§ 28. Атмосфера. Її склад і будова

Атмосфера Землі. З перших хвилин життя нас оточує повітря. Повітряна оболонка Землі називається атмосферою (з грецьк. atmos — пара та sphaira — куля, оболонка).

Повітряна оболонка разом із Землею здійснює добове обертання навколо земної осі, а також річний рух по навколосонячній орбіті.

Вивченням атмосфери займаються метеорологи. Метеорологія (з грецьк. meteoros — піднятий угору, небесний і logos — учення) — наука про повітряну оболонку Землі, її тепловий і водний режим.

Без атмосфери життя на Землі було б неможливе. Атмосфера здійснює істотний вилив на життя людей — їхнє самопочуття, працездатність, творчу активність. Атмосфера має великі запаси води. Її розвиток значно відрізняється від розвитку газових оболонок інших планет і тісно пов’язаний із геологічними процесами, а також із діяльністю живих організмів.

Діяльність живих організмів, насамперед людини, усе більше впливає на склад атмосфери та процеси, що відбуваються в ній.

Атмосфера захищає нашу планету від перегріву сонячним промінням удень і переохолодження вночі. В атмосфері згорають метеорити, що падають із космосу, і завдяки цьому не завдають шкоди живим організмам на Землі.

З космосу атмосфера виглядає тонкою плівкою навколо Землі. Якщо ми порівняємо товщину атмосфери й розміри Землі, її ядра та мантії, то переконаємося в невеликому обсязі повітряної оболонки нашої планети.

Відомо, що з висотою щільність повітря поступово зменшується, тому більша частина повітря зосереджена в нижньому шарі атмосфери. Розрахунки вчених засвідчили, що половина маси атмосфери зосереджена в нижньому 5-кілометровому шарі, а майже все атмосферне повітря (99,5 %) перебуває в нижньому 80-кіломртровому шарі.

На значних висотах щільність атмосферного повітря зменшується в мільярди разів. На висотах 500-800 км можуть виникати світіння розрідженого повітря — полярні сяйва.

Якщо нижня межа земної атмосфери точно окреслюється поверхнею нашої планети, то про верхню межу так сказати не можна. Атмосферне повітря поступово переходить у міжпланетний простір. Тому верхню межу атмосфери проводять умовно.

Склад атмосфери. У давнину люди вірили, що повітря однорідне, уважаючи його однією з чотирьох стихій разом із вогнем, водою та землею, з яких складається Всесвіт. Нині відомо, що повітря — це суміш газів, які не мають кольору, запаху й смаку. Тому у звичайних умовах ми не можемо його побачити. У нижньому шарі атмосфери міститься 78 % азоту, 21 % кисню, інші гази становлять менше 1 %, з них 0,03 % — вуглекислий газ. Найважливішим для життя є кисень. Він забезпечує дихання, підтримує горіння й бере участь в окисненні органічних решток. Вуглекислий газ використовують рослини в процесі фотосинтезу.

У повітрі містяться також різноманітні домішки — водяна пара, частинки диму, сажі, пилу, пилок рослин і мікроорганізми.

Будова атмосфери. Атмосферу умовно поділяють на кілька шарів: тропосферу, стратосферу й верхні шари атмосфери (мал. 74).

Тропосфера — найнижчий і найщільніший шар атмосфери. У ній міститься майже 80 % усього атмосферного повітря й майже 95 % усієї водяної пари. Унаслідок відцентрової сили, що виникає під час обертання Землі, її верхня межа різниться залежно від географічної широти. Над екватором вона становить 16-18 км, у помірних широтах — 10-12 км і над полюсами — 8-10 км.

Тропосферу інколи називають кухнею погоди, бо саме в ній утворюються хмари й опади.

Температура тропосферного повітря з висотою поступово знижується. Це пояснюється тим, що атмосфера нагрівається від поверхні Землі, а не безпосередньо від Сонця, оскільки прозоре повітря вільно пропускає сонячне проміння, майже його не затримуючи.

Стратосфера — це розріджений шар атмосфери, який починається від верхньої межі тропосфери й сягає висоти 55 км. У ній міститься дуже мало водяної пари, з якої іноді утворюються легкі хмари, що складаються з дрібних кристаликів льоду. Температура повітря стратосфери дуже низька — -80 . -40 °С, але з висоти 20-25 км і до верхньої межі вона поступово підвищується до 0 °С.

Мал. 74. Будова атмосфери

На висоті 25-30 км у стратосфері спостерігається найвища концентрація озону — газу, що захищає всі живі організми на Землі від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Озон утворюється з атмосферного кисню під час гроз унаслідок електричних розрядів блискавок.

Верхні шари атмосфери — це області з дуже розрідженим сухим повітрям, яке, починаючи з висоти 100 км, поступово переходить у космічний простір.

Склад і будова атмосфери залишаються незмінними впродовж мільйонів років завдяки постійному кругообігу речовин та енергії. Кисень, який живі організми використовують для дихання, виробляється рослинами в процесі фотосинтезу. Зелені рослини в процесі життєдіяльності використовують вуглекислий газ для утворення органічних речовин. Азот, який рослини засвоюють з атмосферного повітря, після розкладання органічних решток повертається назад, в атмосферу. Захисний озоновий шар постійно поновлюється під час грози.

Проте цю рівновагу легко порушити, якщо недбало ставитися до природних ресурсів та їх взаємозв’язків.

ПОВТОРИМО ГОЛОВНЕ

• Атмосфера — повітряна (газова) оболонка Землі, що захищає нашу планету від перегріву сонячним промінням удень і від переохолодження вночі.
• Повітря — суміш газів. Найважливішими для життя є кисень і вуглекислий газ.
• У нижньому шарі атмосфери — тропосфері — відбувається зародження й формування погоди.
• У стратосфері з кисню утворюється газ озон, що захищає Землю від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Ключові терміни і поняття

Атмосфера, тропосфера, стратосфера, верхні шари атмосфери, захисний озоновий шар.

Запитання та завдання

• 1. Чим атмосфера Землі відрізняється від газових оболонок інших планет?
• 2. Як змінюється щільність атмосферного повітря з висотою?
• 3. Укажіть, у якому шарі зосереджене майже все (99,5 %) атмосферне повітря.
• 4. Чи має атмосфера чітку верхню межу?
• 5. У якому шарі атмосфери спостерігається найбільший уміст озону? Яке значення для живих організмів має цей газ?
• 6. Яка сила утримує повітря біля поверхні Землі?

Пригадайте з курсу природознавства, яке значення має кисень для організму. Опишіть дослід, який це доводить.

СКАРБНИЧКА ДОСЛІДНИКА

Усі великі планети Сонячної системи мають атмосферу, виняток становлять Меркурій і Плутон, у яких виявлені лише незначні «сліди» розрідженої атмосфери. У верхніх шарах атмосфери визначають мезосферу й термосферу.

При вивченні атмосфери використовують не тільки дані традиційних спостережень на метеостанціях, а також інформацію радіозондів, метеорологічних ракет, метеорологічних супутників Землі.

Шари атмосфери

Земна атмосфера являє собою газову оболонку планети. Нижня межа атмосфери проходить біля поверхні землі (гідросфера і земна кора), а верхня межа є область стикатися космічного простору (122 км). В собі атмосфера містить багато різних елементів. Основні з них: 78% азот, 20% кисень, 1% аргон, вуглекислий газ, галий неону, водень і тд. Цікаві факти можна подивитися в кінці статті або перейшовши за посиланням.

Атмосфера має чітко виражені шари повітря. Шари повітря відрізняються між собою температурою, різницею газів і їх щільністю і тиском. Потрібно відзначити, що шари стратосфера і тропосфера захищають Землю від сонячної радіації. У вищих шарах живий організм може отримати смертельну дозу ультрафіолетового сонячного спектра. Для швидкого переходу до потрібного шару атмосфери, натисніть на відповідний шар:

• тропосфера
• стратосфера
• мезосфера
• лінія Кармана
• термосфера
• екзосфера
• Тропосфера і тропопауза

Тропосфера – температура, тиск, висота

Верхня межа тримається на позначці 8 – 10 км приблизно. У помірних широтах 16 – 18 км, а в полярних 10 – 12 км. Тропосфера – це нижній головний шар атмосфери. У цьому шарі знаходиться понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всієї водяної пари. Саме в тропосфері виникають конвекція і турбулентність, утворюються хмари, відбуваються циклони. Температура знижується з ростом висоти. Градієнт: 0,65 ° / 100 м. Нагріта земля і вода нагрівають докладає повітря. Нагріте повітря піднімається в гору, охолоджується і утворює хмари. Температура у верхніх межах шару може досягати – 50/70 ° C.

Саме в цьому шарі відбуваються зміни кліматичних погодних умов. У нижню межу тропосфери називають приземним, так як він має багато летючих мікроорганізмів і пилу. Швидкість вітру збільшується зі збільшенням висоти в цьому шарі.

Це перехідний шар тропосфери до стратосфери. Тут припиняється залежність зниження температури з підвищенням висоти. Тропопауза – мінімальна висота, де вертикальний градієнт температури падає до 0,2 ° C / 100 м. Висота тропопаузи залежить від сильних кліматичних проявів, таких як циклони. Над циклонами висота тропопаузи знижується, а над антициклонами підвищується.

Стратосфера і Стратопауза

Висота шару стратосфери приблизно від 11 до 50 км. Присутній незначна зміна температури на висоті 11 – 25 км. На висоті 25 – 40 км спостерігається інверсія температури, від 56,5 піднімається до 0,8 ° C. Від 40 км до 55 температура тримається на позначці 0 ° C. Цю область називають – стратопауза.

У стратосфері спостерігають вплив сонячної радіації на молекули газу, вони дисоціюють на атоми. У цьому шарі немає майже водяної пари. Сучасні надзвукові комерційні літаки літають на висоті до 20 км через стабільних польотних умов. Висотні метеозонди піднімаються на висоту 40 км. Тут присутні стійкі повітряні течії, швидкість їх досягає 300 км / ч. Також в цьому шарі зосереджено озон, шар який поглинає ультрафіолетові промені.

Мезосфера і Мезопауза – склад, реакції, температура

Шар мезосфери починається приблизно на висоті 50 км і закінчується на позначці 80 – 90 км. Температури знижується з підвищенням висоти приблизно 0,25-0,3 ° C / 100 м. Основним енергетичним дією тут є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів (має 1 або 2 непарних електронна) тому вони реалізують світіння атмосфери.

Майже всі метеори згорають в мезосфері. Вчені назвали цю зону – Ігноросферой. Цю зону важко досліджувати, так як аеродинамічна авіація тут дуже погана через щільність повітря, яка тут в 1000 разів менше ніж на Землі. А для запуску штучних супутників щільність ще дуже висока. Дослідження проводять за допомогою метеорологічних ракет, але це збоченість. Мезопауза перехідною шар між мезосферою і термосферою. Має температуру мінімум -90 ° C.

Лінію Кармана називають кордоном між атмосферою Землі та космосом. Згідно з міжнародною авіаційної федерацією (ФАІ) висота цієї межі – 100 км. Таке визначення дали на честь американського вченого Теодора Фон Кармана. Він визначив, що приблизно на цій висоті щільність атмосфери настільки мала, що аеродинамічна авіація тут стає неможлива, так як швидкість літального пристрою повинна бути більшою першої космічної швидкості. На такій висоті втрачає сенс поняття звуковий бар’єр. Тут управляти літальним апаратом можна лише за рахунок реактивних сил.

Верхня межа цього шару приблизно 800 км. Температура зростає приблизно до висоти 300 км де досягає близько 1500 К. Вище температура залишається незмінною. У цьому шарі відбувається полярне сяйво – відбувається в слідстві впливу сонячної радіації на повітря. Також цей процес називають іонізацією атмосферного кисню.

Через малу розрядженого повітря польоти вище лінії Кармана реалізовані тільки за балістичних траєкторіях. Все пілотовані орбітальні польоти (крім польотів на Місяць) відбуваються в цьому шарі атмосфери.

Екзосфера – щільність, температура, висота

Висота екзосфери вище 700 км. Тут газ сильно розріджена, і відбувається процес дисипації – витік частинок у міжпланетний простір. Швидкість таких частинок може досягати 11,2 км / сек. Зростання сонячної активності призводить до розширення товщини цього шару.

Газова оболонка не відлітає в космос через земного тяжіння. Повітря складається з частинок, які мають свою масу. Із закону тяжіння можна винести те, що кожен об’єкт володіє масою притягується до Землі.

Закон Буйс-Баллот говорить, що якщо перебувати в Північній півкулі і встати спиною до вітру, то справа буде розташовуватися зона високого тиску, а зліва – низького. У Південному ж півкулі все буде навпаки.