Происхождение и состав атмосферы. Слои атмосферы

Происхождение атмосферы тесно связано с происхождением Земли. Еще в те времена, когда Земля представляла собой расплавленный шар, она, вероятно, была окутана плотной оболочкой космических газов, в том числе и водорода, количество которого с удалением от Земли постепенно убывало.

По мере того как расплавленное ядро покрывалось твердой кристаллической корой, выделялись углекислый газ, азот и водяные пары, образуя атмосферу, по составу похожую на газовые выделения вулканов. Дальнейшее охлаждение, вероятно, привело к выпадению из атмосферы водяного пара, что происходило в виде осадков, и на сегодняшний день он составляет менее 4% всего объема атмосферы.

Содержащийся в атмосфере кислород начал вырабатываться зелеными растениями уже позже, как побочный продукт образования углерода при соединении воды с двуокисью углерода (Ключ).

Ключ. Много лет назад из воды, метана и аммиака образовалась атмосфера Земли, в ней произошли большие изменения. Значительная часть первичного водорода улетучилась в космос, а взамен образовалось большое количество водяного пара и других газов.

Основными компонентами атмосферы стали азот, вода, сернистый ангидрид и углекислый газ. Свободный кислород начал вырабатываться много лет назад, когда появились водоросли, способные к фотосинтезу. В итоге озон образовал экран, защищающий нашу планету от ультрафиолетовых лучей, что способствовало развитию жизни на Земле.

Примерно до высоты 50 км атмосфера удивительно однородна (1) и состоит из смеси газов, каждый из которых находится в своем природном состоянии. Углекислый газ, водяной пар и озон, хотя и составляют незначительную часть объема атмосферы, играют жизненно важную роль в поглощении солнечной и земной радиации, обеспечивая этим жизнь на Земле.

1. Разные слои атмосферы сильно отличаются друг от друга. У поверхности Земли под действием силы тяжести возрастают плотность и давление. На уровне поверхности океана атмосферное давление составляет около 1000 мбар, а на высоте 700 км его практически нет (10^-42 мбар).

Температура тоже меняется с высотой, падая и поднимаясь на определенных уровнях, и в конечном счете повышается к наружным слоям атмосферы. Меняется и газовый состав в нижних слоях атмосферы появляются водяные пары. В атмосфере выделяют четыре основных слоя. Экзосфера (1) разреженное пространство выше 400 км с непостоянным соотношением кислорода, гелия и водорода.

В этих слоях зафиксированы самые высокие северные сияния.

Ионосфера (2), область заряженных частиц (ионов и электронов) - мощный слой, включающий в себя мезосферу и термосферу. Ионосфера подразделяется на четыре более мелких слоя (F₂, F₁, Е и D). Концентрация ионов в ионосфере оказывает заметное влияние на радиоволны - высокочастотные радиоволны проходят через нее, а короткие - отражаются.

Стратосфера (3) содержит небольшое, но жизненно необходимое количество, озона, которое препятствует смертоносной солнечной радиации проникать к поверхности Земли. Однако основная масса атмосферы сконцентрирована в тропосфере (4), где и формируется погода. Вместе с внешними слоями тропосфера защищает Землю от заряженных частиц и радиации. К ее верхней границе температура падает.

Под действием силы тяжести эта однородная смесь газов сжимается (2) и у земной поверхности достигает максимальной плотности-до 1,2 кг/м³; среднее давление атмосферы здесь составляет 1013 миллибар (мбар), т. е. примерно 1 кг/см². На высоте 16 км давление уменьшается до 100 мбар (0,1 кг/см2), а плотность составляет 11% от плотности на уровне поверхности океана.

2. Воздух слегка сжат, так как атмосфера «сдавливается» под собственной тяжестью. Поэтому основная масса атмосферы, ее 80% приходится на тропосферу, объем которой около 6 -10⁹ км. С высотой плотность атмосферы уменьшается, поэтому стратосфера и ионосфера, занимая большие объемы, содержат очень незначительную часть воздуха - соответственно 19 и 1%.

Почти все входящие в состав атмосферы газы беспрепятственно пропускают солнечную радиацию. К счастью, на высоте 24 км сконцентрировано небольшое количество озона (отмечается он до высоты 50 км), который задерживает большую часть губительных для жизни ультрафиолетовых лучей.

Если бы весь озон собрать у земной поверхности, толщина его слоя составила бы всего 0,25 см. Только 46% солнечной радиации, достигающей атмосферы, поглощается в виде тепла твердой поверхностью Земли. Большая часть рассеивается, отражается и поглощается нижними плотными слоями атмосферы. Такое привнесение энергии повышает среднюю температуру земной поверхности до 14°С.

Поскольку это значительно меньше, чем 5700°С на поверхности Солнца, Земля излучает тепловую энергию в основном в виде более длинных инфракрасных (или горячих) волн; в нижних слоях атмосферы эти волны поглощаются двуокисью углерода, водяными парами и облаками. Таким образом, атмосфера нагревается снизу, а не сверху, как это можно было бы предположить. Поэтому с высотой тепло теряется, а оставшееся внизу снова поглощается Землей. В конечном итоге баланс сохраняется - Земля отдает столько же тепла, сколько получает с солнечной радиацией (3).