Атмосфера Земли

extra_toc

Атмосфера Земли делает планету пригодной для жизни и определяет погоду и климат. Это не слишком длинная статья, но здесь мы расскажем о главном, пусть и коротко. Здесь мы поговорим про состав атмосферы, а также про слои, из которых она состоит, поговорим и о других важных моментах.

Состав земной атмосферы

Воздух состоит из смеси различных газов. Основными составляющими атмосферы Земли являются:

  • Азот – около 78% атмосферы.
  • Кислород – около 21%.
  • Аргон – около 1%.

Помимо этого, существуют различные следовые газы с относительно низкими концентрациями, измеряемыми в частях на миллион. Их количество крайне незначительное, упомянем лишь некоторые из них:

  • Углекислый газ – около 416 частей на миллион
  • Неон – около 18 частей на миллион
  • Гелий – около 5 частей на миллион
  • Метан – около 1,8 частей на миллион
  • Криптон - около 1,1 частей на миллион

Концентрации двуокиси углерода, а также других парниковых газов, таких как метан, в последние столетия росли из-за деятельности человека. Помимо вышеперечисленного, в атмосфере также присутствуют водяные пары в концентрации до 3 %. Однако это значение значительно варьируется во времени и в разных местах. Проще говоря, чем суше климат, тем меньше содержания водяного пара в этом регионе планеты. Хотя относительная концентрация большинства газов в атмосфере постоянна, давление атмосферы падает с высотой, она становится более разреженной. Вот почему на большой высоте доступно меньше кислорода, а также есть такие явления как «горная болезнь».

Схема атмосферы Земли, её состав, слои

Слои атмосферы Земли

Атмосфера Земли делится на несколько слоев, определяемых по изменению температуры в зависимости от высоты. Границы между слоями точно определить нельзя, там нет четкого разделения. Кроме того, в разных частях планеты эти границы могут быть выше или ниже. Но с практической точки зрения это принципиального значения не имеет, так как мы все живем в тропосфере.

Пограничный слой атмосферы

Его начали выделять не так давно, возможно, в старых учебниках про него еще не пишут. Фактически это самый нижний слой тропосферы, толщина которого может быть до двух километров максимум.

Тропосфера

Если не считать предыдущий, то это первый слой атмосферы, простирающийся от поверхности до высоты от 9 до 18 км, в зависимости от широты и погодных условий. Ниже всего её граница находится в полярных областях, выше всего в тропических и экваториальных. Тропосфера является самым плотным слоем атмосферы, на её долю приходится до 75% от массы всех газов в атмосфере Земли.

Почти вся погода формируется в тропосфере. 99% всего водяного пара в атмосфере находится в тропосфере, поэтому и  почти все облака образуются и здесь. Это также слой, в котором летает большинство самолетов. Воздух в тропосфере становится холоднее по мере набора высоты вплоть до ее верхней границы, называемой тропопаузой. Для тропосферы характерны такие явления как конвекция и турбулентность, все антициклоны и циклоны формируются именно в ней.

Тропопауза

Это своего рода переходный слой между тропосферой и стратосферой. И у него нет четкой границы, но основной его признак в том, что здесь температура уже не понижается по мере набора высоты.

Стратосфера

Выше тропопаузы находится стратосфера, которая простирается примерно до высоты 50–55 км. Температура воздуха в стратосфере увеличивается с высотой, в отличие от тропосферы. Стратосфера содержит озоновый слой. Это часть атмосферы, которая содержит относительно высокую концентрацию озона на высоте примерно от 15 до 35 км. Озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в противном случае было бы вредным для живых существ на поверхности Земли. Поглощение этого излучения является причиной того, что стратосфера намного теплее, чем тропосфера.

Воздух в стратосфере намного стабильнее, чем в тропосфере, поэтому в этом слое мы не видим погодных явлений. Однако в очень холодных условиях могут образовываться перламутровые облака, которые образуются в нижней части стратосферы. Температура тут повышается значительно, от -56 (в среднем) в нижнем слое до +0,8 в верхнем слое.

Атмосфера Земли, фото из космоса

Стратопауза

Это слой между стратосферой и мезосферой. Он не слишком толстый, характеризуется температурой около нуля градусов. То есть, это очередной переходный слой.

Мезосфера

Далее начинается мезосфера. Этот слой атмосферы Земли простирается до высоты примерно 80–85 км. Мезосфера становится холоднее с высотой, как и тропосфера. Верхняя часть мезосферы — самая холодная часть атмосферы, где температура достигает -100°C. Несмотря на то, что в мезосфере чрезвычайно мало водяного пара, температура настолько низка, что все еще могут образовываться облака из кристаллов льда. Эти редкие серебристые облака — самые высокие облака на Земле.

Мезопауза

Очередной тонкий переходный слой между мезосферой и термосферой. Здесь также расположена нижняя граница поглощения коротковолнового ультрафиолетового излучения от Солнца, а также рентгеновского излучения. Изредка серебристые облака могут быть и на такой высоте.

Линия Кармана

Это не часть атмосферы Земли, это линия, которая по современному определению является границей между атмосферой и космосом. Да, может показаться удивительным, то выше этой линии также есть слои, которые относят к атмосфере. Смысл этой линии в том, что на такой высоте воздух уже так разряжен, что полет летательных аппаратов для которых важна подъемная сила (это как раз самолеты) уже невозможна. Линия Кармана расположена на высоте 100 километров. Также на этой линии происходят полярные сияния.

Термосфера

Термосфера — это слой над мезосферой, хотя к тому времени, когда мы достигаем этой высоты, представление об атмосфере в том виде, в каком мы ее понимаем, исчезает. Верхний предел термосферы до 800 километров, при этом до высоты от 250 до 300 километров температура незначительно растет. Полярные сияния охватывают в том числе и термосферу.

Однако воздух в термосфере настолько разрежен, что температура в обычном понимании не имеет особого значнеия. Температура — это мера того, сколько энергии имеют молекулы, но ее можно измерить только в том случае, если одна из этих молекул столкнется с чем-то. Следовательно, хотя молекулы воздуха в термосфере могут иметь энергию, эквивалентную температуре более 1500 °C, но их так мало, что термосфера не ощущается горячей на ощупь. Также стоит отметить, что термосфера может становиться тоньше или толще, это зависит от солнечной активности. Термосфера имеет массу не более 0,05% от всей массы атмосферы.

Полярное сияние в термосфере

Термопауза

Это область, которая разделяет термосферу и экзосферу. Её расположение также зависит от солнечной активности (что не удивительно, ведь она «привязана» к термосфере) и может колебаться от 450 до 800 километров.

Экзосфера

Над термосферой последним слоем атмосферы Земли находится экзосфера. На самом деле у неё нет четко определенного верхнего предела, поскольку она сливается с межпланетным пространством, где газы могут избежать гравитационного притяжения Земли. То есть, из этой области газы могут утекать в межпланетное пространство. Нижняя граница также может колебаться в зависимости от солнечной активности, верхний предел около тысячи километров, нижний 500-550.

Хотя молекулы в экзосфере могут иметь очень высокую энергию, они могут пройти сотни километров, прежде чем столкнутся с чем-либо, даже с другой молекулой. Слишком их тут мало, фактически, говорить о какой-то атмосфере в классическом понимании тут уже не приходится. Следовательно, экзосфера не может быть теплой, даже как термосфера, которая тоже очень сильно разрежена.

В верхней части экзосферы молекулы газа постоянно мигрируют по направлению солнечного ветра и магнитного поля планеты, поскольку гравитационное притяжение Земли на этой высоте очень слабое. Единственное, что можно найти в экзосфере, — это искусственные спутники и случайные полярные сияния. За пределами экзосферы мы покидаем атмосферу Земли и попадаем в межпланетную среду, где преобладает поток частиц, испускаемых Солнцем.

Краткая история атмосферы Земли

Атмосфера Земли не всегда имела такой состав, как сегодня. В начале своей истории атмосфера Земли была бы для нас совершенно чуждой. Да и не только для нас, но и для практически всех живых организмов. После образования Земля подверглась бомбардировке астероидами и другими небесными телами. Как только это закончилось и планета стабилизировалась, в первой настоящей атмосфере преобладали газы из вулканов и другой геологической активности.

Считается, что ранняя атмосфера состояла в основном из азота и углекислого газа. Концентрации углекислого газа были во много раз выше, чем сегодня, а кислород практически отсутствовал. Да, дышать было невозможно, а наша Земля была крайне негостеприимным местом в то время. Высокий уровень углекислого газа, возможно, позволил некоторым этапам круговорота углерода в природе, таким как выветривание горных пород и газообмену в океане, начаться еще 4 миллиарда лет назад.

Эволюция живых существ оказала глубокое влияние на атмосферу, особенно это относится к цианобактериям. Эти микробы были первыми организмами, которые создали кислород посредством фотосинтеза, в процессе также активно поглощая углекислый газ. Первоначально большая часть этого кислорода поглощалась различными резервуарами, в основном отложениями. В атмосфере присутствовало лишь небольшое количество кислорода, но этого все же было достаточно, чтобы способствовать вымиранию многих видов микробов, которые развивались без кислорода, поскольку кислород был для них токсичен. Это Великое событие оксигенации (окисления) произошло между 2,4 и 2 миллиардами лет назад. В конце концов эти резервуары были заполнены до отказа, и уровень кислорода в атмосфере начал расти примерно 850 миллионов лет назад и со временем достиг современных значений.