Struktura diagramu atmosfery ziemskiej. Rola i znaczenie głównych gazów powietrza atmosferycznego. Przyczyny zmian składu atmosfery

Atmosfera (od starożytnego greckiego ἀτμός – para i σφαῖρα – kula) to powłoka gazowa (geosfera) otaczająca planetę Ziemia. Jego wewnętrzna powierzchnia pokrywa hydrosferę i częściowo skorupę ziemską, natomiast zewnętrzna powierzchnia graniczy z bliską Ziemi częścią przestrzeni kosmicznej.

Zbiór działów fizyki i chemii zajmujących się badaniem atmosfery nazywany jest zwykle fizyką atmosfery. Atmosfera determinuje pogodę na powierzchni Ziemi, meteorologia bada pogodę, a klimatologia zajmuje się długoterminowymi zmianami klimatu.

Właściwości fizyczne

Grubość atmosfery wynosi około 120 km od powierzchni Ziemi. Całkowita masa powietrza w atmosferze wynosi (5,1-5,3) 1018 kg. Spośród nich masa suchego powietrza wynosi (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, całkowita masa pary wodnej wynosi średnio 1,27 · 1016 kg.

Masa molowa czystego, suchego powietrza wynosi 28,966 g/mol, a gęstość powietrza przy powierzchni morza wynosi około 1,2 kg/m3. Ciśnienie w temperaturze 0 °C na poziomie morza wynosi 101,325 kPa; temperatura krytyczna - −140,7°C (~132,4 K); ciśnienie krytyczne - 3,7 MPa; Cp w 0 °C - 1,0048·103 J/(kg·K), Cv - 0,7159,103 J/(kg·K) (w 0 °C). Rozpuszczalność powietrza w wodzie (masowo) w temperaturze 0°C – 0,0036%, w temperaturze 25°C – 0,0023%.

Za „normalne warunki” na powierzchni Ziemi przyjmuje się: gęstość 1,2 kg/m3, ciśnienie barometryczne 101,35 kPa, temperaturę plus 20°C i wilgotność względną 50%. Te wskaźniki warunkowe mają znaczenie czysto inżynieryjne.

Skład chemiczny

Atmosfera ziemska powstała w wyniku uwolnienia gazów podczas erupcji wulkanów. Wraz z pojawieniem się oceanów i biosfery powstał w wyniku wymiany gazowej z wodą, roślinami, zwierzętami i produktami ich rozkładu w glebach i bagnach.

Obecnie atmosfera ziemska składa się głównie z gazów i różnych zanieczyszczeń (pył, kropelki wody, kryształki lodu, sole morskie, produkty spalania).

Stężenie gazów tworzących atmosferę jest prawie stałe, z wyjątkiem wody (H2O) i dwutlenku węgla (CO2).

Skład suchego powietrza

Azot
Tlen
Argon
Woda
Dwutlenek węgla
Neon
Hel
Metan
Krypton
Wodór
Ksenon
Podtlenek azotu

Oprócz gazów wskazanych w tabeli atmosfera zawiera SO2, NH3, CO, ozon, węglowodory, HCl, HF, pary Hg, I2, a także NO i wiele innych gazów w małych ilościach. Troposfera stale zawiera dużą ilość zawieszonych cząstek stałych i ciekłych (aerozolu).

Struktura atmosfery

Troposfera

Jego górna granica znajduje się na wysokości 8–10 km w obszarach polarnych, 10–12 km w umiarkowanych i 16–18 km w tropikalnych szerokościach geograficznych; niższa zimą niż latem. Dolna, główna warstwa atmosfery zawiera ponad 80% całkowitej masy powietrza atmosferycznego i około 90% całkowitej pary wodnej obecnej w atmosferze. W troposferze silnie rozwinięte są turbulencje i konwekcja, powstają chmury, rozwijają się cyklony i antycyklony. Temperatura spada wraz ze wzrostem wysokości, przy średnim nachyleniu pionowym wynoszącym 0,65°/100 m

Tropopauza

Warstwa przejściowa z troposfery do stratosfery, warstwa atmosfery, w której zatrzymuje się spadek temperatury wraz z wysokością.

Stratosfera

Warstwa atmosfery położona na wysokości od 11 do 50 km. Charakteryzuje się niewielką zmianą temperatury w warstwie 11-25 km (dolna warstwa stratosfery) i wzrostem temperatury w warstwie 25-40 km od -56,5 do 0,8 ° C (górna warstwa stratosfery lub obszar inwersji) . Po osiągnięciu wartości około 273 K (prawie 0°C) na wysokości około 40 km, temperatura utrzymuje się na stałym poziomie aż do wysokości około 55 km. Ten obszar o stałej temperaturze nazywany jest stratopauzą i stanowi granicę między stratosferą a mezosferą.

Stratopauza

Warstwa graniczna atmosfery pomiędzy stratosferą a mezosferą. W pionowym rozkładzie temperatur występuje maksimum (około 0°C).

Mezosfera

Mezosfera zaczyna się na wysokości 50 km i rozciąga się na 80-90 km. Temperatura spada wraz z wysokością, przy średnim nachyleniu pionowym wynoszącym (0,25-0,3)°/100 m. Głównym procesem energetycznym jest przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Złożone procesy fotochemiczne z udziałem wolnych rodników, cząsteczek wzbudzanych wibracjami itp. powodują luminescencję atmosferyczną.

Mezopauza

Warstwa przejściowa między mezosferą a termosferą. Minimalny jest pionowy rozkład temperatury (około -90°C).

Linia Karmana

Wysokość nad poziomem morza, która jest umownie przyjmowana jako granica między ziemską atmosferą a przestrzenią kosmiczną. Według definicji FAI linia Karmana położona jest na wysokości 100 km nad poziomem morza.

Granica atmosfery ziemskiej

Termosfera

Górna granica wynosi około 800 km. Temperatura wzrasta do wysokości 200-300 km, gdzie osiąga wartości rzędu 1500 K, po czym pozostaje prawie stała na dużych wysokościach. Pod wpływem ultrafioletowego i rentgenowskiego promieniowania słonecznego oraz promieniowania kosmicznego następuje jonizacja powietrza („zorze”) - główne obszary jonosfery leżą wewnątrz termosfery. Na wysokościach powyżej 300 km dominuje tlen atomowy. Górna granica termosfery jest w dużej mierze zdeterminowana obecną aktywnością Słońca. W okresach małej aktywności – np. w latach 2008-2009 – zauważalne jest zmniejszenie rozmiarów tej warstwy.

Termopauza

Obszar atmosfery sąsiadujący z termosferą. W tym regionie absorpcja promieniowania słonecznego jest znikoma, a temperatura w rzeczywistości nie zmienia się wraz z wysokością.

Egzosfera (sfera rozpraszająca)

Egzosfera to strefa dyspersji, zewnętrzna część termosfery, położona powyżej 700 km. Gaz w egzosferze jest bardzo rozrzedzony i stąd jego cząsteczki przedostają się do przestrzeni międzyplanetarnej (rozproszenie).

Do wysokości 100 km atmosfera jest jednorodną, ​​dobrze wymieszaną mieszaniną gazów. W wyższych warstwach rozkład gazów według wysokości zależy od ich mas cząsteczkowych; stężenie cięższych gazów zmniejsza się szybciej wraz z odległością od powierzchni Ziemi. Ze względu na spadek gęstości gazu temperatura spada z 0°C w stratosferze do -110°C w mezosferze. Natomiast energia kinetyczna poszczególnych cząstek na wysokościach 200-250 km odpowiada temperaturze ~150°C. Powyżej 200 km obserwuje się znaczne wahania temperatury i gęstości gazu w czasie i przestrzeni.

Na wysokości około 2000-3500 km egzosfera stopniowo zamienia się w tzw. próżnię bliskiego kosmosu, wypełnioną wysoce rozrzedzonymi cząsteczkami gazu międzyplanetarnego, głównie atomami wodoru. Ale ten gaz reprezentuje tylko część materii międzyplanetarnej. Pozostała część składa się z cząstek pyłu pochodzenia kometarnego i meteorycznego. Oprócz niezwykle rozrzedzonych cząstek pyłu, w tę przestrzeń przenika promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne pochodzenia słonecznego i galaktycznego.

Troposfera stanowi około 80% masy atmosfery, stratosfera - około 20%; masa mezosfery wynosi nie więcej niż 0,3%, termosfera jest mniejsza niż 0,05% całkowitej masy atmosfery. Na podstawie właściwości elektrycznych atmosfery rozróżnia się neutronosferę i jonosferę. Obecnie uważa się, że atmosfera rozciąga się na wysokość 2000-3000 km.

W zależności od składu gazu w atmosferze wyróżnia się homosferę i heterosferę. Heterosfera to obszar, w którym grawitacja wpływa na separację gazów, ponieważ ich mieszanie na takiej wysokości jest znikome. Oznacza to zmienny skład heterosfery. Poniżej znajduje się dobrze wymieszana, jednorodna część atmosfery zwana homosferą. Granica pomiędzy tymi warstwami nazywana jest turbopauzą i przebiega na wysokości około 120 km.

Inne właściwości atmosfery i wpływ na organizm ludzki

Już na wysokości 5 km nad poziomem morza nieprzeszkolona osoba zaczyna odczuwać głód tlenu i bez adaptacji wydajność osoby jest znacznie zmniejszona. Tutaj kończy się strefa fizjologiczna atmosfery. Oddychanie człowieka staje się niemożliwe na wysokości 9 km, chociaż do około 115 km atmosfera zawiera tlen.

Atmosfera dostarcza nam tlenu niezbędnego do oddychania. Jednakże, ze względu na spadek całkowitego ciśnienia atmosfery, w miarę wznoszenia się na wysokość, ciśnienie cząstkowe tlenu odpowiednio maleje.

Płuca człowieka stale zawierają około 3 litrów powietrza pęcherzykowego. Ciśnienie cząstkowe tlenu w powietrzu pęcherzykowym przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 110 mmHg. Art., ciśnienie dwutlenku węgla - 40 mm Hg. Art. i para wodna - 47 mm Hg. Sztuka. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie tlenu spada, a całkowite ciśnienie pary wody i dwutlenku węgla w płucach pozostaje prawie stałe - około 87 mm Hg. Sztuka. Dopływ tlenu do płuc zostanie całkowicie zatrzymany, gdy ciśnienie powietrza otoczenia zrówna się z tą wartością.

Na wysokości około 19-20 km ciśnienie atmosferyczne spada do 47 mm Hg. Sztuka. Dlatego na tej wysokości w organizmie człowieka zaczyna wrzeć woda i płyn śródmiąższowy. Poza kabiną ciśnieniową na tych wysokościach śmierć następuje niemal natychmiast. Zatem z punktu widzenia fizjologii człowieka „przestrzeń” zaczyna się już na wysokości 15–19 km.

Gęste warstwy powietrza – troposfera i stratosfera – chronią nas przed szkodliwym działaniem promieniowania. Przy wystarczającym rozrzedzeniu powietrza, na wysokościach ponad 36 km, promieniowanie jonizujące - pierwotne promienie kosmiczne - wywiera intensywny wpływ na organizm; Na wysokościach powyżej 40 km ultrafioletowa część widma słonecznego jest niebezpieczna dla człowieka.

W miarę wznoszenia się na coraz większą wysokość nad powierzchnią Ziemi znane zjawiska obserwowane w dolnych warstwach atmosfery, takie jak rozchodzenie się dźwięku, występowanie siły nośnej i oporu aerodynamicznego, przenoszenie ciepła przez konwekcję itp. stopniowo słabną, a następnie całkowicie zanikają.

W rozrzedzonych warstwach powietrza rozchodzenie się dźwięku jest niemożliwe. Do wysokości 60-90 km nadal możliwe jest wykorzystanie oporu powietrza i siły nośnej do kontrolowanego lotu aerodynamicznego. Jednak począwszy od wysokości 100-130 km znane każdemu pilotowi pojęcia liczby M i bariery dźwiękowej tracą na znaczeniu: leży konwencjonalna linia Karmana, za którą zaczyna się obszar lotu czysto balistycznego, który może jedynie być kontrolowane za pomocą sił reakcji.

Na wysokościach powyżej 100 km atmosfera pozbawiona jest jeszcze jednej niezwykłej właściwości – zdolności pochłaniania, przewodzenia i przekazywania energii cieplnej na drodze konwekcji (czyli mieszania powietrza). Oznacza to, że różnych elementów wyposażenia orbitalnej stacji kosmicznej nie będzie można schłodzić od zewnątrz w taki sam sposób, jak ma to miejsce zwykle w samolocie – za pomocą dysz i grzejników powietrznych. Na tej wysokości, podobnie jak w kosmosie, jedynym sposobem przekazywania ciepła jest promieniowanie cieplne.

Historia powstawania atmosfery

Według najpowszechniejszej teorii, atmosfera ziemska miała na przestrzeni czasu trzy różne składy. Początkowo składał się z lekkich gazów (wodór i hel) wychwytywanych z przestrzeni międzyplanetarnej. Jest to tak zwana atmosfera pierwotna (około czterech miliardów lat temu). W kolejnym etapie aktywna aktywność wulkaniczna doprowadziła do nasycenia atmosfery gazami innymi niż wodór (dwutlenek węgla, amoniak, para wodna). W ten sposób powstała atmosfera wtórna (około trzech miliardów lat wcześniej). Ta atmosfera działała regenerująco. Ponadto proces tworzenia atmosfery został zdeterminowany przez następujące czynniki:

• wyciek gazów lekkich (wodór i hel) do przestrzeni międzyplanetarnej;
• reakcje chemiczne zachodzące w atmosferze pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych i niektórych innych czynników.

Stopniowo czynniki te doprowadziły do ​​powstania atmosfery trzeciorzędowej, charakteryzującej się znacznie mniejszą ilością wodoru, a znacznie większą ilością azotu i dwutlenku węgla (powstałego w wyniku reakcji chemicznych z amoniaku i węglowodorów).

Azot

Powstawanie dużej ilości azotu N2 wynika z utleniania atmosfery amoniakowo-wodorowej przez tlen cząsteczkowy O2, który zaczął wydobywać się z powierzchni planety w wyniku fotosyntezy rozpoczynającej się 3 miliardy lat temu. Azot N2 uwalniany jest również do atmosfery w wyniku denitryfikacji azotanów i innych związków zawierających azot. Azot jest utleniany przez ozon do NO w górnych warstwach atmosfery.

Azot N2 reaguje tylko w określonych warunkach (na przykład podczas wyładowania atmosferycznego). Utlenianie azotu cząsteczkowego przez ozon podczas wyładowań elektrycznych stosowane jest w małych ilościach w przemysłowej produkcji nawozów azotowych. Sinice (niebieskie algi) i bakterie guzkowe tworzące ryzobialną symbiozę z roślinami strączkowymi, tzw. mogą je utlenić przy niskim zużyciu energii i przekształcić w formę biologicznie aktywną. nawóz zielony.

Tlen

Skład atmosfery zaczął się radykalnie zmieniać wraz z pojawieniem się na Ziemi organizmów żywych, w wyniku fotosyntezy, której towarzyszyło uwolnienie tlenu i absorpcja dwutlenku węgla. Początkowo tlen zużywano na utlenianie zredukowanych związków - amoniaku, węglowodorów, żelazawej formy żelaza zawartej w oceanach itp. Pod koniec tego etapu zawartość tlenu w atmosferze zaczęła rosnąć. Stopniowo tworzyła się nowoczesna atmosfera o właściwościach utleniających. Ponieważ spowodowało to poważne i gwałtowne zmiany w wielu procesach zachodzących w atmosferze, litosferze i biosferze, wydarzenie to nazwano Katastrofą Tlenową.

W fanerozoiku zmienił się skład atmosfery i zawartość tlenu. Korelowały one przede wszystkim z szybkością osadzania się osadów organicznych. Zatem w okresach akumulacji węgla zawartość tlenu w atmosferze najwyraźniej znacznie przekraczała poziom współczesny.

Dwutlenek węgla

Zawartość CO2 w atmosferze zależy od aktywności wulkanicznej i procesów chemicznych zachodzących w skorupach ziemskich, ale przede wszystkim od intensywności biosyntezy i rozkładu materii organicznej w biosferze Ziemi. Prawie cała obecna biomasa planety (około 2,4 1012 ton) powstaje z dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej zawartych w powietrzu atmosferycznym. Substancje organiczne zakopane w oceanach, bagnach i lasach zamieniają się w węgiel, ropę i gaz ziemny.

Gazy szlachetne

Źródłem gazów szlachetnych – argonu, helu i kryptonu – są erupcje wulkanów i rozpad pierwiastków radioaktywnych. Ziemia w ogóle, a atmosfera w szczególności są zubożone w gazy obojętne w porównaniu z przestrzenią kosmiczną. Uważa się, że przyczyną tego jest ciągły wyciek gazów do przestrzeni międzyplanetarnej.

Zanieczyszczenie powietrza

Ostatnio ludzie zaczęli wpływać na ewolucję atmosfery. Efektem jego działań był stały wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze na skutek spalania paliw węglowodorowych nagromadzonych w poprzednich epokach geologicznych. Ogromne ilości CO2 są zużywane podczas fotosyntezy i pochłaniane przez oceany świata. Gaz ten przedostaje się do atmosfery w wyniku rozkładu skał węglanowych i substancji organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, a także w wyniku działalności wulkanicznej i działalności przemysłowej człowieka. W ciągu ostatnich 100 lat zawartość CO2 w atmosferze wzrosła o 10%, z czego większość (360 miliardów ton) pochodziła ze spalania paliw. Jeśli tempo wzrostu spalania paliw będzie się utrzymywać, to w ciągu najbliższych 200-300 lat ilość CO2 w atmosferze podwoi się, co może doprowadzić do globalnych zmian klimatycznych.

Głównym źródłem gazów zanieczyszczających środowisko (CO, NO, SO2) jest spalanie paliw. Dwutlenek siarki jest utleniany przez tlen atmosferyczny do SO3, a tlenek azotu do NO2 w górnych warstwach atmosfery, które z kolei oddziałują z parą wodną, ​​a powstałe kwasy siarkowy H2SO4 i kwas azotowy HNO3 opadają na powierzchnię Ziemi w formie tzw. kwaśny deszcz. Eksploatacja silników spalinowych prowadzi do znacznego zanieczyszczenia atmosfery tlenkami azotu, węglowodorami i związkami ołowiu (tetraetyloołowiu) Pb(CH3CH2)4.

Zanieczyszczenie atmosfery aerozolami jest spowodowane zarówno przyczynami naturalnymi (erupcje wulkanów, burze piaskowe, porywanie kropel wody morskiej i pyłków roślinnych itp.), jak i działalnością gospodarczą człowieka (wydobywanie rud i materiałów budowlanych, spalanie paliw, produkcja cementu itp.). ). Intensywne uwalnianie na dużą skalę cząstek stałych do atmosfery jest jedną z możliwych przyczyn zmian klimatycznych na planecie.

(Odwiedziono 548 razy, 1 wizyty dzisiaj)

Atmosfera(z greckiego atmosfery - para i spharia - kula) - skorupa powietrzna Ziemi, obracająca się wraz z nią. Rozwój atmosfery był ściśle powiązany z procesami geologicznymi i geochemicznymi zachodzącymi na naszej planecie, a także z działalnością organizmów żywych.

Dolna granica atmosfery pokrywa się z powierzchnią Ziemi, ponieważ powietrze wnika w najmniejsze pory w glebie i rozpuszcza się nawet w wodzie.

Górna granica na wysokości 2000-3000 km stopniowo przechodzi w przestrzeń kosmiczną.

Dzięki atmosferze zawierającej tlen możliwe jest życie na Ziemi. Tlen atmosferyczny jest wykorzystywany w procesie oddychania ludzi, zwierząt i roślin.

Gdyby nie było atmosfery, Ziemia byłaby tak cicha jak Księżyc. W końcu dźwięk to wibracje cząstek powietrza. Błękitny kolor nieba tłumaczy się tym, że promienie słoneczne przechodzące przez atmosferę jak przez soczewkę rozkładają się na kolory składowe. W tym przypadku promienie kolorów niebieskiego i niebieskiego są najbardziej rozproszone.

Atmosfera zatrzymuje większość promieniowania ultrafioletowego Słońca, które ma szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Zatrzymuje także ciepło w pobliżu powierzchni Ziemi, zapobiegając wychłodzeniu naszej planety.

Struktura atmosfery

W atmosferze można wyróżnić kilka warstw różniących się gęstością (ryc. 1).

Troposfera

Troposfera- najniższa warstwa atmosfery, której grubość nad biegunami wynosi 8-10 km, w umiarkowanych szerokościach geograficznych - 10-12 km, a nad równikiem - 16-18 km.

Ryż. 1. Budowa atmosfery ziemskiej

Powietrze w troposferze jest ogrzewane przez powierzchnię ziemi, czyli ląd i wodę. Dlatego też temperatura powietrza w tej warstwie spada wraz z wysokością średnio o 0,6°C na każde 100 m. Na górnej granicy troposfery osiąga -55°C. Jednocześnie w rejonie równika, przy górnej granicy troposfery, temperatura powietrza wynosi -70°C, a w rejonie bieguna północnego -65°C.

Około 80% masy atmosfery koncentruje się w troposferze, prawie cała para wodna jest zlokalizowana, występują burze, burze, chmury i opady atmosferyczne, zachodzi pionowy (konwekcja) i poziomy (wiatr) ruch powietrza.

Można powiedzieć, że pogoda kształtuje się głównie w troposferze.

Stratosfera

Stratosfera- warstwa atmosfery położona nad troposferą na wysokości od 8 do 50 km. Kolor nieba w tej warstwie wydaje się fioletowy, co tłumaczy się rozrzedzeniem powietrza, dzięki czemu promienie słoneczne prawie nie są rozproszone.

Stratosfera zawiera 20% masy atmosfery. Powietrze w tej warstwie jest rozrzedzone, praktycznie nie ma pary wodnej, dlatego prawie nie tworzą się chmury i opady. Jednak w stratosferze obserwuje się stabilne prądy powietrza, których prędkość sięga 300 km/h.

Warstwa ta jest skoncentrowana ozon(ekran ozonowy, ozonosfera), warstwa pochłaniająca promienie ultrafioletowe, zapobiegając ich przedostawaniu się do Ziemi i tym samym chroniąc organizmy żywe na naszej planecie. Dzięki ozonowi temperatura powietrza w górnej granicy stratosfery waha się od -50 do 4-55°C.

Pomiędzy mezosferą a stratosferą znajduje się strefa przejściowa - stratopauza.

Mezosfera

Mezosfera- warstwa atmosfery położona na wysokości 50-80 km. Gęstość powietrza jest tutaj 200 razy mniejsza niż na powierzchni Ziemi. Kolor nieba w mezosferze wydaje się czarny, a gwiazdy są widoczne w ciągu dnia. Temperatura powietrza spada do -75 (-90)°C.

Zaczyna się na wysokości 80 km termosfera. Temperatura powietrza w tej warstwie gwałtownie wzrasta do wysokości 250 m, a następnie utrzymuje się na stałym poziomie: na wysokości 150 km osiąga 220-240 ° C; na wysokości 500-600 km przekracza 1500°C.

W mezosferze i termosferze pod wpływem promieni kosmicznych cząsteczki gazu rozpadają się na naładowane (zjonizowane) cząstki atomów, dlatego ta część atmosfery nazywa się jonosfera- warstwa bardzo rozrzedzonego powietrza, położona na wysokości od 50 do 1000 km, składająca się głównie ze zjonizowanych atomów tlenu, cząsteczek tlenku azotu i wolnych elektronów. Warstwa ta charakteryzuje się dużą elektryzacją, a długie i średnie fale radiowe odbijają się od niej niczym od lustra.

W jonosferze pojawiają się zorze polarne - świecenie rozrzedzonych gazów pod wpływem naładowanych elektrycznie cząstek lecących ze Słońca - i obserwuje się ostre wahania pola magnetycznego.

Egzosfera

Egzosfera- zewnętrzna warstwa atmosfery położona powyżej 1000 km. Warstwa ta nazywana jest również sferą rozpraszającą, ponieważ cząstki gazu poruszają się tutaj z dużą prędkością i mogą zostać rozproszone w przestrzeń kosmiczną.

Skład atmosferyczny

Atmosfera jest mieszaniną gazów składającą się z azotu (78,08%), tlenu (20,95%), dwutlenku węgla (0,03%), argonu (0,93%), niewielkiej ilości helu, neonu, ksenonu, kryptonu (0,01%), ozon i inne gazy, ale ich zawartość jest znikoma (tab. 1). Współczesny skład ziemskiego powietrza został ustalony ponad sto milionów lat temu, ale gwałtownie zwiększona działalność produkcyjna człowieka doprowadziła jednak do jego zmiany. Obecnie obserwuje się wzrost zawartości CO 2 o około 10-12%.

Gazy tworzące atmosferę pełnią różne role funkcjonalne. Jednak o głównym znaczeniu tych gazów decyduje przede wszystkim fakt, że bardzo silnie pochłaniają one energię promieniowania i przez to mają istotny wpływ na reżim temperaturowy powierzchni Ziemi i atmosfery.

Tabela 1. Skład chemiczny suchego powietrza atmosferycznego w pobliżu powierzchni ziemi

	Stężenie objętościowe. %	Masa cząsteczkowa, jednostki
Tlen
Dwutlenek węgla
Podtlenek azotu
	od 0 do 0,00001
Dwutlenek siarki	od 0 do 0,000007 latem; od 0 do 0,000002 w zimie
	Od 0 do 0,000002	46,0055/17,03061
Dwutlenek azogu
Tlenek węgla

Azot, Najpopularniejszy gaz w atmosferze, jest chemicznie nieaktywny.

Tlen w przeciwieństwie do azotu jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie. Specyficzną funkcją tlenu jest utlenianie materii organicznej organizmów heterotroficznych, skał i niedotlenionych gazów emitowanych do atmosfery przez wulkany. Bez tlenu nie byłoby rozkładu martwej materii organicznej.

Rola dwutlenku węgla w atmosferze jest niezwykle duża. Do atmosfery przedostaje się w wyniku procesów spalania, oddychania organizmów żywych oraz rozkładu i jest przede wszystkim głównym materiałem budulcowym do tworzenia materii organicznej podczas fotosyntezy. Ponadto ogromne znaczenie ma zdolność dwutlenku węgla do przepuszczania krótkofalowego promieniowania słonecznego i pochłaniania części termicznego promieniowania długofalowego, co będzie powodować tzw. efekt cieplarniany, o czym będzie mowa poniżej.

Wpływ mają również na procesy atmosferyczne, zwłaszcza na reżim termiczny stratosfery ozon. Gaz ten pełni rolę naturalnego pochłaniacza promieniowania ultrafioletowego pochodzącego ze słońca, a absorpcja promieniowania słonecznego powoduje nagrzewanie się powietrza. Średnie miesięczne wartości całkowitej zawartości ozonu w atmosferze wahają się w zależności od szerokości geograficznej i pory roku w granicach 0,23-0,52 cm (jest to grubość warstwy ozonowej przy ciśnieniu gruntu i temperaturze). Występuje wzrost zawartości ozonu od równika do biegunów oraz cykl roczny z minimum jesienią i maksimum wiosną.

Charakterystyczną właściwością atmosfery jest to, że zawartość głównych gazów (azot, tlen, argon) zmienia się nieznacznie wraz z wysokością: na wysokości 65 km w atmosferze zawartość azotu wynosi 86%, tlenu - 19, argonu - 0,91 , na wysokości 95 km - azot 77, tlen - 21,3, argon - 0,82%. Stałość składu powietrza atmosferycznego w pionie i poziomie utrzymywana jest poprzez jego mieszanie.

Oprócz gazów powietrze zawiera para wodna I cząstki stałe. Te ostatnie mogą mieć pochodzenie naturalne i sztuczne (antropogeniczne). Są to pyłki, drobne kryształki soli, kurz drogowy i zanieczyszczenia w postaci aerozolu. Gdy promienie słoneczne przedostaną się przez okno, będzie je widać gołym okiem.

Cząstek stałych szczególnie dużo jest w powietrzu miast i dużych ośrodków przemysłowych, gdzie do aerozoli dodawane są szkodliwe gazy i ich zanieczyszczenia powstające podczas spalania paliw.

Stężenie aerozoli w atmosferze decyduje o przezroczystości powietrza, co wpływa na promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi. Największymi aerozolami są jądra kondensacji (od łac. kondensacja- zagęszczenie, zagęszczenie) - przyczyniają się do przemiany pary wodnej w kropelki wody.

O znaczeniu pary wodnej decyduje przede wszystkim fakt, że opóźnia ona długofalowe promieniowanie cieplne z powierzchni ziemi; reprezentuje główne ogniwo dużych i małych cykli wilgoci; zwiększa temperaturę powietrza podczas kondensacji złóż wodnych.

Ilość pary wodnej w atmosferze zmienia się w czasie i przestrzeni. Zatem stężenie pary wodnej na powierzchni Ziemi waha się od 3% w tropikach do 2-10 (15)% na Antarktydzie.

Średnia zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery w umiarkowanych szerokościach geograficznych wynosi około 1,6-1,7 cm (jest to grubość warstwy skondensowanej pary wodnej). Informacje dotyczące pary wodnej w różnych warstwach atmosfery są sprzeczne. Założono np., że w zakresie wysokości od 20 do 30 km wilgotność właściwa silnie wzrasta wraz z wysokością. Jednak kolejne pomiary wskazują na większą suchość stratosfery. Najwyraźniej wilgotność właściwa w stratosferze w niewielkim stopniu zależy od wysokości i wynosi 2-4 mg/kg.

Zmienność zawartości pary wodnej w troposferze wynika z wzajemnego oddziaływania procesów parowania, kondensacji i transportu poziomego. W wyniku kondensacji pary wodnej tworzą się chmury i opady atmosferyczne w postaci deszczu, gradu i śniegu.

Procesy przemian fazowych wody zachodzą głównie w troposferze, dlatego stosunkowo rzadko obserwuje się chmury w stratosferze (na wysokościach 20-30 km) i mezosferze (w pobliżu mezopauzy), zwane perłowymi i srebrzystymi, natomiast chmury troposferyczne pokrywają często około 50% całej powierzchni Ziemi.

Ilość pary wodnej, która może być zawarta w powietrzu, zależy od temperatury powietrza.

1 m 3 powietrza o temperaturze -20 ° C może zawierać nie więcej niż 1 g wody; w 0°C – nie więcej niż 5 g; w +10°C – nie więcej niż 9 g; w +30°C - nie więcej niż 30 g wody.

Wniosek: Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej może ono zawierać.

Może być powietrze bogaty I nie nasycony para wodna. Jeśli więc w temperaturze +30°C 1 m 3 powietrza zawiera 15 g pary wodnej, to powietrze nie jest nasycone parą wodną; jeśli 30 g - nasycone.

Absolutna wilgotność to ilość pary wodnej zawartej w 1 m3 powietrza. Wyraża się go w gramach. Na przykład, jeśli mówią „wilgotność bezwzględna wynosi 15”, oznacza to, że 1 ml zawiera 15 g pary wodnej.

Wilgotność względna- jest to stosunek (w procentach) rzeczywistej zawartości pary wodnej w 1 m 3 powietrza do ilości pary wodnej, jaką w danej temperaturze może zawrzeć 1 ml L. Na przykład, jeśli radio nadało raport pogodowy, w którym wilgotność względna wynosi 70%, oznacza to, że powietrze zawiera 70% pary wodnej, jaką jest w stanie utrzymać w tej temperaturze.

Im wyższa wilgotność względna, tj. Im bliżej stanu nasycenia jest powietrze, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia opadów.

W strefie równikowej obserwuje się zawsze wysoką (do 90%) względną wilgotność powietrza, ponieważ temperatura powietrza utrzymuje się tam przez cały rok i następuje duże parowanie z powierzchni oceanów. Wilgotność względna jest również wysoka w regionach polarnych, ale ponieważ przy niskich temperaturach nawet niewielka ilość pary wodnej powoduje, że powietrze jest nasycone lub prawie nasycone. W umiarkowanych szerokościach geograficznych wilgotność względna zmienia się w zależności od pory roku - jest wyższa zimą, niższa latem.

Wilgotność względna powietrza na pustyniach jest szczególnie niska: 1 m 1 powietrza zawiera tam od dwóch do trzech razy mniej pary wodnej niż jest to możliwe w danej temperaturze.

Do pomiaru wilgotności względnej stosuje się higrometr (od greckiego hygros – mokry i metreco – mierzę).

Po ochłodzeniu nasycone powietrze nie może zatrzymać takiej samej ilości pary wodnej, gęstnieje (skrapla się), zamieniając się w kropelki mgły. Mgłę można zaobserwować latem w pogodną, ​​chłodną noc.

Chmury- to ta sama mgła, tyle że powstaje nie na powierzchni ziemi, ale na pewnej wysokości. W miarę unoszenia się powietrze ochładza się, a zawarta w nim para wodna ulega skraplaniu. Powstałe maleńkie kropelki wody tworzą chmury.

Tworzenie się chmur obejmuje również cząstki stałe zawieszone w troposferze.

Chmury mogą mieć różne kształty, co zależy od warunków ich powstawania (tab. 14).

Najniższe i najcięższe chmury to stratus. Znajdują się na wysokości 2 km od powierzchni ziemi. Na wysokości od 2 do 8 km można zaobserwować bardziej malownicze chmury cumulusowe. Najwyższe i najlżejsze są chmury cirrus. Znajdują się na wysokości od 8 do 18 km nad powierzchnią ziemi.

Rodziny	Rodzaje chmur	Wygląd
A. Chmury górne - powyżej 6 km	I. Cirrus	Nitkowate, włókniste, białe
	II. Cirocumulus	Warstwy i grzbiety małych płatków i loków, białe
	III. Cirrostratus	Przezroczysty białawy welon
B. Chmury średnie – powyżej 2 km	IV. Altocumulus	Warstwy i grzbiety w kolorze białym i szarym
	V. Altostratyfikowany	Gładki welon w mlecznoszarym kolorze
B. Zachmurzenie niskie – do 2 km	VI. Nimbostratus	Solidna, bezkształtna szara warstwa
	VII. Stratocumulus	Nieprzezroczyste warstwy i grzbiety w kolorze szarym
	VIII. Warstwowe	Nieprzezroczysty szary welon
D. Chmury rozwoju pionowego - od niższego do wyższego szczebla	IX. Cumulus	Kluby i kopuły są jasnobiałe, a ich krawędzie są podarte na wietrze
	X. Cumulonimbus	Mocne masy w kształcie cumulusów w kolorze ciemnego ołowiu

Ochrona atmosfery

Głównymi źródłami są przedsiębiorstwa przemysłowe i samochody. W dużych miastach problem zanieczyszczeń gazowych na głównych szlakach komunikacyjnych jest bardzo dotkliwy. Dlatego wiele dużych miast na całym świecie, w tym także nasz kraj, wprowadziło kontrolę środowiskową toksyczności spalin samochodowych. Zdaniem ekspertów dym i pył w powietrzu mogą o połowę zmniejszyć dopływ energii słonecznej do powierzchni ziemi, co doprowadzi do zmiany warunków naturalnych.

Ważny element środowiska dla wszystkich biologicznych form życia na Ziemi. Powietrze to środowisko, z którym człowiek spotyka się od pierwszych minut życia.

W stosunku do człowieka powietrze spełnia wiele różnych funkcji: zawiera tlen niezbędny do jego życia; rozpuszcza w sobie wszystkie gazowe produkty metabolizmu i działalności człowieka, także w sferze produkcja; wpływa na procesy termoregulacji organizmu ze środowiskiem zewnętrznym.

Czysta, bezchmurna pogoda zapewnia człowiekowi dużą ilość i dobrą jakość promieniowania słonecznego, często determinując jego zachowanie w te dni. Energia słoneczna przyczyniła się do powstania życia na Ziemi, ale jednocześnie może być również destrukcyjna dla flory i fauny. Promieniowanie ultrafioletowe przy długotrwałym narażeniu zabija wszystkie żywe istoty. Słońce może wysuszyć rzeki, jeziora i inne zbiorniki wodne, zamieniając niegdyś żyzne ziemie w pustynię. Jednak ciągłe zachmurzenie, ulewne deszcze, śnieg i wiatr powstające w ziemskiej atmosferze również negatywnie wpływają na dziką przyrodę.

Zmiany składu i właściwości środowiska powietrza często wpływają niekorzystnie na zdrowie człowieka. Pamiętajmy o różnych substancjach chemicznych zanieczyszczających atmosferę i dużej liczbie mikroorganizmów, z których wiele, dostając się do organizmu ludzkiego, powoduje choroby zakaźne (grypa, błonica, szkarlatynę, odrę itp.) przenoszone z człowieka na człowieka poprzez powietrze.

Zmiany klimatyczne i przejrzystość atmosfery . Atmosfera ziemska jest ważnym czynnikiem kształtującym klimat (klimat, jak wiadomo, jest zwykle rozumiany jako długoterminowy reżim pogodowy właściwy danemu obszarowi zgodnie z jego warunkami geograficznymi).

Działalność gospodarcza człowieka oddziałuje na różne elementy klimatu, które z kolei w większym lub mniejszym stopniu wpływają na stan człowieka i środowiska.

Zalesienia polowo-ochronne przyczyniają się zatem do ograniczenia prędkości wiatru, ograniczenia parowania i zatrzymania śniegu, a to zwiększa wilgotność dolnych warstw atmosfery i gleba. Kiedy bagna są osuszane, wilgotność spada, a temperatura otoczenia wzrasta. Przeciwnie, zbiorniki zwiększają tę liczbę woda w glebie i parę wodną w troposferze, które akumulują ciepło i zmniejszają roczną i dobową amplitudę temperatur. Sztuczne nawadnianie ma ten sam efekt.

W ostatnich dziesięcioleciach poważny niepokój budzi problem ocieplenia klimatu, spowodowanego tzw. efektem cieplarnianym.
Efekt cieplarniany jest spowodowany wzrostem przezroczystości atmosfery dla większości energii słonecznej i wzrostem absorpcji części podczerwonej promieniowania cieplnego powierzchni Ziemi. Promieniowanie cieplne jest pochłaniane nie tylko przez dwutlenek węgla (dwutlenek węgla), ale także przez parę wodną, ​​metan, ozon, tlenki i chlorofluorowęglowodory. Dlatego wszystkie te gazy nazywane są gazami cieplarnianymi.

Sztuczne ogrzewanie planety wiąże się nie tylko z efektem cieplarnianym, ale także z energią zużywaną przez człowieka w różnych obszarach jego działalności. Ciepło uwalniane w wyniku działalności gospodarczej stanowi 0,02% energii, jaką Ziemia otrzymuje od Słońca. Jednak zdaniem naukowców spowodowało to już wzrost temperatury otoczenia średnio o 0,1°C. Jeśli zużycie energii będzie nadal rosło w takim tempie jak obecnie, za 60 lat temperatura w powierzchniowych warstwach atmosfery może znacząco wzrosnąć.

Kolejnym istotnym czynnikiem wpływającym na proces zmiany bilansu cieplnego atmosfery jest jej zanieczyszczenie drobnym pyłem, który zalega w górnych warstwach, tworząc obłoki pyłu. Chmury te powstają na wysokości 10-20 km i odbijają światło słoneczne, co prowadzi do spadku temperatury w dolnej troposferze. Obecnie nad Północnym Atlantykiem znajdują się potężne chmury drobnych cząstek emitowanych przez uprzemysłowione kraje Europy.

Za realne środki przeciwdziałania zmianom klimatycznym należy uznać przede wszystkim zwiększenie efektywności wykorzystania paliw, rozwój i wprowadzenie słonecznych i innych bezpaliwowych źródeł energii, powstrzymanie wylesiania, zwłaszcza tropikalnego, oraz organizowanie i wspieranie działań mających na celu powiększać zalesiania.

Zniszczenie ekranu ozonowego. Promieniowanie ultrafioletowe ma ogromne znaczenie dla życia na Ziemi. Gdyby promieniowanie ultrafioletowe pochodzące z energii słonecznej nie zostało osłabione przez atmosferę, byłoby ono destrukcyjne dla wszystkich żywych istot.

Skład chemiczny powietrza w miejscach oddalonych od ośrodków przemysłowych jest mniej więcej stały. Jest to mechaniczna mieszanina gazów: 78,09% azotu, 20,95% tlenu, 0,03% dwutlenku węgla. Pozostałe gazy stanowią bardzo małą ilość, nie więcej niż 1%, są to wodór, hel, argon, neon.

Ozon należy omówić osobno. Słowo „ozon” pochodzi od greckiego słowa „ozon” – „pachnący”. Jest to gaz błękitny, silny utleniacz, który w wysokich stężeniach rozkłada się wybuchowo. Służy do dezynfekcji wody i powietrza.

Warstwa ozonowa atmosfery chroni całe życie na Ziemi przed skutkami promieniowania ultrafioletowego ze Słońca.

Działalność gospodarcza człowieka doprowadziła do pojawienia się czynników niszczących warstwę ozonową Ziemi. Znaleziono w nim tlenki azotu, których źródłem są samoloty odrzutowe, rakiety kosmiczne i nawozy azotowe stosowane w rolnictwie.

Dużym zagrożeniem dla warstwy ozonowej (ekranu) jest uwalnianie do atmosfery substancji zawierających chlor. Należą do nich przede wszystkim chlorofluorowęglowodory, tzw. freony. Stosowane są w lodówkach, klimatyzatorach, pompach ciepła jako czynniki chłodnicze; w produkcji porowatych tworzyw sztucznych; do czyszczenia chipów komputerowych; jako nośniki w puszkach aerozolowych i roztworach sterylizujących w medycynie.

Dlaczego freony są niebezpieczne dla środowiska? Faktem jest, że część z nich niszczy warstwę ozonową Ziemi i prowadzi do powstawania w atmosferze tzw. dziur ozonowych. Jeśli ich liczba i rozmiar wzrosną, nieuchronnie doprowadzi to do śmierci wielu żywych organizmów.

Słowa „dziura ozonowa” brzmią dziś jak planetarny sygnał alarmowy. Hipoteza o związku chlorofluorowęglowodorów z procesem niszczenia osłony ozonowej pojawiła się w 1970 roku. W USA i niektórych innych krajach zakazano ich produkcji i stosowania, natomiast w innych krajach nadal rosła produkcja wyrobów zawierających freony. Jesienią 1985 roku obserwacje satelitarne odkryły „dziurę ozonową” nad biegunem południowym, której powierzchnia była w przybliżeniu równa terytorium Stanów Zjednoczonych.

W 1989 roku naukowcy odkryli „dziurę ozonową” nad Arktyką. W tym zakresie przyjęto Międzynarodową Konwencję o Ochronie Warstwy Ozonowej Ziemi.

Kwaśne opady. Wszelkie opady atmosferyczne (deszcz, mgła, śnieg), których kwasowość jest wyższa niż normalnie, nazywane są kwaśnymi. Obecnie uważa się, że 2/3 kwaśnych opadów jest spowodowana emisją dwutlenku siarki, a 1/3 emisją tlenków azotu. Dwutlenek siarki pochodzi głównie (około 88%) z elektrowni cieplnych i zakładów energetyki przemysłowej, pozostałe 12% powstaje podczas produkcji kwasu siarkowego i przeróbki rud siarczkowych. Tlenki azotu dostają się do atmosfery z elektrowni cieplnych i przemysłowych obiektów energetycznych (51%) oraz ze spalin samochodowych (44%); inne źródła stanowią jedynie około 5%.

Kiedy te gazy dostaną się do atmosfery, wchodzą w interakcję z wilgocią, tworząc kwasy. Szczególnie niebezpieczne są emisje dioksy-I i siarki, która rozpuszcza się w kroplach wilgoci atmosferycznej, tworząc roztwór kwasu siarkowego.

Zasięg transportu dwutlenku siarki wynosi zwykle 300-400 km. Ale występuje także w opadach atmosferycznych, które spadają nawet w odległości 1000-1500 km od źródeł emisji.

Kwaśne opady stały się poważnym zagrożeniem dla istnienia lasów. W Niemczech co najmniej 20% lasów jest zagrożonych zniszczeniem. W Rosji obszar znacznego zakwaszenia na skutek opadów deszczu i śniegu osiągnął 46 milionów hektarów. Kwaśne opady zwiększają kwasowość gleby i niekorzystnie wpływają na stan jezior, rzek i innych zbiorników wodnych. Powodują obumieranie lasów, przede wszystkim świerkowo-jodłowych i dębowych oraz niszczenie żyznej warstwy gleby.

Zakwaszenie płytkich wód oceanicznych staje się bardzo niebezpieczne, co prowadzi do braku możliwości reprodukcji wielu morskich bezkręgowców. Grozi to przerwaniem łańcuchów pokarmowych i zakłóceniem równowagi ekologicznej w Oceanie Światowym.

Naukowcy obliczyli, że zmniejszenie kwaśnych opadów o 50% zapobiegnie dalszemu zakwaszaniu środowiska. Ponieważ większość kwaśnych gazów emitowana jest do atmosfery przez elektrownie, należy skupić się na oszczędzaniu energii, przejściu z węgla na inne paliwa zawierające mniej siarki oraz opracowaniu i wdrożeniu skutecznych systemów oczyszczania emisji gazów.

Emisje szkodliwych substancji. Powszechny rozwój przemysłu chemicznego, wzrost wolumenu transportu lotniczego i drogowego, emisja nieoczyszczonych gazów do atmosfery z elektrowni cieplnych, przedsiębiorstw metalurgicznych, nieostrożne obchodzenie się z pożarami lasów, prowadzące do pożarów lasów, powodują nieodwracalne szkody w środowisko ludzkie.

Emisje gazów i oparów powstają najczęściej w procesie spalania.

Głównymi składnikami dzisiejszych emisji są cząstki stałe, dwutlenek siarki, tlenek węgla, tlenek azotu i węglowodory. Odpowiadają za około 98% wszystkich emisji do atmosfery. Poniżej przedstawiono procentowy udział substancji zanieczyszczających dostających się do atmosfery ze źródeł stacjonarnych.

W ostatnich latach w dużych miastach Rosji transport drogowy, przedsiębiorstwa chemiczne, rafineryjne i metalurgiczne stały się poważnymi źródłami zanieczyszczenia powietrza. Aby poprawić sytuację ekologiczną w takich miastach, wskazane jest przeniesienie niektórych niebezpiecznych gałęzi przemysłu poza ich granice, zainstalowanie w przedsiębiorstwach urządzeń do oczyszczania emisji i wyposażenie samochodów w skuteczne neutralizatory gazów spalinowych. Bardzo ważne jest poszerzanie edukacji ekologicznej i uświadamianie społeczeństwa, ponieważ przykładów analfabetyzmu ekologicznego jest wiele. Dajmy tylko jedno.

Wokół obwodnicy Moskwy mieszczanie założyli ogrody, w których uprawiają różne warzywa, owoce i jagody. Wiadomo, że w ciągu godziny w dowolnym miejscu tą drogą przejeżdża ponad 2 tysiące pojazdów. Spaliny samochodowe zalegają w odległości 800-900 m po jednej i drugiej stronie drogi. Badania pokazują, że gleba i roślinność w tej odległości zawierają szkodliwe substancje. zdrowie substancji ludzkich przekracza wszelkie standardy higieny. Czy można jeść taką roślinność? Oczywiście nie. Jednak działalność ogrodnicza w tych miejscach nie maleje, a wręcz przeciwnie, wzrasta. Ludzie nieświadomie skracają sobie życie i niszczą swoje zdrowie.

Najbardziej narażony na działanie szkodliwych składników powietrza atmosferycznego jest układ oddechowy. Znaczące szkody wyrządzane są także układowi sercowo-naczyniowemu i odpornościowemu organizmu.

Wszelka działalność człowieka związana z możliwym zanieczyszczeniem powietrza musi być zgodna z normami higienicznymi zapewniającymi bezpieczną pracę i podlegać ścisłym regulacjom. Wszelkie emisje do atmosfery muszą być przeprowadzane wyłącznie poprzez systemy oczyszczania. W tym celu należy zapewnić stałą kontrolę higieniczną, tzw. monitoring atmosfery.

Podstawy bezpieczeństwa życia. 8 klasa : podręcznik do edukacji ogólnej. instytucje / S. N. Vangorodsky, M. I. Kuznetsov, V. N. Latchuk, V. V. Markov. - wydanie 5, poprawione. - M.: Drop, 2005. - 254, s. 254. : chory.

Zbiór notatek z lekcji dotyczących pobierania OBZD, planowania kalendarza i tematyki, podręczników do wszystkich przedmiotów online

Treść lekcji notatki z lekcji ramka wspomagająca prezentację lekcji metody przyspieszania technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia autotest warsztaty, szkolenia, case'y, zadania prace domowe dyskusja pytania retoryczne pytania uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazy, grafiki, tabele, diagramy, humor, anegdoty, dowcipy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły sztuczki dla ciekawskich szopki podręczniki podstawowy i dodatkowy słownik terminów inne Udoskonalanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu podręcznika, elementy innowacji na lekcji, wymiana przestarzałej wiedzy na nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza na rok, zalecenia metodyczne, programy dyskusji Zintegrowane Lekcje

ATMOSFERA
otoczka gazowa otaczająca ciało niebieskie. Jego charakterystyka zależy od wielkości, masy, temperatury, prędkości obrotowej i składu chemicznego danego ciała niebieskiego, a także jest zdeterminowana historią jego powstania od momentu jego powstania. Atmosfera ziemska składa się z mieszaniny gazów zwanej powietrzem. Jego głównymi składnikami są azot i tlen w stosunku około 4:1. Na osobę wpływa głównie stan dolnych 15-25 km atmosfery, ponieważ w tej dolnej warstwie koncentruje się większość powietrza. Nauka badająca atmosferę nazywa się meteorologią, chociaż przedmiotem tej nauki jest także pogoda i jej wpływ na człowieka. Zmienia się także stan górnych warstw atmosfery, znajdujących się na wysokościach od 60 do 300, a nawet 1000 km od powierzchni Ziemi. Rozwijają się tu silne wiatry, burze i zachodzą niesamowite zjawiska elektryczne, takie jak zorze polarne. Wiele z wymienionych zjawisk jest związanych z przepływem promieniowania słonecznego, promieniowania kosmicznego i ziemskim polem magnetycznym. Wysokie warstwy atmosfery są także laboratorium chemicznym, ponieważ tam w warunkach bliskich próżni niektóre gazy atmosferyczne pod wpływem silnego przepływu energii słonecznej wchodzą w reakcje chemiczne. Nauka badająca te powiązane ze sobą zjawiska i procesy nazywa się fizyką wysokich warstw atmosfery.
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Wymiary. Dopóki sondujące rakiety i sztuczne satelity nie zbadały zewnętrznych warstw atmosfery na odległości kilkukrotnie większe niż promień Ziemi, wierzono, że w miarę oddalania się od powierzchni Ziemi atmosfera stopniowo staje się rozrzedzona i płynnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną . Obecnie ustalono, że energia płynąca z głębokich warstw Słońca przenika w przestrzeń kosmiczną daleko poza orbitę Ziemi, aż do zewnętrznych granic Układu Słonecznego. To tzw Wiatr słoneczny opływa pole magnetyczne Ziemi, tworząc wydłużoną „wnękę”, w której koncentruje się ziemska atmosfera. Pole magnetyczne Ziemi jest zauważalnie zwężone po dziennej stronie zwróconej w stronę Słońca i tworzy długi język, prawdopodobnie wystający poza orbitę Księżyca, po przeciwnej, nocnej stronie. Granicę pola magnetycznego Ziemi nazywa się magnetopauzą. Po stronie dziennej granica ta przebiega w odległości około siedmiu promieni Ziemi od powierzchni, jednak w okresach wzmożonej aktywności Słońca okazuje się być jeszcze bliżej powierzchni Ziemi. Magnetopauza jest także granicą atmosfery ziemskiej, której zewnętrzna powłoka nazywana jest również magnetosferą, ponieważ skupiają się w niej naładowane cząstki (jony), których ruch zależy od pola magnetycznego Ziemi. Całkowita masa gazów atmosferycznych wynosi około 4,5 * 1015 ton, zatem „ciężar” atmosfery na jednostkę powierzchni, czyli ciśnienie atmosferyczne, wynosi około 11 ton/m2 na poziomie morza.
Sens życia. Z powyższego wynika, że ​​Ziemia jest oddzielona od przestrzeni międzyplanetarnej potężną warstwą ochronną. Przestrzeń kosmiczna przenika silne promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie Słońca, a także jeszcze silniejsze promieniowanie kosmiczne, a tego typu promieniowanie jest destrukcyjne dla wszystkich żywych istot. Na zewnętrznej krawędzi atmosfery intensywność promieniowania jest śmiertelna, ale duża jej część jest zatrzymywana w atmosferze z dala od powierzchni Ziemi. Absorpcja tego promieniowania wyjaśnia wiele właściwości wysokich warstw atmosfery, a zwłaszcza zachodzące tam zjawiska elektryczne. Najniższa, przyziemna warstwa atmosfery jest szczególnie ważna dla człowieka, który żyje w miejscu styku skorupy stałej, ciekłej i gazowej Ziemi. Górna powłoka „stałej” Ziemi nazywana jest litosferą. Około 72% powierzchni Ziemi zajmują wody oceaniczne, które stanowią większość hydrosfery. Atmosfera graniczy zarówno z litosferą, jak i hydrosferą. Człowiek żyje na dnie oceanu powietrza, blisko lub powyżej poziomu oceanu wody. Wzajemne oddziaływanie tych oceanów jest jednym z ważnych czynników determinujących stan atmosfery.
Mieszanina. Dolne warstwy atmosfery składają się z mieszaniny gazów (patrz tabela). Oprócz wymienionych w tabeli, w powietrzu obecne są także inne gazy w postaci drobnych zanieczyszczeń: ozon, metan, substancje takie jak tlenek węgla (CO), tlenki azotu i siarki, amoniak.

SKŁAD ATMOSFERY

W wysokich warstwach atmosfery skład powietrza zmienia się pod wpływem twardego promieniowania słonecznego, co prowadzi do rozpadu cząsteczek tlenu na atomy. Tlen atomowy jest głównym składnikiem górnych warstw atmosfery. Wreszcie w warstwach atmosfery najbardziej oddalonych od powierzchni Ziemi głównymi składnikami są najlżejsze gazy – wodór i hel. Ponieważ większość substancji koncentruje się w dolnych 30 km, zmiany składu powietrza na wysokościach powyżej 100 km nie mają zauważalnego wpływu na ogólny skład atmosfery.
Wymiana energii. Głównym źródłem energii dostarczanej do Ziemi jest słońce. W odległości ok. Ziemia znajduje się 150 milionów km od Słońca i otrzymuje w przybliżeniu jedną dwumiliardową emitowanej przez siebie energii, głównie w widzialnej części widma, którą ludzie nazywają „światłem”. Większość tej energii jest pochłaniana przez atmosferę i litosferę. Ziemia emituje również energię, głównie w postaci długofalowego promieniowania podczerwonego. W ten sposób ustala się równowaga pomiędzy energią otrzymywaną ze Słońca, ogrzewaniem Ziemi i atmosfery oraz odwrotnym przepływem energii cieplnej emitowanej w przestrzeń kosmiczną. Mechanizm tej równowagi jest niezwykle złożony. Cząsteczki pyłu i gazu rozpraszają światło, częściowo odbijając je w przestrzeń kosmiczną. Jeszcze większa część przychodzącego promieniowania jest odbijana przez chmury. Część energii jest pochłaniana bezpośrednio przez cząsteczki gazu, ale głównie przez skały, roślinność i wody powierzchniowe. Para wodna i dwutlenek węgla obecne w atmosferze przepuszczają promieniowanie widzialne, ale pochłaniają promieniowanie podczerwone. Energia cieplna gromadzi się głównie w dolnych warstwach atmosfery. Podobny efekt występuje w szklarni, gdy szkło przepuszcza światło, a gleba się nagrzewa. Ponieważ szkło jest stosunkowo nieprzezroczyste dla promieniowania podczerwonego, w szklarni gromadzi się ciepło. Ogrzewanie niższych warstw atmosfery w wyniku obecności pary wodnej i dwutlenku węgla często nazywane jest efektem cieplarnianym. Zachmurzenie odgrywa znaczącą rolę w utrzymaniu ciepła w dolnych warstwach atmosfery. Jeśli chmury się przejadą lub powietrze stanie się bardziej przejrzyste, temperatura nieuchronnie spadnie, ponieważ powierzchnia Ziemi swobodnie wypromieniuje energię cieplną do otaczającej przestrzeni. Woda na powierzchni Ziemi pochłania energię słoneczną i paruje, zamieniając się w gaz – parę wodną, ​​która przenosi ogromną ilość energii do dolnych warstw atmosfery. Kiedy para wodna skrapla się i tworzą chmury lub mgła, energia ta jest uwalniana w postaci ciepła. Około połowa energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi jest zużywana na odparowanie wody i przedostaje się do niższych warstw atmosfery. Zatem z powodu efektu cieplarnianego i parowania wody atmosfera nagrzewa się od dołu. To częściowo wyjaśnia wysoką aktywność jego cyrkulacji w porównaniu z cyrkulacją Oceanu Światowego, który jest ogrzewany tylko od góry i dlatego jest znacznie stabilniejszy niż atmosfera.
Zobacz także METEOROLOGIA I KLIMATOLOGIA. Oprócz ogólnego ogrzewania atmosfery przez światło słoneczne, znaczne nagrzewanie niektórych jej warstw następuje na skutek promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego Słońca. Struktura. W porównaniu do cieczy i ciał stałych, w substancjach gazowych siła przyciągania między cząsteczkami jest minimalna. Wraz ze wzrostem odległości między cząsteczkami gazy mogą rozszerzać się w nieskończoność, jeśli nic im nie stoi na przeszkodzie. Dolną granicę atmosfery stanowi powierzchnia Ziemi. Ściśle rzecz biorąc, bariera ta jest nieprzenikniona, ponieważ wymiana gazowa zachodzi między powietrzem a wodą, a nawet między powietrzem a skałami, ale w tym przypadku czynniki te można pominąć. Ponieważ atmosfera jest kulistą powłoką, nie ma ona żadnych granic bocznych, a jedynie granicę dolną i granicę górną (zewnętrzną), otwartą od strony przestrzeni międzyplanetarnej. Niektóre gazy obojętne przedostają się przez zewnętrzną granicę, a także materia przedostaje się z otaczającej przestrzeni kosmicznej. Większość naładowanych cząstek, z wyjątkiem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, jest albo wychwytywana przez magnetosferę, albo przez nią odpychana. Na atmosferę wpływa także siła grawitacji, która utrzymuje powłokę powietrzną na powierzchni Ziemi. Gazy atmosferyczne są sprężane pod własnym ciężarem. Ta kompresja jest maksymalna na dolnej granicy atmosfery, dlatego też gęstość powietrza jest tutaj największa. Na dowolnej wysokości nad powierzchnią ziemi stopień kompresji powietrza zależy od masy nadchodzącego słupa powietrza, dlatego wraz z wysokością gęstość powietrza maleje. Ciśnienie, równe masie nadchodzącego słupa powietrza na jednostkę powierzchni, jest bezpośrednio zależne od gęstości i dlatego również maleje wraz z wysokością. Gdyby atmosfera była „gazem idealnym” o stałym składzie niezależnym od wysokości, stałej temperaturze i działającej na nią stałej sile grawitacji, wówczas ciśnienie spadałoby 10 razy na każde 20 km wysokości. Rzeczywista atmosfera różni się nieco od gazu doskonałego do wysokości około 100 km, a następnie wraz ze zmianą składu powietrza ciśnienie spada wolniej wraz z wysokością. Niewielkie zmiany w stosunku do opisywanego modelu wprowadza także spadek siły ciężkości wraz ze wzrostem odległości od środka Ziemi, która wynosi ok. 3% na każde 100 km wysokości. W przeciwieństwie do ciśnienia atmosferycznego, temperatura nie spada w sposób ciągły wraz z wysokością. Jak pokazano na ryc. 1, obniża się do wysokości około 10 km, a następnie zaczyna ponownie rosnąć. Dzieje się tak, gdy ultrafioletowe promieniowanie słoneczne jest pochłaniane przez tlen. W ten sposób wytwarza się gazowy ozon, którego cząsteczki składają się z trzech atomów tlenu (O3). Pochłania także promieniowanie ultrafioletowe, przez co ta warstwa atmosfery, zwana ozonosferą, nagrzewa się. Wyżej temperatura ponownie spada, ponieważ jest tam znacznie mniej cząsteczek gazu, a pochłanianie energii jest odpowiednio zmniejszone. W jeszcze wyższych warstwach temperatura ponownie wzrasta w wyniku absorpcji przez atmosferę promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego o najkrótszej długości fali ze Słońca. Pod wpływem tego potężnego promieniowania następuje jonizacja atmosfery, tj. cząsteczka gazu traci elektron i zyskuje dodatni ładunek elektryczny. Takie cząsteczki stają się dodatnio naładowanymi jonami. Ze względu na obecność wolnych elektronów i jonów ta warstwa atmosfery nabiera właściwości przewodnika elektrycznego. Uważa się, że temperatura nadal rośnie do poziomu, w którym rzadka atmosfera przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. W odległości kilku tysięcy kilometrów od powierzchni Ziemi prawdopodobnie panują temperatury od 5 000° do 10 000° C. Mimo że cząsteczki i atomy poruszają się z bardzo dużymi prędkościami, a co za tym idzie i wysokimi temperaturami, ten rozrzedzony gaz nie jest „gorący”. w zwykłym znaczeniu. Ze względu na niewielką liczbę cząsteczek na dużych wysokościach ich całkowita energia cieplna jest bardzo mała. Zatem atmosfera składa się z oddzielnych warstw (tj. szeregu koncentrycznych powłok lub kul), których separacja zależy od tego, która właściwość jest najbardziej interesująca. Na podstawie rozkładu średniej temperatury meteorolodzy opracowali diagram struktury idealnej „przeciętnej atmosfery” (patrz ryc. 1).

Troposfera to dolna warstwa atmosfery, rozciągająca się do pierwszego minimum termicznego (tzw. tropopauzy). Górna granica troposfery zależy od szerokości geograficznej (w tropikach - 18-20 km, w umiarkowanych szerokościach geograficznych - około 10 km) i pory roku. Amerykańska Narodowa Służba Pogodowa przeprowadziła sondowania w pobliżu bieguna południowego i ujawniła sezonowe zmiany wysokości tropopauzy. W marcu tropopauza występuje na wysokości ok. 7,5 km. Od marca do sierpnia lub września następuje stałe ochładzanie troposfery, a jej granica wznosi się na krótki okres do wysokości około 11,5 km w sierpniu lub wrześniu. Następnie od września do grudnia gwałtownie maleje i osiąga najniższe położenie - 7,5 km, gdzie utrzymuje się do marca, oscylując w granicach zaledwie 0,5 km. To w troposferze kształtuje się głównie pogoda, która determinuje warunki życia człowieka. Większość atmosferycznej pary wodnej koncentruje się w troposferze i to tam powstają głównie chmury, choć niektóre, składające się z kryształków lodu, występują w wyższych warstwach. Troposferę charakteryzują turbulencje oraz silne prądy powietrza (wiatry) i burze. W górnej troposferze występują silne prądy powietrza w ściśle określonym kierunku. Turbulentne wiry, podobne do małych wirów, powstają pod wpływem tarcia i dynamicznego oddziaływania pomiędzy wolno i szybko poruszającymi się masami powietrza. Ponieważ na tak wysokich poziomach zazwyczaj nie ma zachmurzenia, turbulencje te nazywane są „turbulencjami czystego powietrza”.
Stratosfera. Górna warstwa atmosfery jest często błędnie opisywana jako warstwa o stosunkowo stałych temperaturach, gdzie wiatry wieją mniej więcej równomiernie i gdzie elementy meteorologiczne niewiele się zmieniają. Górne warstwy stratosfery nagrzewają się, gdy tlen i ozon pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe słońca. Górna granica stratosfery (stratopauza) to miejsce, w którym temperatura nieznacznie wzrasta, osiągając pośrednie maksimum, które często jest porównywalne z temperaturą powierzchniowej warstwy powietrza. Na podstawie obserwacji wykonanych przy użyciu samolotów i balonów zaprojektowanych do lotu na stałych wysokościach ustalono, że w stratosferze występują turbulentne zakłócenia i silne wiatry wiejące w różnych kierunkach. Podobnie jak w troposferze, występują tam potężne wiry powietrzne, które są szczególnie niebezpieczne dla szybkich samolotów. Silne wiatry, zwane prądami strumieniowymi, wieją w wąskich strefach wzdłuż biegunowych granic umiarkowanych szerokości geograficznych. Jednakże strefy te mogą się przesuwać, znikać i pojawiać się ponownie. Strumienie strumieniowe zazwyczaj przenikają przez tropopauzę i pojawiają się w górnej troposferze, ale ich prędkość gwałtownie maleje wraz ze spadkiem wysokości. Możliwe, że część energii docierającej do stratosfery (wydawanej głównie na tworzenie się ozonu) wpływa na procesy zachodzące w troposferze. Szczególnie aktywne mieszanie jest związane z frontami atmosferycznymi, gdzie zarejestrowano rozległe przepływy powietrza stratosferycznego znacznie poniżej tropopauzy, a powietrze troposferyczne było wciągane do niższych warstw stratosfery. Znaczący postęp nastąpił w badaniach struktury pionowej dolnych warstw atmosfery dzięki udoskonaleniu technologii wystrzeliwania radiosond na wysokość 25-30 km. Mezosfera, położona nad stratosferą, jest powłoką, w której do wysokości 80-85 km temperatura spada do wartości minimalnych dla atmosfery jako całości. Rekordowo niskie temperatury do -110° C zarejestrowały rakiety pogodowe wystrzelone z amerykańsko-kanadyjskiej instalacji w Fort Churchill (Kanada). Górna granica mezosfery (mesopauzy) w przybliżeniu pokrywa się z dolną granicą obszaru aktywnej absorpcji promieniowania rentgenowskiego i krótkofalowego promieniowania ultrafioletowego ze Słońca, któremu towarzyszy ogrzewanie i jonizacja gazu. W regionach polarnych systemy chmur często pojawiają się w okresie mezopauzy latem, zajmując duży obszar, ale charakteryzując się niewielkim rozwojem pionowym. Takie świecące nocą chmury często ujawniają przypominające fale ruchy powietrza na dużą skalę w mezosferze. Skład tych chmur, źródła wilgoci i jądra kondensacji, dynamika i związki z czynnikami meteorologicznymi nie zostały jeszcze dostatecznie poznane. Termosfera to warstwa atmosfery, w której temperatura stale rośnie. Jego moc może osiągnąć 600 km. Ciśnienie, a co za tym idzie, gęstość gazu stale maleje wraz z wysokością. W pobliżu powierzchni ziemi 1 m3 powietrza zawiera ok. 2,5 x 1025 cząsteczek, na wysokości ok. 100 km, w niższych warstwach termosfery – około 1019, na wysokości 200 km, w jonosferze – 5*10 15 i według obliczeń na wysokości ok. 850 km - około 1012 cząsteczek. W przestrzeni międzyplanetarnej stężenie cząsteczek wynosi 10 8-10 9 na 1 m3. Na wysokości ok. 100 km liczba cząsteczek jest niewielka i rzadko zderzają się ze sobą. Średnią odległość, jaką pokonuje chaotycznie poruszająca się cząsteczka, zanim zderzy się z inną podobną cząsteczką, nazywa się jej średnią drogą swobodną. Warstwa, w której wartość ta wzrasta tak bardzo, że można pominąć prawdopodobieństwo zderzeń międzycząsteczkowych lub międzyatomowych, znajduje się na granicy termosfery i pokrywającej ją powłoki (egzosfery) i nazywa się termopauzą. Termopauza znajduje się około 650 km od powierzchni Ziemi. W określonej temperaturze prędkość cząsteczki zależy od jej masy: lżejsze cząsteczki poruszają się szybciej niż cięższe. W niższych warstwach atmosfery, gdzie droga swobodna jest bardzo krótka, nie ma zauważalnego rozdzielenia gazów według ich masy cząsteczkowej, ale wyraża się to powyżej 100 km. Ponadto pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego pochodzącego ze Słońca cząsteczki tlenu rozpadają się na atomy, których masa stanowi połowę masy cząsteczki. Dlatego w miarę oddalania się od powierzchni Ziemi tlen atomowy staje się coraz ważniejszy w składzie atmosfery i na wysokości ok. 200 km staje się jego głównym elementem. Wyżej, w odległości około 1200 km od powierzchni Ziemi, dominują gazy lekkie – hel i wodór. Składa się z nich zewnętrzna powłoka atmosfery. To rozdzielanie wagowe, zwane stratyfikacjami rozproszonymi, jest podobne do rozdzielania mieszanin za pomocą wirówki. Egzosfera to zewnętrzna warstwa atmosfery, utworzona w wyniku zmian temperatury i właściwości gazu obojętnego. Cząsteczki i atomy w egzosferze krążą wokół Ziemi po orbitach balistycznych pod wpływem grawitacji. Niektóre z tych orbit są paraboliczne i przypominają trajektorie pocisków. Cząsteczki mogą obracać się wokół Ziemi i po orbitach eliptycznych, podobnie jak satelity. Niektóre cząsteczki, głównie wodór i hel, mają otwarte trajektorie i wylatują w przestrzeń kosmiczną (ryc. 2).

POŁĄCZENIA SŁONECZNO-ZIEMIOWE I ICH WPŁYW NA ATMOSFERĘ
Pływy atmosferyczne. Przyciąganie Słońca i Księżyca powoduje pływy w atmosferze, podobne do pływów ziemskich i morskich. Ale pływy atmosferyczne mają znaczącą różnicę: atmosfera najsilniej reaguje na przyciąganie Słońca, podczas gdy skorupa ziemska i ocean najsilniej reagują na przyciąganie Księżyca. Wyjaśnia to fakt, że atmosfera jest podgrzewana przez Słońce i oprócz grawitacyjnej następuje potężny przypływ termiczny. Ogólnie rzecz biorąc, mechanizmy powstawania pływów atmosferycznych i morskich są podobne, z tym wyjątkiem, że aby przewidzieć reakcję powietrza na wpływy grawitacyjne i termiczne, należy wziąć pod uwagę jego ściśliwość i rozkład temperatury. Nie jest do końca jasne, dlaczego półdobowe (12-godzinne) przypływy słoneczne w atmosferze przeważają nad codziennymi przypływami słonecznymi i półdobowymi przypływami księżycowymi, chociaż siły napędowe tych dwóch ostatnich procesów są znacznie silniejsze. Wcześniej sądzono, że w atmosferze powstaje rezonans, który wzmaga oscylacje w okresie 12 godzin. Jednakże obserwacje wykonane przy użyciu rakiet geofizycznych wskazują na brak temperaturowych przyczyn takiego rezonansu. Rozwiązując ten problem, prawdopodobnie konieczne będzie uwzględnienie wszystkich cech hydrodynamicznych i termicznych atmosfery. Na powierzchni ziemi w pobliżu równika, gdzie wpływ wahań pływowych jest maksymalny, zapewnia zmianę ciśnienia atmosferycznego o 0,1%. Prędkość wiatru pływowego wynosi ok. 0,3 km/godz. Ze względu na złożoną strukturę termiczną atmosfery (zwłaszcza występowanie minimalnej temperatury w okresie mezopauzy) pływowe prądy powietrza ulegają nasileniu i np. na wysokości 70 km ich prędkość jest około 160 razy większa niż prędkość powierzchni Ziemi, co ma istotne konsekwencje geofizyczne. Uważa się, że w dolnej części jonosfery (warstwa E) wahania pływowe przemieszczają zjonizowany gaz pionowo w polu magnetycznym Ziemi, w związku z czym powstają tu prądy elektryczne. Te stale pojawiające się układy prądów na powierzchni Ziemi powstają w wyniku zaburzeń pola magnetycznego. Dzienne zmiany pola magnetycznego dość dobrze zgadzają się z obliczonymi wartościami, co dostarcza przekonujących dowodów na korzyść teorii mechanizmów pływowych „dynama atmosferycznego”. Prądy elektryczne generowane w dolnej części jonosfery (warstwa E) muszą gdzieś podróżować, dlatego obwód musi zostać zamknięty. Analogia z dynamem staje się pełna, jeśli nadchodzący ruch potraktujemy jako pracę silnika. Zakłada się, że w wyższej warstwie jonosfery (F) występuje odwrotny obieg prądu elektrycznego i ten przeciwprąd może wyjaśniać niektóre szczególne cechy tej warstwy. Wreszcie efekt pływowy powinien również generować przepływy poziome w warstwie E, a zatem w warstwie F.
Jonosfera. Próbując wyjaśnić mechanizm występowania zorzy, naukowcy XIX wieku. zasugerował, że w atmosferze istnieje strefa zawierająca cząstki naładowane elektrycznie. W XX wieku eksperymentalnie uzyskano przekonujące dowody na istnienie na wysokościach od 85 do 400 km warstwy odbijającej fale radiowe. Obecnie wiadomo, że jego właściwości elektryczne są wynikiem jonizacji gazu atmosferycznego. Dlatego warstwę tę nazywa się zwykle jonosferą. Oddziaływanie na fale radiowe następuje głównie na skutek obecności wolnych elektronów w jonosferze, chociaż mechanizm propagacji fal radiowych jest związany z obecnością dużych jonów. Te ostatnie są również interesujące przy badaniu właściwości chemicznych atmosfery, ponieważ są bardziej aktywne niż obojętne atomy i cząsteczki. Reakcje chemiczne zachodzące w jonosferze odgrywają ważną rolę w jej równowadze energetycznej i elektrycznej.
Normalna jonosfera. Obserwacje wykonane za pomocą rakiet i satelitów geofizycznych dostarczyły wielu nowych informacji wskazujących, że jonizacja atmosfery zachodzi pod wpływem szerokiego zakresu promieniowania słonecznego. Jego główna część (ponad 90%) koncentruje się w widzialnej części widma. Promieniowanie ultrafioletowe, które ma krótszą długość fali i wyższą energię niż promienie światła fioletowego, jest emitowane przez wodór znajdujący się w wewnętrznej atmosferze Słońca (chromosferze), a promienie rentgenowskie, które mają jeszcze wyższą energię, są emitowane przez gazy w zewnętrznej powłoce Słońca (korona). Normalny (przeciętny) stan jonosfery wynika z ciągłego silnego promieniowania. W normalnej jonosferze zachodzą regularne zmiany w wyniku codziennego obrotu Ziemi i sezonowych różnic w kącie padania promieni słonecznych w południe, ale zdarzają się również nieprzewidywalne i nagłe zmiany stanu jonosfery.
Zakłócenia w jonosferze. Jak wiadomo, na Słońcu występują potężne, cyklicznie powtarzające się zaburzenia, które osiągają maksimum co 11 lat. Obserwacje w ramach programu Międzynarodowego Roku Geofizycznego (IGY) zbiegły się z okresem największej aktywności Słońca w całym okresie systematycznych obserwacji meteorologicznych, tj. z początku XVIII wieku. W okresach wzmożonej aktywności jasność niektórych obszarów Słońca wzrasta kilkakrotnie, a one wysyłają silne impulsy promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego. Takie zjawiska nazywane są rozbłyskami słonecznymi. Trwają od kilku minut do jednej do dwóch godzin. Podczas rozbłysku dochodzi do erupcji gazu słonecznego (głównie protonów i elektronów), a cząstki elementarne wylatują w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne Słońca podczas takich rozbłysków ma silny wpływ na atmosferę ziemską. Początkową reakcję obserwuje się 8 minut po rozbłysku, kiedy do Ziemi dociera intensywne promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie. W rezultacie jonizacja gwałtownie wzrasta; Promienie rentgenowskie przenikają przez atmosferę do dolnej granicy jonosfery; liczba elektronów w tych warstwach wzrasta tak bardzo, że sygnały radiowe są prawie całkowicie pochłaniane („gaszą”). Dodatkowa absorpcja promieniowania powoduje nagrzewanie się gazu, co sprzyja rozwojowi wiatrów. Zjonizowany gaz jest przewodnikiem elektrycznym i kiedy porusza się w ziemskim polu magnetycznym, następuje efekt dynama i wytwarza się prąd elektryczny. Prądy takie mogą z kolei powodować zauważalne zaburzenia pola magnetycznego i objawiać się w postaci burz magnetycznych. Ta początkowa faza trwa tylko krótki czas, odpowiadający czasowi trwania rozbłysku słonecznego. Podczas potężnych rozbłysków na Słońcu strumień przyspieszonych cząstek wyrzucany jest w przestrzeń kosmiczną. Kiedy jest skierowany w stronę Ziemi, rozpoczyna się druga faza, która ma ogromny wpływ na stan atmosfery. Wiele zjawisk naturalnych, z których najbardziej znane to zorze polarne, wskazuje, że do Ziemi dociera znaczna liczba naładowanych cząstek (patrz także AURORAURAL). Niemniej jednak procesy oddzielania tych cząstek od Słońca, ich trajektorie w przestrzeni międzyplanetarnej oraz mechanizmy interakcji z ziemskim polem magnetycznym i magnetosferą nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane. Problem stał się bardziej skomplikowany po odkryciu w 1958 roku przez Jamesa Van Allena powłok składających się z naładowanych cząstek utrzymywanych przez pole geomagnetyczne. Cząstki te przemieszczają się z jednej półkuli na drugą, wirując spiralnie wokół linii pola magnetycznego. W pobliżu Ziemi, na wysokości zależnej od kształtu linii pola i energii cząstek, znajdują się „punkty odbicia”, w których cząstki zmieniają kierunek ruchu na przeciwny (rys. 3). Ponieważ natężenie pola magnetycznego maleje wraz z odległością od Ziemi, orbity, po których poruszają się te cząstki, są nieco zniekształcone: elektrony odchylane są na wschód, a protony na zachód. Dlatego są dystrybuowane w postaci pasów na całym świecie.

Niektóre skutki ogrzewania atmosfery przez Słońce. Energia słoneczna wpływa na całą atmosferę. Pasy utworzone przez naładowane cząstki w polu magnetycznym Ziemi i obracające się wokół niego zostały już wspomniane powyżej. Pasy te znajdują się najbliżej powierzchni Ziemi w obszarach subpolarnych (patrz ryc. 3), gdzie obserwuje się zorze polarne. Rycina 1 pokazuje, że w regionach zorzowych w Kanadzie temperatury termosfery są znacznie wyższe niż w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. Jest prawdopodobne, że przechwycone cząstki uwalniają część swojej energii do atmosfery, zwłaszcza podczas zderzenia z cząsteczkami gazu w pobliżu punktów odbicia i opuszczają swoje poprzednie orbity. W ten sposób nagrzewają się wysokie warstwy atmosfery w strefie zorzowej. Kolejnego ważnego odkrycia dokonano podczas badania orbit sztucznych satelitów. Luigi Iacchia, astronom ze Smithsonian Astrophysical Observatory, uważa, że ​​niewielkie odchylenia na tych orbitach wynikają ze zmian w gęstości atmosfery podgrzewanej przez Słońce. Zasugerował istnienie maksymalnej gęstości elektronów na wysokości ponad 200 km w jonosferze, która nie odpowiada południu słonecznemu, ale pod wpływem sił tarcia opóźnia się w stosunku do niej o około dwie godziny. W tym czasie wartości gęstości atmosfery typowe dla wysokości 600 km obserwuje się na poziomie ok. 950 km. Ponadto maksymalna gęstość elektronów podlega nieregularnym wahaniom z powodu krótkotrwałych rozbłysków promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego ze Słońca. L. Iacchia odkrył także krótkotrwałe wahania gęstości powietrza, odpowiadające rozbłyskom słonecznym i zakłóceniom pola magnetycznego. Zjawiska te tłumaczy się wnikaniem cząstek pochodzenia słonecznego do atmosfery ziemskiej i nagrzewaniem warstw, w których krążą satelity.
ELEKTRYCZNOŚĆ ATMOSFERYCZNA
W powierzchniowej warstwie atmosfery niewielka część cząsteczek ulega jonizacji pod wpływem promieni kosmicznych, promieniowania skał radioaktywnych oraz produktów rozpadu radu (głównie radonu) w samym powietrzu. Podczas jonizacji atom traci elektron i zyskuje ładunek dodatni. Wolny elektron szybko łączy się z innym atomem, tworząc ujemnie naładowany jon. Takie sparowane jony dodatnie i ujemne mają rozmiary molekularne. Cząsteczki w atmosferze mają tendencję do skupiania się wokół tych jonów. Kilka cząsteczek połączonych z jonem tworzy kompleks, zwykle nazywany „lekkim jonem”. Atmosfera zawiera także kompleksy cząsteczek, zwane w meteorologii jądrami kondensacji, wokół których, gdy powietrze zostanie nasycone wilgocią, rozpoczyna się proces kondensacji. Jądra te to cząstki soli i pyłu, a także zanieczyszczenia uwalniane do powietrza ze źródeł przemysłowych i innych. Lekkie jony często przyłączają się do takich jąder, tworząc „ciężkie jony”. Pod wpływem pola elektrycznego lekkie i ciężkie jony przemieszczają się z jednego obszaru atmosfery do drugiego, przenosząc ładunki elektryczne. Chociaż atmosfera nie jest ogólnie uważana za przewodzącą elektryczność, ma ona pewną przewodność. Dlatego naładowane ciało pozostawione w powietrzu powoli traci swój ładunek. Przewodność atmosferyczna wzrasta wraz z wysokością z powodu zwiększonej intensywności promieniowania kosmicznego, zmniejszonej utraty jonów przy niższym ciśnieniu (a tym samym dłuższej średniej swobodnej drogi) i mniejszej liczby ciężkich jąder. Przewodność atmosferyczna osiąga swoją maksymalną wartość na wysokości ok. 50 km, tzw „poziom wynagrodzenia”. Wiadomo, że pomiędzy powierzchnią Ziemi a „poziomem kompensacji” występuje stała różnica potencjałów wynosząca kilkaset kilowoltów, tj. stałe pole elektryczne. Okazało się, że różnica potencjałów pomiędzy pewnym punktem znajdującym się w powietrzu na wysokości kilku metrów a powierzchnią Ziemi jest bardzo duża – ponad 100 V. Atmosfera ma ładunek dodatni, a powierzchnia ziemi ujemnie . Ponieważ pole elektryczne jest obszarem, w którym w każdym punkcie występuje pewna wartość potencjału, możemy mówić o gradiencie potencjału. Przy dobrej pogodzie w kilku dolnych metrach natężenie pola elektrycznego w atmosferze jest prawie stałe. Ze względu na różnice w przewodności elektrycznej powietrza w warstwie powierzchniowej gradient potencjału podlega dobowym wahaniom, których przebieg znacznie różni się w zależności od miejsca. W przypadku braku lokalnych źródeł zanieczyszczeń powietrza – nad oceanami, wysoko w górach lub w regionach polarnych – dobowa zmienność gradientu potencjału jest taka sama przy dobrej pogodzie. Wielkość gradientu zależy od czasu uniwersalnego, czyli średniego czasu Greenwich (UT), i osiąga maksimum przy 19 godzinach E. Appleton zasugerował, że to maksymalne przewodnictwo elektryczne prawdopodobnie zbiega się z największą aktywnością burzową w skali planetarnej. Uderzenia piorunów podczas burz niosą ładunek ujemny na powierzchnię Ziemi, ponieważ podstawy najbardziej aktywnych chmur burzowych Cumulonimbus mają znaczny ładunek ujemny. Szczyty chmur burzowych mają ładunek dodatni, który według obliczeń Holzera i Saxona odpływa z ich wierzchołków podczas burz. Bez ciągłego uzupełniania ładunek na powierzchni ziemi zostałby zneutralizowany przez przewodność atmosferyczną. Założenie, że różnica potencjałów pomiędzy powierzchnią ziemi a „poziomem kompensacji” jest utrzymywana przez burze, znajduje potwierdzenie w danych statystycznych. Na przykład maksymalną liczbę burz obserwuje się w dolinie rzeki. Amazonki. Najczęściej burze zdarzają się tam pod koniec dnia, tj. OK. 19:00 czasu Greenwich, kiedy gradient potencjału jest maksymalny w dowolnym miejscu na świecie. Co więcej, sezonowe wahania kształtu dobowych krzywych zmienności gradientu potencjału są również w pełni zgodne z danymi dotyczącymi globalnego rozkładu burz. Niektórzy badacze twierdzą, że źródło ziemskiego pola elektrycznego może być pochodzenia zewnętrznego, ponieważ uważa się, że pola elektryczne istnieją w jonosferze i magnetosferze. Ta okoliczność prawdopodobnie wyjaśnia pojawienie się bardzo wąskich, wydłużonych form zórz polarnych, podobnych do kulis i łuków
(zobacz także ŚWIATŁA AURORY). Ze względu na obecność gradientu potencjału i przewodność atmosfery, naładowane cząstki zaczynają przemieszczać się pomiędzy „poziomem kompensacji” a powierzchnią Ziemi: jony naładowane dodatnio w kierunku powierzchni Ziemi, a jony naładowane ujemnie w górę od niej. Siła tego prądu wynosi ok. 1800 A. Choć wartość ta wydaje się duża, należy pamiętać, że rozkłada się ona na całą powierzchnię Ziemi. Natężenie prądu w słupie powietrza o powierzchni podstawy 1 m2 wynosi tylko 4 * 10 -12 A. Z drugiej strony natężenie prądu podczas wyładowania atmosferycznego może osiągnąć kilka amperów, chociaż oczywiście takie wyładowanie trwa krótko - od ułamka sekundy do całej sekundy lub trochę dłużej przy powtarzających się wstrząsach. Błyskawica cieszy się dużym zainteresowaniem nie tylko jako osobliwe zjawisko naturalne. Umożliwia obserwację wyładowania elektrycznego w ośrodku gazowym przy napięciu kilkuset milionów woltów i odległości między elektrodami kilku kilometrów. W 1750 r. B. Franklin zaproponował Towarzystwu Królewskiemu w Londynie przeprowadzenie eksperymentu z żelaznym prętem zamontowanym na izolacyjnej podstawie i zamontowanym na wysokiej wieży. Spodziewał się, że gdy chmura burzowa zbliży się do wieży, ładunek przeciwnego znaku skupi się na górnym końcu początkowo neutralnego pręta, a ładunek tego samego znaku, co u podstawy chmury, skupi się na dolnym końcu . Jeśli natężenie pola elektrycznego podczas wyładowania piorunowego dostatecznie wzrośnie, ładunek z górnego końca pręta częściowo wypłynie w powietrze, a pręt uzyska ładunek o tym samym znaku, co podstawa chmury. Doświadczenia zaproponowanego przez Franklina nie przeprowadzono w Anglii, lecz przeprowadził je w 1752 roku w Marly pod Paryżem francuski fizyk Jean d'Alembert, używając żelaznego pręta o długości 12 m, umieszczonego w szklanej butelce (która służyła za izolatorem), ale nie umieścił go na wieży. 10 maja jego asystent poinformował, że gdy chmura burzowa przeleciała nad sztangą, po zbliżeniu do niej uziemionego drutu wytworzyły się iskry. Sam Franklin, nieświadomy udanego eksperymentu przeprowadzonego we Francji w czerwcu tego samego roku przeprowadził swój słynny eksperyment z latawcem i zaobserwował iskry elektryczne na końcu przywiązanego do niego drutu.W następnym roku, badając ładunki zebrane z pręta, Franklin odkrył, że podstawy chmur burzowych są zwykle naładowane ujemnie. Bardziej szczegółowe badania piorunów stały się możliwe pod koniec XIX wieku dzięki udoskonaleniu technik fotograficznych, zwłaszcza po wynalezieniu aparatu z obrotowymi soczewkami, który umożliwił rejestrację szybko rozwijających się procesów. Ten typ kamery był szeroko stosowany w badaniach wyładowań iskrowych. Stwierdzono, że istnieje kilka rodzajów wyładowań atmosferycznych, z których najczęstsze to liniowe, płaskie (w chmurze) i kulowe (wyładowania w powietrzu). Piorun liniowy to wyładowanie iskrowe pomiędzy chmurą a powierzchnią ziemi, podążające za kanałem z odgałęzieniami skierowanymi w dół. Płaskie błyskawice pojawiają się w chmurze burzowej i pojawiają się jako błyski rozproszonego światła. Wyładowania atmosferyczne w postaci piorunów kulistych, rozpoczynające się od chmury burzowej, często są skierowane poziomo i nie docierają do powierzchni ziemi.

Wyładowanie atmosferyczne zwykle składa się z trzech lub więcej powtarzających się wyładowań – impulsów podążających tą samą ścieżką. Odstępy pomiędzy kolejnymi impulsami są bardzo krótkie, od 1/100 do 1/10 s (to właśnie powoduje migotanie błyskawicy). Ogólnie rzecz biorąc, błysk trwa około sekundy lub krócej. Typowy proces rozwoju pioruna można opisać w następujący sposób. Najpierw słabo świecący wyładowanie liderowe pędzi z góry na powierzchnię ziemi. Kiedy do niego dotrze, jasno świecący wyładowanie powrotne, czyli główne, przechodzi z ziemi w górę przez kanał wytyczony przez przywódcę. Wyładowanie prowadzące z reguły porusza się zygzakiem. Prędkość jego rozprzestrzeniania się waha się od stu do kilkuset kilometrów na sekundę. Po drodze jonizuje cząsteczki powietrza, tworząc kanał o zwiększonej przewodności, przez który wyładowanie zwrotne przemieszcza się w górę z prędkością około stukrotnie większą niż wyładowanie wiodące. Wielkość kanału jest trudna do określenia, ale średnicę wypływu lidera szacuje się na 1-10 m, a średnicy wypływu powrotnego na kilka centymetrów. Wyładowania atmosferyczne powodują zakłócenia radiowe, emitując fale radiowe w szerokim zakresie – od 30 kHz do bardzo niskich częstotliwości. Największa emisja fal radiowych występuje prawdopodobnie w zakresie od 5 do 10 kHz. Takie zakłócenia radiowe o niskiej częstotliwości są „koncentrowane” w przestrzeni pomiędzy dolną granicą jonosfery a powierzchnią Ziemi i mogą rozprzestrzeniać się na odległości tysięcy kilometrów od źródła.
ZMIANY ATMOSFERY
Wpływ meteorów i meteorytów. Chociaż roje meteorów czasami tworzą dramatyczny pokaz światła, pojedyncze meteory są rzadko widywane. Znacznie liczniejsze są meteory niewidzialne, zbyt małe, aby były widoczne, gdy zostaną wchłonięte przez atmosferę. Niektóre z najmniejszych meteorów prawdopodobnie w ogóle się nie nagrzewają, a jedynie są wychwytywane przez atmosferę. Te małe cząstki o rozmiarach od kilku milimetrów do dziesięciu tysięcznych milimetra nazywane są mikrometeorytami. Ilość materiału meteorycznego przedostającego się codziennie do atmosfery waha się od 100 do 10 000 ton, przy czym większość tego materiału pochodzi z mikrometeorytów. Ponieważ materia meteorytowa częściowo spala się w atmosferze, jej skład gazowy jest uzupełniany śladami różnych pierwiastków chemicznych. Na przykład meteory skaliste wprowadzają lit do atmosfery. Spalanie metalowych meteorów prowadzi do powstawania maleńkich, kulistych kropelek żelaza, żelaza, niklu i innych, które przechodzą przez atmosferę i osadzają się na powierzchni ziemi. Można je spotkać na Grenlandii i Antarktydzie, gdzie pokrywa lodowa pozostaje niemal niezmieniona od lat. Oceanolodzy znajdują je w osadach dennych oceanów. Większość cząstek meteorytów wchodzących do atmosfery osiada w ciągu około 30 dni. Niektórzy naukowcy uważają, że ten kosmiczny pył odgrywa ważną rolę w powstawaniu zjawisk atmosferycznych, takich jak deszcz, ponieważ służy jako jądra kondensacji pary wodnej. Zakłada się zatem, że opady są statystycznie powiązane z dużymi rojami meteorytów. Niektórzy eksperci uważają jednak, że skoro całkowita podaż materiału meteorycznego jest kilkadziesiąt razy większa niż nawet największego roju meteorów, to zmianę całkowitej ilości tego materiału powstałą w wyniku jednego takiego deszczu można pominąć. Nie ma jednak wątpliwości, że największe mikrometeoryty i oczywiście widoczne meteoryty pozostawiają długie ślady jonizacji w wysokich warstwach atmosfery, głównie w jonosferze. Takie ślady można wykorzystać w komunikacji radiowej na duże odległości, ponieważ odbijają fale radiowe o wysokiej częstotliwości. Energia meteorów wchodzących do atmosfery jest zużywana głównie, a być może w całości, na jej ogrzewanie. Jest to jeden z mniejszych składników bilansu cieplnego atmosfery.
Dwutlenek węgla pochodzenia przemysłowego. W okresie karbońskim roślinność drzewiasta była szeroko rozpowszechniona na Ziemi. Większość dwutlenku węgla pochłoniętego wówczas przez rośliny gromadziła się w złożach węgla i osadach roponośnych. Człowiek nauczył się wykorzystywać ogromne rezerwy tych minerałów jako źródło energii i obecnie szybko zwraca dwutlenek węgla do obiegu substancji. Stan skamieniałości wynosi prawdopodobnie ok. 4*10 13 ton węgla. W ciągu ostatniego stulecia ludzkość spaliła tak dużo paliw kopalnych, że około 4*10 11 ton węgla ponownie przedostało się do atmosfery. Obecnie istnieje ok. 2*10 12 ton węgla, a w ciągu najbliższych stu lat w wyniku spalania paliw kopalnych liczba ta może się podwoić. Jednak nie cały węgiel pozostanie w atmosferze: część rozpuści się w wodach oceanu, część zostanie wchłonięta przez rośliny, a część zostanie związana w procesie wietrzenia skał. Nie można jeszcze przewidzieć, ile dwutlenku węgla będzie zawarte w atmosferze ani jaki dokładnie będzie miał on wpływ na klimat kuli ziemskiej. Uważa się jednak, że jakikolwiek wzrost jego zawartości spowoduje ocieplenie, choć wcale nie jest konieczne, aby jakiekolwiek ocieplenie znacząco wpływało na klimat. Jak wynika z pomiarów, stężenie dwutlenku węgla w atmosferze zauważalnie rośnie, choć w wolnym tempie. Dane klimatyczne dla stacji Svalbard i Little America na lodowcu szelfowym Rossa na Antarktydzie wskazują na wzrost średnich rocznych temperatur odpowiednio o 5°C i 2,5°C w okresie około 50 lat.
Narażenie na promieniowanie kosmiczne. Kiedy wysokoenergetyczne promienie kosmiczne oddziałują z poszczególnymi składnikami atmosfery, powstają radioaktywne izotopy. Wśród nich wyróżnia się izotop węgla 14C, gromadzący się w tkankach roślinnych i zwierzęcych. Mierząc radioaktywność substancji organicznych, które przez długi czas nie wymieniały węgla ze środowiskiem, można określić ich wiek. Metoda radiowęglowa stała się najbardziej niezawodną metodą datowania organizmów kopalnych i obiektów kultury materialnej, których wiek nie przekracza 50 tysięcy lat. Do datowania materiałów mających setki tysięcy lat można wykorzystać inne izotopy promieniotwórcze o długim okresie półtrwania, jeśli uda się rozwiązać podstawowe wyzwanie polegające na pomiarze wyjątkowo niskich poziomów radioaktywności.
(patrz także datowanie radiowęglowe).
POCHODZENIE ATMOSFERY ZIEMSKIEJ
Historia powstawania atmosfery nie została jeszcze całkowicie wiarygodnie zrekonstruowana. Niemniej jednak zidentyfikowano pewne prawdopodobne zmiany w jego składzie. Tworzenie atmosfery rozpoczęło się natychmiast po uformowaniu się Ziemi. Istnieją całkiem uzasadnione powody, aby sądzić, że w procesie ewolucji Ziemi i nabywania przez nią wymiarów i masy zbliżonych do współczesnych, prawie całkowicie utraciła ona swoją pierwotną atmosferę. Uważa się, że na wczesnym etapie Ziemia znajdowała się w stanie stopionym i ok. 4,5 miliarda lat temu utworzyło ciało stałe. Ten kamień milowy uważany jest za początek chronologii geologicznej. Od tego czasu nastąpiła powolna ewolucja atmosfery. Niektórym procesom geologicznym, takim jak wylanie lawy podczas erupcji wulkanów, towarzyszyło uwalnianie gazów z wnętrzności Ziemi. Prawdopodobnie obejmowały one azot, amoniak, metan, parę wodną, ​​tlenek i dwutlenek węgla. Pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego para wodna rozkłada się na wodór i tlen, ale uwolniony tlen reaguje z tlenkiem węgla, tworząc dwutlenek węgla. Amoniak rozkłada się na azot i wodór. W procesie dyfuzji wodór uniósł się i opuścił atmosferę, a cięższy azot nie mógł odparować i stopniowo gromadził się, stając się jego głównym składnikiem, chociaż część została związana w wyniku reakcji chemicznych. Pod wpływem promieni ultrafioletowych i wyładowań elektrycznych mieszanina gazów, która prawdopodobnie występowała w pierwotnej atmosferze Ziemi, weszła w reakcje chemiczne, w wyniku których powstały substancje organiczne, w szczególności aminokwasy. W rezultacie życie mogło powstać w atmosferze zasadniczo odmiennej od współczesnej. Wraz z pojawieniem się prymitywnych roślin rozpoczął się proces fotosyntezy (patrz także FOTOSYNTEZA), któremu towarzyszy uwalnianie wolnego tlenu. Gaz ten, zwłaszcza po dyfuzji do górnych warstw atmosfery, zaczął chronić swoje dolne warstwy i powierzchnię Ziemi przed zagrażającym życiu promieniowaniem ultrafioletowym i rentgenowskim. Szacuje się, że obecność zaledwie 0,00004 współczesnej objętości tlenu mogłaby doprowadzić do powstania warstwy o połowie obecnego stężenia ozonu, która mimo to zapewniała bardzo znaczną ochronę przed promieniami ultrafioletowymi. Jest również prawdopodobne, że atmosfera pierwotna zawierała dużo dwutlenku węgla. Został on zużyty podczas fotosyntezy, a jego stężenie musiało się zmniejszyć wraz z ewolucją świata roślinnego, a także w wyniku absorpcji podczas pewnych procesów geologicznych. Ponieważ efekt cieplarniany jest związany z obecnością dwutlenku węgla w atmosferze, niektórzy naukowcy uważają, że wahania jego stężenia są jedną z ważnych przyczyn wielkoskalowych zmian klimatycznych w historii Ziemi, takich jak epoki lodowcowe. Hel obecny we współczesnej atmosferze jest prawdopodobnie w dużej mierze produktem rozpadu radioaktywnego uranu, toru i radu. Te pierwiastki radioaktywne emitują cząstki alfa, które są jądrami atomów helu. Ponieważ podczas rozpadu promieniotwórczego nie powstaje ani nie traci się ładunek elektryczny, na każdą cząstkę alfa przypadają dwa elektrony. W rezultacie łączy się z nimi, tworząc obojętne atomy helu. Pierwiastki promieniotwórcze zawarte są w minerałach rozproszonych w skałach, dlatego znaczna część helu powstałego w wyniku rozpadu promieniotwórczego zostaje w nich zatrzymana i bardzo powoli ucieka do atmosfery. Pewna ilość helu unosi się w górę do egzosfery w wyniku dyfuzji, ale ze względu na stały napływ z powierzchni ziemi objętość tego gazu w atmosferze jest stała. Na podstawie analizy widmowej światła gwiazd i badań meteorytów można oszacować względną liczebność różnych pierwiastków chemicznych we Wszechświecie. Stężenie neonu w kosmosie jest około dziesięć miliardów razy wyższe niż na Ziemi, kryptonu dziesięć milionów razy więcej, a ksenonu milion razy więcej. Wynika z tego, że stężenie tych gazów obojętnych, które początkowo znajdowały się w atmosferze ziemskiej i nie zostały uzupełnione w wyniku reakcji chemicznych, znacznie spadło, prawdopodobnie nawet na etapie utraty przez Ziemię atmosfery pierwotnej. Wyjątkiem jest argon w postaci gazu obojętnego, ponieważ w postaci izotopu 40Ar nadal powstaje podczas radioaktywnego rozpadu izotopu potasu.
ZJAWISKA OPTYCZNE
Różnorodność zjawisk optycznych w atmosferze wynika z różnych przyczyn. Do najpowszechniejszych zjawisk należą błyskawice (patrz wyżej) oraz bardzo spektakularne zorze północne i południowe (patrz także AURORA). Ponadto szczególnie interesujące są tęcza, gal, parhelium (fałszywe słońce) i łuki, korona, aureole i duchy Brocken, miraże, ognie św. Elma, świetliste chmury, promienie zielone i zmierzchowe. Tęcza to najpiękniejsze zjawisko atmosferyczne. Zwykle jest to ogromny łuk złożony z wielobarwnych pasów, obserwowany, gdy Słońce oświetla tylko część nieba, a powietrze nasycone jest kropelkami wody, na przykład podczas deszczu. Wielokolorowe łuki ułożone są w sekwencję widmową (czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy), ale kolory prawie nigdy nie są czyste, ponieważ paski nakładają się na siebie. Z reguły właściwości fizyczne tęcz znacznie się różnią, dlatego mają bardzo różnorodny wygląd. Ich wspólną cechą jest to, że środek łuku zawsze leży na linii prostej poprowadzonej od Słońca do obserwatora. Główna tęcza to łuk składający się z najjaśniejszych kolorów - czerwonego na zewnątrz i fioletowego w środku. Czasami widoczny jest tylko jeden łuk, ale często na zewnątrz głównej tęczy pojawia się drugi. Nie ma tak jaskrawych kolorów jak pierwszy, a czerwone i fioletowe paski w nim zamieniają się miejscami: czerwony znajduje się po wewnętrznej stronie. Powstawanie tęczy głównej tłumaczy się podwójnym załamaniem (patrz także OPTYKA) i pojedynczym wewnętrznym odbiciem promieni słonecznych (patrz ryc. 5). Wnikając do wnętrza kropli wody (A), promień światła ulega załamaniu i rozkładowi, jak gdyby przechodził przez pryzmat. Następnie dociera do przeciwnej powierzchni kropli (B), odbija się od niej i opuszcza kroplę na zewnątrz (C). W tym przypadku promień światła jest załamywany po raz drugi, zanim dotrze do obserwatora. Początkowa biała wiązka jest rozkładana na wiązki o różnych kolorach z kątem rozbieżności 2°. Kiedy tworzy się tęcza wtórna, następuje podwójne załamanie i podwójne odbicie promieni słonecznych (patrz ryc. 6). W tym przypadku światło ulega załamaniu, przenika do kropli przez jej dolną część (A) i odbija się od wewnętrznej powierzchni kropli, najpierw w punkcie B, potem w punkcie C. W punkcie D światło ulega załamaniu, pozostawiając spadek w kierunku obserwatora.

O wschodzie i zachodzie słońca obserwator widzi tęczę w kształcie łuku równego połowie koła, ponieważ oś tęczy jest równoległa do horyzontu. Jeśli Słońce znajduje się wyżej nad horyzontem, łuk tęczy jest mniejszy niż połowa obwodu. Kiedy Słońce wznosi się powyżej 42° nad horyzontem, tęcza znika. Wszędzie, z wyjątkiem dużych szerokości geograficznych, tęcza nie może pojawić się w południe, kiedy Słońce jest zbyt wysoko. Interesujące jest oszacowanie odległości do tęczy. Chociaż wielokolorowy łuk wydaje się znajdować w tej samej płaszczyźnie, jest to złudzenie. W rzeczywistości tęcza ma ogromną głębokość i można ją sobie wyobrazić jako powierzchnię pustego stożka, na szczycie którego znajduje się obserwator. Oś stożka łączy Słońce, obserwatora i środek tęczy. Obserwator patrzy jakby wzdłuż powierzchni tego stożka. Nie ma dwóch osób, które mogłyby zobaczyć dokładnie tę samą tęczę. Oczywiście można zaobserwować w zasadzie ten sam efekt, jednak dwie tęcze zajmują różne pozycje i są utworzone przez różne kropelki wody. Kiedy deszcz lub mżawka tworzy tęczę, pełny efekt optyczny uzyskuje się poprzez połączony efekt wszystkich kropel wody przekraczających powierzchnię tęczowego stożka z obserwatorem na wierzchołku. Rola każdej kropli jest ulotna. Powierzchnia tęczowego stożka składa się z kilku warstw. Szybko je przekraczając i przechodząc przez szereg punktów krytycznych, każda kropla błyskawicznie rozkłada promień słoneczny na całe widmo w ściśle określonej kolejności - od czerwieni do fioletu. Wiele kropel przecina powierzchnię stożka w ten sam sposób, tak że tęcza wydaje się obserwatorowi ciągła zarówno wzdłuż, jak i w poprzek łuku. Aureole to białe lub opalizujące łuki i okręgi świetlne wokół dysku Słońca lub Księżyca. Powstają w wyniku załamania lub odbicia światła przez kryształki lodu lub śniegu w atmosferze. Kryształy tworzące halo znajdują się na powierzchni wyimaginowanego stożka, którego oś skierowana jest od obserwatora (od wierzchołka stożka) do Słońca. W pewnych warunkach atmosfera może zostać nasycona małymi kryształami, których wiele ścian tworzy kąt prosty z płaszczyzną przechodzącą przez Słońce, obserwatora i te kryształy. Takie ściany odbijają wpadające promienie świetlne z odchyleniem 22°, tworząc aureolę, która jest czerwonawa od wewnątrz, ale może składać się również ze wszystkich kolorów widma. Mniej powszechne jest halo o promieniu kątowym 46°, położone koncentrycznie wokół halo 22°. Jego wewnętrzna strona ma również czerwonawy odcień. Powodem tego jest również załamanie światła, które w tym przypadku zachodzi na krawędziach kryształów tworzących kąty proste. Szerokość pierścienia takiego halo przekracza 2,5°. Zarówno aureola 46-stopniowa, jak i 22-stopniowa jest najjaśniejsza na górze i na dole pierścienia. Rzadkie 90-stopniowe halo to słabo świecący, prawie bezbarwny pierścień, który ma wspólny środek z dwoma innymi aureolami. Jeśli jest kolorowy, będzie miał czerwony kolor na zewnątrz pierścienia. Mechanizm powstawania tego typu halo nie jest w pełni poznany (ryc. 7).

Parhelia i łuki. Okrąg parheliczny (lub krąg fałszywych słońc) to biały pierścień ze środkiem w zenicie, przechodzący przez Słońce równolegle do horyzontu. Powodem jego powstania jest odbicie światła słonecznego od krawędzi powierzchni kryształków lodu. Jeśli kryształy są wystarczająco równomiernie rozmieszczone w powietrzu, widoczny staje się pełny okrąg. Parhelia, czyli fałszywe słońca, to jasno świecące plamy przypominające Słońce, które tworzą się w punktach przecięcia koła parhelicznego z aureolami o promieniach kątowych 22°, 46° i 90°. Najczęściej występujące i najjaśniejsze formy parhelium powstają na przecięciu z 22-stopniowym halo, zabarwionym zazwyczaj niemal wszystkimi kolorami tęczy. Fałszywe słońca na przecięciach z halo 46 i 90 stopni obserwuje się znacznie rzadziej. Parhelia występujące na przecięciach z aureolami 90-stopniowymi nazywane są parantheliami lub fałszywymi przeciwsłońcami. Czasami widoczne jest także antelium (przeciwsłońce) - jasna plama znajdująca się na pierścieniu parhelium dokładnie naprzeciw Słońca. Przyjmuje się, że przyczyną tego zjawiska jest podwójne wewnętrzne odbicie światła słonecznego. Promień odbity podąża tą samą drogą co promień padający, ale w przeciwnym kierunku. Łuk bliski zenitu, czasami błędnie nazywany górnym łukiem stycznym 46-stopniowego halo, to łuk o kącie 90° lub mniejszym ze środkiem w zenicie, położonym około 46° nad Słońcem. Jest rzadko widoczny i tylko przez kilka minut, ma jasne kolory, a kolor czerwony ogranicza się do zewnętrznej strony łuku. Łuk bliski zenitu wyróżnia się kolorem, jasnością i wyraźnymi konturami. Innym ciekawym i bardzo rzadkim efektem optycznym typu halo jest łuk Lowitza. Powstają jako kontynuacja parhelii na przecięciu z 22-stopniowym halo, rozciągają się od zewnętrznej strony halo i są lekko wklęsłe w kierunku Słońca. Kolumny białawego światła przypominające różne krzyże są czasami widoczne o świcie lub zmierzchu, szczególnie w regionach polarnych, i mogą towarzyszyć zarówno Słońcu, jak i Księżycowi. Czasami obserwuje się halo księżycowe i inne efekty podobne do opisanych powyżej, przy czym najczęstsze halo księżycowe (pierścień wokół Księżyca) ma promień kątowy 22°. Podobnie jak fałszywe słońca, mogą pojawić się fałszywe księżyce. Korony lub korony to małe koncentryczne kolorowe pierścienie wokół Słońca, Księżyca lub innych jasnych obiektów, które można obserwować od czasu do czasu, gdy źródło światła znajduje się za półprzezroczystymi chmurami. Promień korony jest mniejszy niż promień halo i wynosi ok. 1-5°, niebieski lub fioletowy pierścień znajduje się najbliżej Słońca. Korona powstaje, gdy światło jest rozpraszane przez małe kropelki wody, tworząc chmurę. Czasami korona pojawia się jako świetlista plama (lub aureola) otaczająca Słońce (lub Księżyc), która kończy się czerwonawym pierścieniem. W innych przypadkach na zewnątrz halo widoczne są co najmniej dwa koncentryczne pierścienie o większej średnicy, bardzo słabo zabarwione. Zjawisku temu towarzyszą tęczowe chmury. Czasami krawędzie bardzo wysokich chmur mają jasne kolory.
Gloria (aureole). W specjalnych warunkach zachodzą niezwykłe zjawiska atmosferyczne. Jeśli Słońce znajduje się za obserwatorem, a jego cień rzucany jest na pobliskie chmury lub zasłonę mgły, przy pewnym stanie atmosfery wokół cienia głowy osoby można zobaczyć kolorowy świetlisty okrąg - aureolę. Zazwyczaj taka aureola powstaje w wyniku odbicia światła od kropel rosy na trawiastym trawniku. Glorie dość często można spotkać także wokół cienia rzucanego przez samolot na znajdujące się pod nimi chmury.
Duchy Brocken. W niektórych obszarach globu, gdy cień obserwatora znajdującego się na wzgórzu o wschodzie lub zachodzie słońca padnie za nim na chmury znajdujące się w niewielkiej odległości, odkrywa się uderzający efekt: cień nabiera kolosalnych rozmiarów. Dzieje się tak na skutek odbicia i załamania światła przez maleńkie kropelki wody we mgle. Opisane zjawisko nazwano „Duchem Brocken” od szczytu w górach Harz w Niemczech.
Miraże- efekt optyczny spowodowany załamaniem światła podczas przejścia przez warstwy powietrza o różnej gęstości i wyrażający się w wyglądzie obrazu wirtualnego. W tym przypadku odległe obiekty mogą wydawać się uniesione lub obniżone w stosunku do ich rzeczywistego położenia, ale mogą też zostać zniekształcone i przybrać nieregularne, fantastyczne kształty. Miraże często obserwuje się w gorącym klimacie, na przykład na piaszczystych równinach. Miraże dolne są powszechne, gdy odległa, prawie płaska powierzchnia pustyni przybiera wygląd otwartej wody, zwłaszcza patrząc z niewielkiego wzniesienia lub po prostu znajdując się nad warstwą ogrzanego powietrza. Złudzenie to zwykle pojawia się na rozgrzanej drodze asfaltowej, która daleko w oddali wygląda jak tafla wody. W rzeczywistości ta powierzchnia jest odbiciem nieba. Poniżej poziomu oczu w tej „wodzie” mogą pojawić się obiekty, zwykle do góry nogami. Na nagrzanej powierzchni lądu tworzy się „plac powietrza”, przy czym warstwa znajdująca się najbliżej gruntu jest najgorętsza i na tyle rozrzedzona, że ​​przechodzące przez nią fale świetlne ulegają zniekształceniu, gdyż prędkość ich propagacji jest zmienna w zależności od gęstości ośrodka . Górne miraże są rzadsze i bardziej malownicze niż dolne. Odległe obiekty (często położone za horyzontem morskim) pojawiają się na niebie do góry nogami, a czasem powyżej pojawia się również pionowy obraz tego samego obiektu. Zjawisko to jest typowe w zimnych regionach, zwłaszcza gdy następuje znaczna inwersja temperatury, gdy cieplejsza warstwa powietrza znajduje się nad zimniejszą warstwą. Ten efekt optyczny objawia się złożonymi wzorami propagacji frontu fal świetlnych w warstwach powietrza o niejednorodnej gęstości. Od czasu do czasu, szczególnie w regionach polarnych, zdarzają się bardzo niezwykłe miraże. Kiedy miraże pojawiają się na lądzie, drzewa i inne elementy krajobrazu są odwrócone do góry nogami. We wszystkich przypadkach obiekty są wyraźniej widoczne w górnych mirażach niż w dolnych. Kiedy granica dwóch mas powietrza jest płaszczyzną pionową, czasami obserwuje się miraże boczne.
Ogień Świętego Elma. Niektóre zjawiska optyczne w atmosferze (na przykład poświata i najczęstsze zjawisko meteorologiczne - błyskawica) mają charakter elektryczny. Znacznie mniej powszechne są światła św. Elma - świecące bladoniebieskie lub fioletowe pędzle o długości od 30 cm do 1 m i więcej, zwykle na szczytach masztów lub końcach jardów statków na morzu. Czasami wydaje się, że całe takielunek statku jest pokryty fosforem i świeci. Ogień św. Elma czasami pojawia się na szczytach gór, a także na iglicach i ostrych narożnikach wysokich budynków. Zjawisko to reprezentuje wyładowania elektryczne szczotkowe na końcach przewodników elektrycznych, gdy natężenie pola elektrycznego w otaczającej je atmosferze znacznie wzrasta. Błędne ogniki to słaba niebieskawa lub zielonkawa poświata, którą czasami obserwuje się na bagnach, cmentarzach i kryptach. Często wyglądają jak płomień świecy uniesiony około 30 cm nad ziemię, płonący cicho, nie dający ciepła i unoszący się przez chwilę nad przedmiotem. Światło wydaje się całkowicie nieuchwytne, a gdy obserwator się zbliża, wydaje się, że przenosi się w inne miejsce. Przyczyną tego zjawiska jest rozkład pozostałości organicznych i samozapłon metanu (CH4) lub fosfiny (PH3) z gazów bagiennych. Błędne ogniki mają różne kształty, czasem nawet kuliste. Promień zielony - rozbłysk szmaragdowo zielonego światła słonecznego w momencie, gdy ostatni promień Słońca znika za horyzontem. Czerwony składnik światła słonecznego znika jako pierwszy, wszystkie pozostałe po kolei znikają, a ostatni pozostaje w kolorze szmaragdowo-zielonym. Zjawisko to ma miejsce tylko wtedy, gdy nad horyzontem pozostaje tylko sama krawędź dysku słonecznego, w przeciwnym razie następuje mieszanina kolorów. Promienie zmierzchowe to rozbieżne wiązki światła słonecznego, które stają się widoczne dzięki oświetleniu pyłu w wysokich warstwach atmosfery. Cienie chmur tworzą ciemne pasy, a promienie rozprzestrzeniają się między nimi. Efekt ten występuje, gdy Słońce znajduje się nisko nad horyzontem przed świtem lub po zachodzie słońca.