Атмосфера земли

     Атмосфера (от греч. afhmos — пар, sphaira — шар) — газовая оболочка планеты. На Земле сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав современной атмосферы — результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба.

     Общая масса атмосферы Земли равна 5,3 • 1015 т (по разным оценкам 5,15—5,9 • 1015), причем 90% сосредоточено в околоземном  слое толщиной около 16 км. Поскольку  атмосфера является наружной оболочкой  Земли, она «разграничивает» планету  и космическое пространство, ослабляя ряд поступающих из космоса излучений  и сглаживая резкие колебания  температуры в биосфере. Кроме  того, она является средой распространения  микроорганизмов, семян, плодов, а также  местообитанием многих насекомых, птиц и млекопитающих. 

История возникновения и развития атмосферы  довольно сложная и продолжительная, она насчитывает близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.  

Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть  массы Земли. С высотой резко  уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе  из-за влияния на атмосферу солнечной  активности и магнитных бурь. Изменение  температуры в границах атмосферы  на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии  газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.  

Следует отметить, что атмосфера имеет  очень большое экологическое  значение. Она защищает все живые  организмы Земли от губительного влияния космических излучений  и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание  суточной температуры на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).  

Одной из главнейших составных атмосферы  является водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы является также углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы - продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли.  
 

История образования атмосферы 

Согласно  наиболее распространённой теории, атмосфера  Земли во времени пребывала в  трёх различных составах. Первоначально  она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного  пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех  миллиардов лет назад). На следующем  этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы  и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным  паром). Так образовалась вторичная  атмосфера (около трех миллиардов лет  до наших дней). Эта атмосфера  была восстановительной. Далее процесс  образования атмосферы определялся  следующими факторами:

утечка  легких газов (водорода и гелия) в  межпланетное пространство;

химические  реакции, происходящие в атмосфере  под влиянием ультрафиолетового  излучения, грозовых разрядов и некоторых  других факторов. 

Постепенно  эти факторы привели к образованию  третичной атмосферы, характеризующейся  гораздо меньшим содержанием  водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот 

Образование большого количества N2 обусловлено  окислением аммиачно-водородной атмосферы  молекулярным О2, который стал поступать  с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и др. азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы. 

Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических  условиях (например, при разряде  молнии). Окисление молекулярного  азота озоном при электрических  разрядах в малых количествах  используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его  с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород 

Состав  атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося  выделением кислорода и поглощением  углекислого газа. Первоначально  кислород расходовался на окисление  восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и  др. По окончании данного этапа  содержание кислорода в атмосфере  стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку  это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих  в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная  катастрофа. 

В течение  фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень. 

Углекислый  газ

Основные  статьи: Геохимический цикл углерода, Углекислый газ в атмосфере Земли 

Содержание  в атмосфере СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего — от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4×1012 тонн[1]) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ. 

Благородные газы 

Источник  инертных газов — аргона, гелия  и криптона — вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера  в частности обеднены инертными  газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого  заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство. 

Слои  атмосферы 

Атмосфера имеет слоистую структуру.

От поверхности  Земли вверх эти слои:  

1. Тропосфера
2. Стратосфера
3. Мезосфера
4. Термосфера
5. Экзосфера

Границы между слоями не резкие и их высота зависит от широты и времени года. Слоистая структура - результат температурных  изменений на разных высотах. Погода формируется в тропосфере ( нижние примерно 10 км:

около 6 км над полюсами и более 16 км над  экватором). И верхняя граница  тропософеры выше летом, чем зимой.  

ТРОПОСФЕРА  

Нижняя  часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в  которой сосредоточено 4/5 всей массы  атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой  падает в среднем на 0.6°/100 м (в  отдельных случаях распределение  температуры по вертикали варьирует  в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар  атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы.

Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под  разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км. Средняя годовая температура  воздуха у земной поверхности  около +26° на экваторе и около -23°  на северном полюсе. На верхней границе  тропосферы над экватором средняя  температура около -70°, над северным полюсом зимой около -65°, а летом  около -45°.

Давление  воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха  находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют  непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.  

В тропосфере сосредоточен весь водяной пар и  именно поэтому все облака образуются в пределах тропосферы. Температура  уменьшается с высотой.

Солнечные лучи легко проходят через тропосферу, а тепло, которое излучает нагретая солнечными лучами Земля, накапливается  в тропосфере: такие газы, как  углекислый газ, метан а также пары воды удерживают тепло. Такой механизм прогревания атмосферы от Земли, нагретой солнечной радиацией, называется парниковый эффект ( greenhouse effect). Именно потому, что источником тепла для атмосферы является Земля, температура воздуха с высотой уменьшается 

СТРАТОСФЕРА  
 

Над тропосферой  до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура  в ней в среднем растет с  высотой. Переходный слой между тропосферой  и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит  название тропопаузы.

Выше  были приведены данные о температуре  на верхней границе тропосферы. Эти  температуры характерны и для  нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много  ниже, чем над полюсом.

Нижняя  стратосфера более или менее  изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.

Водяного  пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются  иногда в высоких широтах очень  тонкие, так называемые перламутровые  облака. Днем они не видны, а ночью  кажутся светящимися, так как  освещаются солнцем, находящимся под  горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше  

СТРАТОСФЕРА  
 

Над тропосферой  до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура  в ней в среднем растет с  высотой. Переходный слой между тропосферой  и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит  название тропопаузы.

Выше  были приведены данные о температуре  на верхней границе тропосферы. Эти  температуры характерны и для  нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много  ниже, чем над полюсом.

Нижняя  стратосфера более или менее  изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.