Из каких слоев состоит атмосфера, особенности структуры

Стратосфера

Стратосфера является вторым по величине слоём атмосферы, а также вторым, ближайшим к Земной поверхности. По оценкам, он содержит около 15% от общей массы атмосферы Земли.

Толщина стратосферы составляет 35 км от тропопаузы, что означает, что она расположена между тропосферой и мезосферой. Термин «стратосфера» происходит от греческого strato (значит «слой») для обозначения того факта, что сама стратосфера подразделяется на другие более тонкие слои.

Слои стратосферы образуются из-за отсутствия климатических явлений, которые смешивают воздух. Таким образом, существует чёткое разделение между холодным и тяжёлым воздухом внизу и тёплым, лёгким воздухом сверху. Таким образом, с точки зрения температуры стратосфера работает точно противоположно тропосфере.

Поскольку эта зона более высокой вертикальной стабильности (без перемещений воздуха), пилоты самолётов, как правило, остаются в начале стратосферы, чтобы избежать турбулентности. Именно на этой высоте самолёты и воздушные шары достигают максимальной эффективности.

Некоторые самолёты, особенно реактивные, влетают в стратосферу, чтобы избежать воздухообмен.

Стратосфера также содержит хорошо известный озоновый слой, который поглощает большую часть ультрафиолетового излучения солнца. Без озонового слоя жизнь на Земле, какой мы её знаем, была бы невозможна.

Подобно тропосфере, стратосфера также имеет область, которая ограничивает её конец и показывает начало мезосферы, которая называется стратопауза.

Состав стратосферы

Большинство элементов, найденных на поверхности Земли и в тропосфере, не достигают стратосферы. Вместо этого они обычно:

• разлагаются в тропосфере;
• могут быть устранены солнечным светом;
• могут переноситься на поверхность Земли через дождь или другие осадки.

Из-за инверсии в динамике температуры между тропосферой и стратосферой воздух практически не обменивается между двумя слоями, в результате чего испарения воды существуют в стратосфере только в незначительных количествах. По этой причине в этом слое чрезвычайно редко образование облаков.

Что касается газов, стратосфера образована преимущественно озоном, присутствующим в озоновом слое. Считается, что 90% всего озона в атмосфере находится в этой области. Кроме того, стратосфера содержит элементы, переносимые извержениями вулканов, такие, как оксиды азота, азотная кислота, галогены и т. д.

Температура стратосферы

Температура в стратосфере увеличивается с увеличением высоты, варьируя от -51 ° C в самой низкой точке (тропопауза) до -3 ° C в самой высокой точке (стратопауза).

История атмосферы

La атмосфера что мы знаем сегодня это не всегда было так. С момента образования планеты Земля до сегодняшнего дня прошли миллионы лет, и это вызвало изменения в составе атмосферы.

Первая атмосфера Земли возникла в результате самого большого и продолжительного дождя в истории, который сформировал океаны. Состав атмосферы до появления жизни, как мы знаем, состоял в основном из метана. Тогда это было более 2.300 миллиарда лет, организмы, которые выжили в этих условиях, были организмами метаногены и аноксическийТо есть для жизни им не нужен был кислород. Сегодня метаногены обитают в отложениях озер или в желудках коров, где нет кислорода. Планета Земля была еще очень молодой, и солнце светило меньше, однако концентрация метана в атмосфере была низкой. примерно в 600 раз больше, чем сегодня с загрязнением. Это превратилось в парниковый эффект, достаточно сильный, чтобы иметь возможность повышать глобальную температуру, поскольку метан сохраняет много тепла.

Позже, с распространением цианобактерии и водоросли, планета наполнилась кислородом и изменила состав атмосферы, пока мало-помалу стала такой, какой мы имеем сегодня. Благодаря тектонике плит реорганизация континентов способствовала распространению карбонатов по всем частям Земли. И поэтому атмосфера переходила из восстановительной в окислительную. Концентрация кислорода показывала высокие и низкие пики, пока она не оставалась более или менее постоянной на уровне 15%.

Давление атмосферы

Слушая прогноз погоды, мы часто слышим показатели атмосферного давления. Но что означает давление атмосферы, и как на нас это может повлиять?

Мы разобрались, что воздух состоит из газов и примесей. Каждая из этих составляющих имеет свой вес, а значит, и атмосфера не невесома, как считали до XVII века. Атмосферное давление — это сила, с которой все слои атмосферы давят на поверхность Земли и на все предметы.

Учёные провели сложные подсчёты и доказали, что на один квадратный метр площади атмосфера давит с силой 10 333 кг. Значит, человеческое тело подвержено давлению воздуха, вес которого равен 12-15 тонн. Почему же мы не ощущаем этого? Спасает нас своё внутреннее давление, которое и уравновешивает внешнее. Можно ощутить давление атмосферы, находясь в самолёте или высоко в горах, так как атмосферное давление на высоте значительно меньше. При этом возможен физический дискомфорт, закладывание ушей, головокружение.

Об атмосфере, окружающей можно сказать много всего. Мы знаем о ней множество интересных фактов, и некоторые из них могут казаться удивительными:

• Вес земной атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн.
• Она способствует передаче звука. На высоте больше 100 км это свойство исчезает из-за изменения состава атмосферы.
• Движение атмосферы спровоцировано неравномерным нагревом поверхности Земли.
• Для определения температуры воздуха используют термометр, а для того, чтобы узнать силу давления атмосферы, — барометр.
• Наличие атмосферы спасает нашу планету от 100 тонн метеоритов ежедневно.
• Состав воздуха был фиксированным несколько сотен миллионов лет, но стал изменяться с началом бурной производственной деятельности.
• Считается, что атмосфера простирается вверх на высоту 3000 км.

Мезосфера

Мезосфера — это последний атмосферный слой, в котором газы всё ещё смешиваются в воздухе и не организованы их массой. Этот слой считается наукой самым сложным для изучения, поэтому о нём мало подтверждённой информации.

Толщина мезосферы также составляет 35 км от стратопаузы, что означает, что она расположена между стратосферой и термосферой. Термин «мезосфера» происходит от греческого mesos (означает «центр»), так как является третьим среди пяти слоёв Земной атмосферы.

Метеозонды и самолёты не могут достичь так высоко, чтобы достичь мезосферы. В то же время спутники могут вращаться только над ним, таким образом получается, что они не могут должным образом измерять характеристики этого слоя.

Единственный способ изучения мезосферы в наши дни — это использование ракет, которые собирают довольно мало информации в каждой миссии.

Именно в мезосфере происходит сгорание небесных тел, попадающих в Земную атмосферу, что приводит к таким явлениям, как звездопад (метеорные потоки).

Метеорный поток (звёздный дождь) происходит, когда небесное тело входит в Земную атмосферу.
Из-за очень высокой температуры небесное тело начинает гореть и обычно распадается на несколько более мелких фрагментов.

Состав мезосферы

Процентное содержание кислорода, азота и углекислого газа в мезосфере, по существу, такое же, как и в слоях ниже. Испарения воды там реже, чем в стратосфере, что, в свою очередь, переносит часть озона в мезосферу.

В мезосфере также есть материал из метеоров, которые испаряются при попадании в атмосферу. Таким образом, мезосфера также состоит из относительно высокой доли железа и других металлов.

Температура мезосферы

Температура в мезосфере уменьшается с увеличением высоты, варьируя от -3° C в самой низкой точке (стратопауза) до -143° C в самой высокой точке (мезопауза — самая холодная область всей Земной атмосферы).

Что встречается в мезосфере?

Некоторые примеры того, что можно найти в стратосфере:

• метеоры в сгорании;
• серебристые облака (особый вид облаков, которые светятся ночью).

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.

Тропосфера:

Тропосфера – это первый, самый нижний слой атмосферы – «придонный», в котором обитает все живое на планете: человек, животные, растения. Тропосфера простирается на несколько километров: возле полюсов его высота не превышает 8-10 км, а в районе экватора достигает 18 км. Такая разность в высоте атмосферы обусловлено центробежной силой Земли и тем, что ширина планеты неодинакова в разных ее частях (Земля имеет эллиптическую форму). Еще один фактор, влияющий на величину слоя – сезон, т.е. температурный режим. В теплое время года воздушные массы поднимаются выше, в холодное – опускаются к поверхности планеты, тем самым увеличивая или уменьшая ширину тропосферы.

Свое название слой получил от древнегреческих слов τρόπος  – «поворот, изменение» и σφαῖρα – «шар». Первая часть слова полностью соответствует основным критериям тропосферы – подвижности, изменчивости, динамичности, формирующих все те явления, которые принято называть «климат» и «погода». Это:

– образование облаков;

– циркуляция жидкости;

– образование циклонов, антициклонов;

– генерация ветров.

Тропосфера – самый тяжелый слой, т.к. в нем содержится 80% массы атмосферы, 50% всех газов и практически вся влага, что позволяет обитателям тропосферы «дышать». Удерживает он и тепло, сохраняя поглощаемые Землей солнечные лучи, поэтому при удалении от ее поверхности понижаются и давление, и температура. Причем температура понижается на 0,5-0,7 градуса Цельсия каждые 100 метров. Также с набором высоты усиливается ветер: на каждый километр высоты его скорость растет на 2-3 км/с. Примечательно, что снижение температуры характерно только для нижнего слоя (тропосферы), во всех же иных она растет по мере приближения к верхним границам.

На нижней границе, возле литосферы, находится еще один барьер: приземной пограничный слой, самый важный для циркуляции всей атмосферы. Именно здесь происходит отдача тепловой энергии и излучения планетой, создаются перепады давления и ветряные потоки, позже разделяемые и направляемые неровностями поверхности (горами, скалами и т.д.).

Верхним пределом тропосферы является тропопауза – промежуточный барьер между тропосферой и следующим слоем атмосферы – стратосферой.

Нормальным давлением у нижней границы тропосферы принято считать показатель в 1000 миллибар, который максимально приближен к эталону – 1013 миллибар (одна «атмосфера»). У верхнего слоя давление составляет уже 200 мБар, а при удалении от уровня моря на 45 км падает до 1 мБара.

За тропосферой и тропопаузой следует следующий слой атмосферы – стратосфера. В тропопаузе прекращается снижение температуры воздуха с возрастанием высоты.

Краткая характеристика литосферы и гидросферы

Поверхность Земли, находящаяся под тропосферой, неоднородна — часть ее занята водой, которая образует гидросферу, а часть является сушей, образующей литосферу.

Литосфера — внешняя твердая оболочка земного шара, образованная каменными породами (поэтому и название — «литое» — камень). Она состоит из двух слоев — верхнего, образованного осадочными породами с гранитом, и нижнего, образованного твердыми базальтовыми породами. Часть литосферы занята водой (Мировой океан), а часть является сушей, составляющей около 30% земной поверхности. Самый верхний слой суши (в большинстве своем) покрыт тонким слоем плодородной поверхности — почвой. Почва является одной из сред жизни, а литосфера — субстратом, на котором проживают различные организмы.

Гидросфера — водная оболочка земной поверхности, образованная совокупностью всех водоемов, имеющихся на Земле. Толщина гидросферы различна на разных участках, но средняя глубина океана составляет 3,8 км, а в отдельных впадинах — до 11 км. Гидросфера является источником воды для всех организмов, живущих на Земле, она является мощной геологической силой, осуществляющей круговорот воды и других веществ, «колыбелью жизни» и средой обитания водных организмов. Антропогенное воздействие на гидросферу также велико и будет рассмотрено ниже.

Изучение атмосферы

Метеорология (греч. meteora – небесные явления и logos – учение) как наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и происходящих в ней процессах сформировалась во второй половине XVIII в. С тех пор начались систематические наблюдения за отдельными метеорологическими элементами.

Основные сведения о физическом состоянии приземных слоев атмосферы, о погоде и климате получают на метеорологических станциях с помощью инструментальных и визуальных наблюдений. В мире более 8000 метеостанций и 800 аэрологических станций. Есть и автоматические метеостанции в труднодоступных районах (во льдах Арктики, высоко в горах).

С 30-х гг. нашего столетия начали осуществляться аэрологические наблюдения за состоянием свободной атмосферы с помощью воздухоплавательных аппаратов – аэростатов и стратостатов. Стратосфера была первой трудной ступенькой на дороге в Космос. Одновременно стали применяться шары-зонды, поднимающиеся до высоты 15-16 км, и радиозонды – до высоты 40-50 км. После Второй мировой войны появились метеорологические ракеты, поднимающиеся до 100-120 км с весом научной аппаратуры до 1,5 т. Для исследования ионосферы начали применяться геофизические ракеты (в том числе с подопытными животными), достигшие высоты почти 500 км с весом научной аппаратуры более 1,5 т. Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР 4 октября 1957 г. на высоту 947 км (в апогее), а 12 апреля 1961 г. – первый космический аппарат «Восток», пилотируемый Ю. А. Гагариным. Начиная с 60-х гг. высокие слои атмосферы исследуются ИСЗ серии «Космос», систематически запускаются метеорологические спутники и др.

С конца 90-х гг. XX столетия постоянные наблюдения из Космоса осуществляют четыре полярно-орбитальных спутника, движущиеся вокруг Земли па высоте от 800 до 1000 км, и пять геостационарных спутников – нa высоте около 36 000 км. Орбита последних совпадает с плоскостью экватора, они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, на меридианах 0° в, д., 74° в. д., 140° в. д., 75° з. д. и 135° з. д. Они как бы подвешены над одной и той же точкой Земли и своими наблюдениями охватывают широтный пояс от 50° с. ш. до 50° ю. ш. и передают из Космоса на Землю непрерывную информацию о температуре земной и морской поверхности, облачности, ведут наблюдения за смежным и ледовым покровом и т. д. Исключительно ценную и разностороннюю информацию, в том числе и об атмосфере Земли, дают долговременные научные экспедиции на автоматических космических станциях, в частности до 2001 г. на станции «Мир, а в наши дни МКС. Исследования верхних слоев атмосферы существенно уточнили наши знания о строении воздушной оболочки Земли, а космонавтика открыла огромные перспективы в ее изучении. В России руководство метеослужбой осуществляет Федеральная служба РФ по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет).

Литература

1. Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.
2. Любушкина С.Г. Общее землеведение : Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «География» / С.Г. Любушкина, К.В. Пашканг, А.В. Чернов; Под ред. А.В. Чернова. — М.: Просвещение, 2004. — 288 с.

Стратосфера — второй слой атмосферы

Стратосфера — это второй по счету слой земной атмосферы. Тропосфера, самый нижний слой, находится прямо под стратосферой. Следующим более высоким слоем над стратосферой является мезосфера.

Низ этого слоя находится в 10 км над землей в средних широтах. Верхняя граница стратосферы простираеся до высоты 50 км.  Высота нижней границы стратосферы изменяется в зависимости от широты и времени года и может достигать 20 км вблизи экватора и всего 7 км у полюсов зимой. Нижняя граница стратосферы называется тропопаузой; верхняя граница называется стратопаузой.

Озон, особая форма молекулы кислорода, относительно распространенный в стратосфере, способствует нагреванию этого слоя, поскольку поглощает энергию поступающего ультрафиолетового излучения Солнца. Температура поднимается по мере продвижения вверх через стратосферу. Это прямо противоположно поведению в тропосфере, в которой мы живем, где температура падает с увеличением высоты. Из-за этой температурной вариации в стратосфере наблюдается очень небольшая конвекция и перемешивание, поэтому слои воздуха там довольно стабильны. Коммерческие самолеты летают в нижней стратосфере, чтобы избежать турбулентности, которая распространена в нижнем слое — тропосфере.

Стратосфера очень сухая; воздух там содержит мало водяного пара. Из-за этого в этом слое мало облаков; почти все облака встречаются в нижней, более влажной тропосфере. Полярные стратосферные облака (ПСО) являются исключением. ПСО появляются в нижней стратосфере вблизи полюсов зимой. Они обнаруживаются на высотах от 15 до 25 км и образуются только тогда, когда температура на этих высотах опускается ниже -78 °C. По-видимому, они способствуют образованию печально известных дыр в озоновом слое путем «поощрения» определенных химических реакций, которые разрушают озон. ПСО также называют перламутровыми облаками.

Полярные стратосферные облака

Воздух в верхней части стратосферы примерно в тысячу раз более разряжен, чем на уровне моря. Из-за этого реактивные самолеты и метеозонды достигают своих максимальных эксплуатационных высот именно в стратосфере.

Из-за отсутствия вертикальной конвекции в стратосфере материалы, которые попадают в этот слой, могут оставаться там в течение длительного времени. Так обстоит дело с озоноразрушающими химическими веществами, называемыми хлорфторуглеродами (фреонами). 

Хлорфторуглероды (CFC) — это нетоксичные, негорючие химические вещества, содержащие атомы углерода, хлора и фтора. Они используются в производстве аэрозольных баллончиков, вспенивателей для различных веществ и упаковочных материалов, в качестве растворителей и хладагентов. 

Сильные извержения вулканов и сильные воздействия метеоритов могут выбросить аэрозольные частицы в стратосферу, где они могут задерживаться на месяцы или годы, иногда изменяя глобальный климат Земли. Выхлопы ракетных двигателей также попадают в стратосферу, что приводит к неопределенным последствиям.

В стратосфере встречается редкий тип электрического разряда, несколько похожий на молнию. Эти «синие струи» (blue jets) появляются над грозами и простираются от нижней части стратосферы до высот 40 или 50 км.

Синие струи – тип молнии, который вы, возможно, видели, но не знали об этом. Особенно если вам приходится много летать на самолетах. Эти разряды выстреливают вверх из грозовых туч и длятся лишь долю секунды. По мере распространения вверх они постепенно расширяются с углом раствора порядка 15 градусов. Их свечение постепенно сходит на нет на высоте около 40—50 километров. Синие струи намного ярче спрайтов, обладают другим цветом, но наблюдаются значительно реже. Ранее считалось, что они не связаны напрямую с обычными тропосферными молниями, но сегодня ученые склоняются в сторону существования подобной зависимости.

Гигантская синяя струя над Китаем, август 2016 г.

Стихийные бедствия

Вы уже прочитали о таких опасных природных явлениях, как землетрясения и извержения вулканов, которые иногда уносили тысячи человеческих жизней. Их нередко называют стихийными бедствиями

Некоторые атмосферные явления тоже довольно часто попадают в эту категорию, поэтому, чтобы не подвергать себя опасности, надо помнить об элементарных мерах предосторожности. «Люблю грозу в начале мая…» Но большинство людей всё-таки инстинктивно побаиваются этого природного явления

Раньше верили, что опасен сам гром. Не зря главные боги во многих религиях считались громовержцами. Поэтому устройство, отводящее во время грозы электрические разряды в землю, назвали громоотводом.

Молния

Однако на самом деле опасаться следует не грома, а мощного электрического разряда — молнии. Молния всегда ищет выступающие над землёй объекты — высокие здания, большие деревья и даже людей. Поэтому прятаться от грозы под деревьями или в воде нельзя. Иногда во время грозы через открытое окно может с тихим шипением вплыть загадочная и очень опасная шаровая молния. Учёные до сих пор не могут прийти к единому мнению о том, как она образуется. Если шаровая молния проникла в помещение, не прикасайтесь к железным предметам; не пробуйте убежать от неё; не пытайтесь выгнать её веником, книгой и т. д.; стойте, не двигаясь, сохраняйте спокойствие.

 А вот град может за несколько минут не только полностью уничтожить урожай, но и нанести увечья людям и животным, ведь ледяные градины иногда достигают размера 13 см в диаметре и массы около килограмма. Обычная метель иногда коварно перерастает в многочасовой, если не многодневный снежный буран, подобный тому, который погубил антарктическую экспедицию Роберта Скотта.

В низких широтах над океанами часто зарождаются тропические циклоны с ветрами страшной разрушительной силы — ураганы, как их называют в Атлантическом океане и на востоке Тихого океана. У побережья Евразии чаще используют китайское слово «тайфун», что означает «большой ветер». При урагане ветер движется по кругу, а сила его так велика, что он с лёгкостью срывает крыши с домов и вырывает с корнем деревья. Иногда при столкновении двух воздушных масс, температура и влажность которых резко отличается, возникает воронка — смерч, похожий на изогнутый извивающийся хобот слона, спускающийся из грозового облака и шарящий по земле. Смерч, как гигантский пылесос, всасывает всё, что попадается на пути. Сто лет назад смерч, проходя над районом Сокольники на окраине Москвы, перенёс на несколько сотен метров корову, которая совсем не пострадала и продолжила пастись. Особенно часты смерчи, или торнадо, как их называют на равнинах, расположенных между Скалистыми горами и Аппалачами в Северной Америке. Вспомните историю девочки Элли, чей домик торнадо перенёс в Волшебную страну Оз.

Смерч

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.