Атмосфера

Атмосфера — тонкий слой над поверхностью нашей планеты, благодаря которому здесь существует жизнь. Чтобы понять, насколько этот слой тонок, давайте представим Землю размером с баскетбольный мяч, который окунули в воду. Капельки на его поверхности будут превосходить по размеру всю плотную часть атмосферы.

Эта небольшая газовая среда защищает нас от вредного воздействия ультрафиолетового излучения, обеспечивает равномерный нагрев и охлаждение поверхности Земли и, что самое главное, содержит воздух, необходимый для дыхания. В этой статье мы посмотрим, из чего состоит атмосфера нашей планеты, определим ее основные слои и физические свойства. Также мы постараемся оценить влияние человека на атмосферу и возможные последствия этого влияния.

Общие сведения о составе атмосферы

В основном атмосфера Земли состоит из азота (78%) и кислорода (21%). Хотя последний имеет решающее значение для нашей жизни, мы видим, что он составляет всего лишь пятую часть атмосферы. Попадая в организм, кислород насыщает все его клетки и запускает окислительные процессы, высвобождающие энергию для жизни.

Азот — газ, который при нормальной концентрации не оказывает существенного влияния на организм и почти полностью выводится с выдыхаемым воздухом. Однако даже при незначительном возрастании его доли содержания азот начинает вытеснять кислород, что приводит к ухудшению самочувствия и нарушениям нормальной жизнедеятельности организма.

В состав атмосферы также входит водяной пар. Иногда доля его содержания может достигать 3%, но в абсолютно сухом воздухе падает до 0. Кроме того, в атмосфере содержатся и другие газы, на которые приходится приблизительно 1% ее состава. Перечислим их в порядке убывания концентрации:

• аргон — 0,93%;
• углекислый газ — 0,04%;
• неон — 2 * 10^-3%;
• гелий —5 * 10^-4%;
• метан — 2 * 10^-4%;
• криптон — 10^-4%;
• водород — 5 * 10^-5%.

Строение атмосферы: слои и их характеристики

Слоями атмосферы называют области с разными измеряемыми показателями. Мы рассмотрим основную классификацию, которая основана на изменении состава, температуры и плотности содержания вещества. Выделяют 5 слоев атмосферы с промежуточными зонами:

• тропосфера и тропопауза;
• стратосфера и стратопауза;
• мезосфера и мезопауза;
• термосфера и термопауза;
• экзосфера.

Тропосфера: нижний слой атмосферы

Тропосфера — это самый нижний слой, который начинается непосредственно после поверхности планеты. Верхняя граница тропосферы располагается на высоте от 9 до 17 километров (на полюсах значительно ниже, чем на экваторе). Несмотря на небольшую протяженность, этот слой является основным, так как его масса составляет порядка 80% от общей массы атмосферы. Средняя температура у поверхности равна +15 °C и по мере подъема от нее постепенно опускается до -60 °C.

В тропосфере образуются облака, возникают такие погодные явления, как циклоны и антициклоны. Именно здесь заканчивает свое движение вверх водяной пар, чтобы позднее вернуться на Землю в виде осадков. Подавляющее большинство самолетов не вылетает за пределы тропосферы.

Промежуточную зону между тропосферой и стратосферой называют тропопаузой. Она имеет толщину от нескольких сотен метров до пары километров. Анализ состояния тропопаузы позволяет ученым предсказывать грядущие климатические изменения.

Стратосфера: важные аспекты и влияние на климат

Стратосфера — это второй слой атмосферы, который простирается на высоте 12–50 километров от поверхности. В нижней части стратосферы температура растет и постепенно достигает 0 °C. Это связано с тем, что именно здесь располагается озоновый слой. Молекулы O₃ активно поглощают ультрафиолетовые лучи от Солнца, пропуская дальше всего лишь 1–3% от всего поступающего излучения. Несмотря на очень низкую концентрацию (всего несколько частиц на миллион), озон поддерживает стабильность экосистем и защищает нас от солнечных ожогов. В нижней части стратосферы могут летать некоторые реактивные самолеты.

Стратосфера напрямую влияет на климатические изменения. От ее температуры во многом зависит интенсивность полярных вихрей. Сильные завихрения способны удерживать холодный воздух на полюсах, из-за чего меньше охлаждаются средние широты и наступают относительно теплые зимы. Температура у поверхности Земли также зависит от концентрации озона — чем больше образуется молекул O₃, тем меньше они пропускают тепло, возвращая его обратно в нижние слои.

На высоте 50–55 километров располагается промежуточный слой — стратопауза. Здесь отмечают сильное падение атмосферного давления (в тысячу раз меньше, чем у поверхности Земли), а температура, напротив, достигает значений до +1 °C.

Мезосфера: особенности и физические свойства

Мезосфера охватывает область от 50 до 80 километров над уровнем моря. Это самый холодный слой атмосферы, где температура опускается с 0 до -85 °C. Из-за низкой плотности вещества (в 200 раз меньше, чем в тропосфере) в мезосферу могут попасть только летательные аппараты, оснащенные ракетными двигателями.

В мезосфере на 1% возрастает содержание азота, что компенсируется меньшим содержанием кислорода. В этой области возникает естественное свечение атмосферы, которое можно наблюдать из космоса. Также здесь образуются спрайты — яркие вспышки, которые появляются сразу после грозовых молний и представляют собой разряды холодной плазмы.

Между мезо- и термосферой, на средней высоте 80 - 90 километров над поверхностью располагается мезопауза. Здесь температура достигает своего минимума в -100 °C. Редко попадающий сюда водяной пар моментально формируется в серебристые облака, состоящие из ледяных частиц. В ясную погоду сразу после заката они могут быть различимы в бинокль, но чаще всего серебристые облака настолько тусклы, что через них просвечивают звезды.

Термосфера: основные характеристики и линия Ка́рмана

Термосфера — это достаточно протяженный слой атмосферы, который охватывает пространство от 90 до 600 километров над поверхностью планеты. Свое название он получил из-за происходящего в нем резкого повышения температуры. На высоте около 300 километров она достигает своего пикового значения — 1 500 °C. При этом ощутить тепло в термосфере попросту невозможно. Молекулы здесь очень разрежены и достаточно редко сталкиваются друг с другом. Кроме того, из-за чрезвычайно малого размера они неспособны передавать тепловую энергию более крупным объектам.

В термосфере, на расстоянии 100 километров от поверхности Земли, располагается линия Ка́рмана, которая является официальной границей между Землей и космосом. Первоначально она располагалась несколько ниже (84 км) и означала теоретический предел высоты полета самолетов. Линия Ка́рмана имеет в первую очередь юридическое значение, так как определяет верхние пределы государственных границ.

В термосфере также возникают полярные сияния. Некоторым идущим от Солнца заряженным частицам удается преодолеть магнитное поле Земли. Сталкиваясь с атомами кислорода и азота, они образуют яркое свечение. На высоте около 100 километров оно имеет красный и фиолетовый цвет, а в 300 километрах от поверхности становится желтым и зеленым. В последнее время участились случаи полярных сияний в средних широтах. Это связано с повышенной солнечной активностью и небольшим смещением геомагнитных полюсов.

Экзосфера: верхний слой атмосферы

Самый верхний слой атмосферы не имеет четко определенных границ. Начинаясь на высоте 600 километров, экзосфера может достигать 10 000 километров над поверхностью, что немногим меньше диаметра нашей планеты. Здесь частицы почти не подвержены гравитационному воздействию Земли, из-за чего могут переходить в свободное космическое пространство. В отличие от остальных слоев экзосфера преимущественно состоит из гелия и водорода. При этом концентрация вещества настолько мала, что атомы почти никогда не сталкиваются друг с другом.

Физические свойства атмосферы

В предыдущих разделах мы рассмотрели протяженность и температуру разных слоев атмосферы. Теперь же подробнее остановимся на других физических свойствах.

• Масса. Согласно расчетам, атмосфера имеет массу 5,15 * 10¹⁸ килограмм. Это колоссальное значение, однако масса нашей планеты больше в 1,2 млн раз.
• Давление. Рядом с поверхностью Земли атмосферное давление в среднем составляет 101,325 килопаскалей. Для специфичных измерений используются такие внесистемные единицы, как бар (10⁵ Па) или атмосфера (0,98 бар).
• Плотность. На уровне моря средняя плотность атмосферы равна 1,2 кг/м³. Это приблизительно в 800 раз меньше, чем плотность воды.
• Скорость звука. В разной среде звуковые волны распространяются с разной скоростью. Для земной атмосферы принято усредненное значение — 343 м/с.

Оптические и акустические явления в атмосфере

Большинство оптических явлений в атмосфере вызвано рассеиванием и преломлением солнечного света. Например, рассеивание света влияет на цвет неба. Днем, когда лучи падают под прямым или острым углом, небо приобретает голубой оттенок. На восходе и закате свету приходится преодолевать большее расстояние, из-за чего нашего взгляда достигают самые длинные волны спектра — красные и оранжевые, тогда как синие почти полностью рассеиваются атмосферой. Еще более наглядным примером рассеивания являются облака — в особенно пасмурные дни мы не можем увидеть даже собственную тень.

Среди редких оптических атмосферных явлений можно выделить гало. Когда лучи Солнца проходят через частички льда в мезосфере, они преломляются, образуя светящийся ореол. Из-за разного характера преломления гало может приобретать достаточно причудливые формы. Иногда это выглядит так, будто на небе светит 3 Солнца, а иногда — словно в небе образовались огромные световые столбы.

Что касается звуков, то самым распространенным акустическим явлением в атмосфере, конечно же, является гром. Каждую секунду в облаках по всему земному шару возникает несколько десятков электростатических разрядов. Воздух на пути движения молнии моментально расширяется, что сопровождается мощной ударной волной с продолжительным звуковым эффектом.

Еще одним интересным акустическим атмосферным явлением является инфразвук. Он возникает во время сильных ураганов и торнадо. Из-за низкой частоты волн (не более 20 Гц) человек не воспринимает инфразвук на слух. Однако он распространяется на большие расстояния и позволяет предсказывать бурю задолго до ее прихода.

История формирования атмосферы

Согласно современной модели происхождения Земли, ее атмосфера начала формироваться спустя 500 млн лет после образования самой планеты, то есть приблизительно 4 млрд лет назад. Ранняя Земля притягивала элементы из планетарной туманности, среди которых превалировали водород, метан и аммиак. Похожую атмосферу сейчас имеют газовые гиганты — Юпитер и Сатурн.

Спустя время еще не до конца сформированная Земля столкнулась с Теей — гипотетической планетой размером с Марс, из обломков которой сформировалась Луна. Из-за столкновения поверхность сильно нагрелась, выделив в раннюю атмосферу летучие газы. Считается, что в то же время на Земле образовался водяной пар.

Эволюция атмосферы до современного состояния

3,8 млрд лет назад, когда поверхность Земли остыла, начала формироваться ее вторичная атмосфера. Охлаждение привело к тому, что водяной пар конденсировался, наполнив океаны. Из-за сильнейшей вулканической активности и падения многочисленных астероидов произошло выделение азота, двуокиси углерода и других газов.

Примерно в то же время живые организмы освоили фотосинтез — процесс преобразования солнечной энергии в органические вещества. В течение миллиарда лет они насыщали атмосферу кислородом, что привело к повышению его содержания в несколько тысяч раз. Считается, что во время «кислородной революции» на Земле появились первые грибы.

Третья, или современная, атмосфера Земли начала формироваться около 2 млрд лет назад под воздействием тектонических процессов и движения континентов. Окислительные процессы приводили к колебаниям уровня кислорода, который 280 млн лет назад достиг своего пикового значения в 35%. Это привело к появлению гигантских растений и феноменальному разнообразию фауны. В течение последних 100 млн лет уровень кислорода постепенно сокращался и стабилизировался на значении в 21%.

Влияние человека на атмосферу: загрязнение и его последствия

Парниковые газы, такие как метан и двуокись углерода, удерживают тепло и распространяют его по всей атмосфере. Во многом благодаря им на Земле поддерживаются комфортные климатические условия. Однако многие аспекты человеческой деятельности приводят к чрезмерному повышению концентрации парниковых газов. Среди наиболее распространенных из них можно отметить:

• сжигание топлива (горение угля, природного газа, нефти и бензина сопровождается выделением углекислого газа);
• вырубка лесов (деревья активно поглощают углекислый газ);
• разведение скота (отходы выделяют большое количество метана);
• мусорные свалки (разлагающиеся продукты жизнедеятельности также выделяют метан).

Наблюдения показывают, что средняя температура на Земле выросла на 2 °C по сравнению с доиндустриальной эпохой. На первый взгляд разница кажется незначительной, однако глобальное потепление приводит к таянию ледников и повышению уровня мирового океана, из-за чего многие области со временем окажутся затопленными. Кроме того, постоянное повышение температуры в будущем станет причиной:

• усиления засухи и нехватки продуктов питания;
• образования мощнейших ураганов и торнадо;
• постоянных лесных пожаров;
• вымирания множества видов живых существ.

Тем не менее иногда высказывается мнение, что глобальное потепление вызвано не человеческой деятельностью, а повышением солнечной активности. Но если бы это было так, исследователи фиксировали бы повышение температуры во всех слоях атмосферы, а не только в тропосфере.

Ученые, изучавшие атмосферу

Считается, что первым ученым, который изучал атмосферу, был древнегреческий философ Аристотель. В IV веке до н.э. он выпустил собрание сочинений «Метеорологика», одно из которых было посвящено природе неба и воздуха. Однако почти все выводы греческого философа оказались ошибочными, из-за чего были последовательно отвергнуты учеными Нового времени. Давайте вспомним ученых, являющихся ключевыми фигурами в изучение атмосферы:

• Галилео Галилей — в 1597 году изобрел термометр, после чего началась эпоха метеорологических наблюдений;
• Эванджелиста Торричелли — в 1644 году создал первый ртутный барометр и доказал, что существует атмосферное давление.
• Михаил Ломоносов — в 1748 году изобрел анемометр, прибор для измерения скорости и направления ветра.
• Орас Бенедикт де Соссюр — в 1787 году совершил восхождение на высоту 4,8 километра, взяв с собой термометр и барометр. Проводя наблюдения каждые 100 метров, он определил, как давление и температура меняются с набором высоты.
• Павел Молчанов — в 1927 году изобрел радиозонд в виде заполненного водородом воздушного шара. В гондоле, подвешенной к зонду находились датчики температуры, давления и влажности воздуха. Поднимаясь на высоту до 8 километров, зонд измерял, а потом передавал данные с помощью радиосигналов.

Интересные факты

• В 2001 году ученые обнаружили, что в стратосфере существует бактериальная жизнь, тем самым «отодвинув» границы биосферы нашей планеты.
• Если бы атмосфера Земли имела равномерную плотность, она бы заканчивалась на высоте 8,5 километров над уровнем моря — ниже, чем вершина горы Эверест.
• Некоторые животные способны слышать инфразвук, исходящий от атмосферных ураганов. Известно, что киты, уловив подобные звуковые волны, уходят вглубь моря, чтобы обезопасить себя от природных катаклизмов.

• Из-за высокой химической активности кислород обычно вступает в реакцию с другими веществами, однако в земной атмосфере он находится в свободном виде, что создает подходящие условия для жизни.
• Следы от пролетающих самолетов, которые мы видим в небе, состоят из частиц льда. Взаимодействие горячих двигателей с холодными элементами атмосферы приводит к образованию водяного пара, который превращается в кристаллики льда, не переходя в жидкое состояние.

Обычно мы воспринимаем атмосферу Земли как данность и не придаем её существованию большого значения. Однако малейшие изменения в её составе и структуре могут привести к необратимым последствиям для планеты. Именно поэтому так важно беречь экологию, стремиться к сокращению выбросов углекислого газа и других вредных для дыхания веществ. Даже небольшой вклад каждого человека помогает поддерживать целостность атмосферы и стабильность озонового слоя. Забота об экологии и атмосфере позволит будущим поколениям наслаждаться жизнью в таких же комфортных условиях, которые посчастливилось застать нам самим.

Изображение на обложке: Freepik