бесполезной.

Перемещаться в мезосфере могут только ракетопланы или ракеты. К первым относят самолёты, оснащённые ракетными двигателями. Одна из таких машин — X-15. Это самый быстрый ракетоплан, сумевший подняться на высоту 108 км. Однако такие аппараты летят слишком быстро, а за короткое время не удаётся провести основательного изучения воздушного слоя. Летательные аппараты либо движутся выше, либо опускаются, в обоих случаях покидая мезосферу.

Суборбитальные зонды и спутники не получается использовать для исследований в мезосфере, так как они замедляются под влиянием давления. Оно очень низкое, однако препятствует движению, а иногда и сжигает аппараты.

В этом же слое сгорают и метеориты. Наблюдатели, находящиеся на земле, видят своеобразное свечение.

Помимо этого, каждый день на Землю оседает от 100 до 9−10 тыс. тонн космической пыли. Эти частицы оказывают некоторое влияние на дождеобразование, хотя кардинально изменить циркуляцию атмосферы они неспособны.

Термосфера и экзосфера

Общая высота атмосферы Земли составляет около 100 км. На этом уровне проходит условная граница, отделяющая планету от космоса. Её называют линией Кармана. На высоте более 100 км есть газы, но их количество ничтожно мало. Полёты на таком расстоянии от поверхности относятся к космическим.

Линия Кармана одновременно является нижней границей термосферы — самого протяжённого воздушного слоя. Эта часть атмосферной оболочки простирается до высоты 800 км над уровнем моря. Температура здесь достигает 1800 градусов. Насколько это много, можно понять, если вспомнить, что железо плавится уже при 1538 °C.

Однако космические аппараты в термосфере не разрушаются, потому что содержание газов в нем низкое. Отдельные частицы обладают огромной энергией, но они находятся на большом расстоянии друг от друга. Летательные аппараты находятся в вакууме. При этом возникает необходимость отводить избыточное тепло, которое выделяется при работе двигателей и других механизмов. Тепловыделение достигается за счёт работы радиаторов. Ими оснащают все космические корабли.

Экзосфера — последний атмосферный слой, нижняя граница которого проходит на высоте 700−800 км. Эта часть оболочки очень разреженная и состоит в основном из атомов водорода. В малом количестве присутствуют ионы азота и кислорода (менее сотых долей процента).

Простираясь на 100 тыс. км, экзосфера плавно переходит в геокорону. По сравнению с нижними слоями атмосферы, концентрация частиц здесь меньше в миллионы раз.