Атмосфера (від. Грец. Ἀτμός - пар і σφαῖρα - куля) - газова оболонка, що оточує планету Земля. одна з геосфер. Внутрішня її поверхня покриває гідросферу і частково земну кору, зовнішня межує з навколоземної частиною космічного простору.
Сукупність розділів фізики і хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погоду на поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія. а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.
Атмосферою прийнято вважати ту область навколо Землі, в якій газове середовище обертається разом з Землею як єдине ціле [1]. Атмосфера переходить в міжпланетний простір поступово, в екзосфері. що починається на висоті 500-1000 км від поверхні Землі [2].
За визначенням, запропонованим Міжнародної авіаційної федерацією. межа атмосфери і космосу проводиться по лінії Кармана. розташованої на висоті близько 100 км, вище якої авіаційні польоти стають повністю неможливими. NASA використовує в якості кордону атмосфери позначку в 122 кілометра (400 000 футів), де «шатли» переключаються з маневрування за допомогою двигунів на аеродинамічний маневрування [3].
Сумарна маса повітря в атмосфері - (5,1-5,3) × 10 18 кг. З них маса сухого повітря становить (5,1352 ± 0,0003) х 10 18 кг, загальна маса водяної пари в середньому дорівнює 1,27 × 10 16 кг.
Молярна маса чистого сухого повітря становить 28,966 г / моль, щільність повітря біля поверхні моря приблизно дорівнює 1,2 кг / м 3. Тиск при 0 ° C на рівні моря становить 101,325 кПа; критична температура - -140,7 ° C (
132,4 К); критичний тиск - 3,7 МПа; Cp при 0 ° C - 1,0048 · 10 3 Дж / (кг · К), Cv - 0,7159 · 10 3 Дж / (кг · К) (при 0 ° C). Розчинність повітря у воді (по масі) при 0 ° C - 0,0036%, при 25 ° C - 0,0023%.
За «нормальні умови» у поверхні Землі прийняті: щільність 1,2 кг / м 3. барометричний тиск 101,35 кПа, температура +20 ° C і відносна вологість 50%. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.
Атмосфера Землі виникла в результаті двох процесів: випаровування речовини космічних тіл при їх падінні на Землю і виділення газів при вулканічних виверженнях (дегазація земної мантії). З виділенням океанів і появою біосфери атмосфера змінювалася за рахунок газообміну з водою, рослинами, тваринами і продуктами їх розкладання в ґрунтах і болотах.
Склад сухого повітря
В даний час атмосфера Землі складається в основному з газів і різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).
Концентрація газів, складових атмосферу, практично постійна, за винятком води (H2 O) і вуглекислого газу (CO2).
Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться Cl2, SO2. NH3. СО. O3. NO2, вуглеводні. HCl. HF. HBr. HI. пари Hg. I2. Br2. а також NO і багато інших гази в незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість зважених твердих і рідких частинок (аерозоль). Самим рідкісним газом в Земний атмосфері є радон (Rn).
Прикордонний шар атмосфери
Нижній шар тропосфери (1-2 км товщиною), в якому стан і властивості поверхні Землі безпосередньо впливають на динаміку атмосфери.
тропосфера
Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км в полярних, 10-12 км в помірних і 16-18 км в тропічних широтах; взимку нижче, ніж влітку.
Нижній, основний шар атмосфери містить більше 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього наявного в атмосфері водяної пари. У тропосфері сильно розвинені турбулентність і конвекція. виникають хмари. розвиваються циклони і антициклони. Температура убуває з ростом висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65 ° / 100 метрів.
тропопауза
Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, в якому припиняється зниження температури з висотою.
стратосфера
Шар атмосфери, розташований на висоті від 11 до 50 км. Характерно незначна зміна температури в шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) і підвищення її в шарі 25-40 км від -56,5 до +0,8 ° С (верхній шар стратосфери або область інверсії). Досягнувши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 ° C), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузой і є кордоном між стратосферой і мезосферою.
Стратопауза
Прикордонний шар атмосфери між стратосферой і мезосферою. У вертикальному розподілі температури має місце максимум (близько 0 ° C).
Мезосфера починається на висоті 50 км і простягається до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3) ° / 100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів. колебательно збуджених молекул і так далі. обумовлюють світіння атмосфери.
Перехідний шар між мезосферою і термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце мінімум (близько -90 ° C).
лінія Кармана
Висота над рівнем моря, яка умовно приймається в якості кордону між атмосферою Землі та космосом. Відповідно до визначення ФАІ. лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км над рівнем моря.
термосфера
термопауза
Область атмосфери, прилегла зверху до термосфере. У цій області поглинання сонячного випромінювання незначно і температура мало змінюється з висотою.
Екзосфера (сфера розсіювання)
Атмосферні шари до висоти 120 км
Екзосфера - зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 500-1000 км (в залежності від сонячної активності) [2]. Газ в екзосфері сильно розріджена, і звідси йде витік його частинок в міжпланетний простір (диссипация).
До висоти 100 км атмосфера являє собою гомогенну добре перемішану суміш газів. У більш високих шарах розподіл газів по висоті залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше в міру віддалення від поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 ° C в стратосфері до -110 ° C в мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км відповідає температурі
150 ° C. Вище 200 км спостерігаються значні флуктуації температури і щільності газів в часі і просторі.
На частку тропосфери припадає близько 80% маси атмосфери, на частку стратосфери - близько 20%; маса мезосфери - не більше 0,3%, термосфери - менше 0,05% від загальної маси атмосфери.
На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу і іоносферу.
Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферу і гетеросферу. Гетеросферу - це область, де гравітація впливає на поділ газів, так як їх перемішування на такій висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросферу. Нижче її лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузи. вона лежить на висоті близько 120 км.
Інші властивості атмосфери і вплив на людський організм
Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованого людини з'являється кисневе голодування і без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут закінчується фізіологічна зона атмосфери. Дихання людини стає неможливим на висоті 9 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.
Атмосфера постачає нас необхідним для дихання киснем. Однак внаслідок падіння загального тиску атмосфери в міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.
У легенях людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі при нормальному атмосферному тиску становить 110 мм рт. ст .. тиск вуглекислого газу - 40 мм рт. ст. а парів води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарне тиск парів води і вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря стане рівним цій величині.
На висоті близько 19-20 км тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. що призводить до кипіння води і міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичній кабіни на цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з точки зору фізіології людини «космос» починається вже на висоті 15-19 км.
Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від вражаючої дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах більше 36 км, інтенсивна дія на організм надає іонізуюча радіація - первинні космічні промені; на висотах більше 40 км діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектра.
У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають такі звичні для нас явища, які спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної сили і опору, передача тепла конвекцією і інші.
У розріджених шарах повітря поширення звуку виявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору і підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км, знайомі кожному льотчику поняття числа М і звукового бар'єру втрачають свій сенс: там проходить умовна лінія Кармана. за якої починається область чисто балістичного польоту, управляти яким можна, лише використовуючи реактивні сили.
На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена й іншого чудового властивості - здатності поглинати, проводити і передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай на літаку, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і взагалі в космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.
Історія утворення атмосфери
Згідно з найбільш поширеною теорії, атмосфера Землі протягом історії останньої перебити в трьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів (водню і гелію), захоплених з міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера. На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери і іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком. Водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера. Ця атмосфера була відновної. Далі процес утворення атмосфери визначався наступними факторами:
- витік легких газів (водню і гелію) в міжпланетний простір;
- хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів і деяких інших чинників.
Утворення великої кількості азоту N2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним киснем О2. який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд років тому. Також азот N2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та інших азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO в верхніх шарах атмосфери.
Азот N2 вступає в реакції лише в специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах в малих кількостях використовується в промисловому виготовленні азотних добрив. Окисляти його з малими енерговитратами і переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості) і бульбочкові бактерії, що формують ризобіальних симбіоз з бобовими рослинами, які можуть бути ефективними сидератами - рослинами, що не виснажують, а збагачують грунт природними добривами.
Вуглекислий газ
благородні гази
Джерело інертних газів - аргону. гелію і криптону - вулканічні виверження і розпад радіоактивних елементів. Земля в цілому і атмосфера зокрема збіднені інертними газами в порівнянні з космосом. Вважається, що причина цього криється в безперервної витоку газів в міжпланетний простір [джерело не вказано +1927 днів].
Забруднення атмосфери
Спалювання палива - основне джерело і забруднюючих газів (СО. NO. SO2). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO3. а оксид азоту до NO2 в верхніх шарах атмосфери, які в свою чергу взаємодіють з парами води, а утворюються при цьому сірчана кислота Н2 SO4 і азотна кислота НNO3 випадають на поверхню Землі у вигляді так званих кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згоряння призводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями і з'єднаннями свинцю (тетраетилсвинець Pb (CH3 CH2) 4).
Аерозольна забруднення атмосфери обумовлено як природними причинами (виверження вулканів, пилові бурі, винесення крапель морської води і пилку рослин і інше), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд і будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивний широкомасштабний винос твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.