Загадочная, динамичная и жизненно важная – атмосфера Земли является невероятно захватывающим объектом изучения. Покрывая нашу планету плотным покрывалом газов, она обеспечивает удивительное разнообразие условий, необходимых для поддержания жизни. От кристально чистого неба до грозовых туч, от легкого приятного ветерка до разрушительных ураганов – атмосфера является сценой, на которой разворачивается удивительный спектакль природы.
В этой статье мы отправимся в увлекательное путешествие сквозь слои атмосферы Земли, чтобы раскрыть ее тайны, понять ее роль в поддержании жизни и рассмотреть влияние человеческой деятельности на этот удивительный баланс.
Общие сведения
Атмосфера Земли – это неотъемлемый защитный барьер, предохраняющий нас от различных угроз из космоса. Она выполняет несколько важных функций, обеспечивая благоприятные условия для жизни на нашей планете.
Несмотря на то, что газовая оболочка простирается на многие тысячи километров в пространство, атмосферой считается только та часть, которая вращается вокруг оси Земли с той же скоростью, что и сама планета. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет примерно 1000 километров и плавно переходит в космическое пространство в верхнем слое, известном как экзосфера.
Состав атмосферы Земли
Наша атмосферная оболочка наполнена различными газами, пылью, водой в виде пара и кристалликов льда, минералами, бактериями и другими взвешенными частицами. Общая масса атмосферы Земли составляет огромные 5,97×10²⁴ килограмма, что эквивалентно 5 квадриллионам тонн или одной миллионной части массы самой Земли. Половина этой массы сконцентрирована в нижних 5 километрах атмосферы, а выше воздух становится легче и его плотность уменьшается.
На уровне поверхности Земли газовый состав атмосферы следующий:
- Азот составляет 78%
- Кислород составляет 21%
- Аргон составляет 0,9%
- Углекислый газ составляет 0,04%
- Другие газы, такие как неон, гелий, метан, водород, ксенон и другие, составляют 0,06%.
Эти данные представляют объемное содержание газов и могут изменяться со временем. В настоящее время содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет, внося изменения в общий состав.
Возникают споры среди ученых о возможных катастрофах и глобальном потеплении в результате этого. Однако, однозначного ответа пока нет, и исследователи продолжают активные дискуссии. Нестабильность также характеризует содержание кислорода в атмосфере, что вызывает беспокойство среди экологов.
История развития
4,3 миллиарда лет назад молодая Земля была окружена газами, включая водород и гелий, которые являются основными компонентами атмосферы газовых гигантов, таких как Юпитер. Эти газы, которые являются самыми простыми элементами, составляли остатки туманности, из которой сформировалось Солнце и планеты, и они осыпались вокруг гравитационных центров планет. Их концентрация была невысокой, и их низкая атомная масса позволяла им улетучиваться в космос, что продолжается по сей день. В настоящее время их общая удельная масса составляет всего 0,00052% от общей массы земной атмосферы (0,00002% для водорода и 0,0005% для гелия), что является незначительным.
Однако внутри самой Земли накапливались различные вещества, стремясь выбраться из раскаленных глубин. Вулканы выбрасывали огромное количество газов, в том числе аммиак, метан, углекислый газ и серу. Аммиак и метан со временем разложились, превратившись в азот, который сейчас составляет основную долю массы земной атмосферы – 78%.
Вулканы играли ключевую роль в формировании атмосферы. Однако настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла с появлением кислорода. Он появился естественным образом – мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, выбрасываемые вулканами, под действием солнечного ультрафиолета расщеплялись на водород и кислород.
Однако кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он реагировал с различными элементами на поверхности планеты, такими как угарный газ, свободное железо, сера и другие, под действием высоких температур и солнечного излучения. Ситуацию изменило только появление живых организмов.
Во-первых, они начали выделять такое количество кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и стал накапливаться в атмосфере. За несколько миллиардов лет его концентрация выросла с нуля до 21% общей массы атмосферы.
Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод из атмосферы для создания своих собственных структур. В результате их деятельности земная кора обогатилась органическими материалами и ископаемыми, а уровень углекислого газа значительно снизился.
Избыток кислорода привел к формированию озонового слоя, который стал защитой для живых организмов от ультрафиолетового излучения. Жизнь стала эволюционировать более активно и приобретать новые, сложные формы. В настоящее время озон занимает всего лишь 0,00001% общей массы Земли.
Также в атмосфере присутствуют благородные газы в значительном количестве. Наиболее распространенный из них – аргон, доля которого составляет 0,9-1% в атмосфере. Источником аргона являются ядерные процессы в глубинах Земли, а он попадает на поверхность через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения. Таким же образом в атмосферу попадает гелий. Благородные газы, благодаря своим физическим свойствам, поднимаются в верхние слои атмосферы и улетучиваются в космос.
Как видно, состав атмосферы Земли менялся множество раз, и это происходило в течение миллионов лет. Однако жизненно важные процессы являются устойчивыми – озоновый слой будет существовать и выполнять свою функцию, даже если на Земле будет на 100 раз меньше кислорода.
Структура атмосферы Земли
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, и их границы имеют волнообразную структуру. Существует классификация этих слоев на основе наличия заряженных частиц и состава газа. Так, мы выделяем гомосферу и гетеросферу, между которыми находится турбопауза. Также слои атмосферы классифицируются по их влиянию на летательные аппараты, различая плотный слой и околоземное пространство. Кроме того, существуют отдельные термины, такие как озоносфера, которая представляет собой озоновый слой, а также нейтросфера, ионосфера и радиационные пояса. В атмосфере также можно выделить плотные слои и свободную атмосферу.
Тропосфера
Тропосфера – это нижний слой атмосферы, который простирается от поверхности Земли до определенной высоты (от 8 км в умеренных широтах до 18 км в тропиках). Этот слой играет ключевую роль в формировании погоды и изменений в ней. В тропосфере находится большая часть водяного пара, что приводит к образованию облаков, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, могут присутствовать и в более высоких слоях атмосферы. Тропосферу отличает турбулентность и сильные воздушные потоки. В верхней части тропосферы существуют сильные воздушные течения с определенным направлением. Тропопауза, переходный слой, имеет толщину от нескольких сотен метров до 1,5-2 км, где снижение температуры замедляется или прекращается.
Стратосфера
Стратосфера, или настил, составляет около 20% общей массы атмосферы и простирается на высоту от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Она содержит озоновый слой, составляющий 90% общего количества озона в атмосфере, который защищает нас от вредных ультрафиолетовых лучей. В начале стратосферы температура снижается до -50 °C, но затем, при приближении к озоновому слою, начинает повышаться до нулевой отметки. В этом слое работают высотные боевые самолеты и проводятся измерения при помощи метеозондов. Цвет стратосферы обычно является голубым. Стратопауза – это переходный слой между стратосферой и следующим слоем, характеризующийся температурой около 0 °C.
Мезосфера
Мезосфера, или срединный слой атмосферы, простирается до высоты 90 км и составляет всего 0,3% общей массы атмосферы. Здесь характерно сухое окружение, а температура понижается от 0 до -100 °C. В мезосфере происходят сложные фотохимические процессы. Она также славится образованием ледяных облаков, которые придают слабый серебристый отблеск в сумерках. Из этой высоты можно наблюдать захватывающую красоту нашей планеты и яркое мерцание далеких звезд. Здесь начинаются футуристические приключения космических дайверов, и это является последней земной границей, где атмосфера все больше растворяется в космическом пространстве. Мезосфера имеет насыщенные темно-синие оттенки. Мезопауза, в свою очередь, представляет собой слой с температурой около -90 °C.
Линия Кармана, находящаяся на высоте 100 км над уровнем моря, представляет условную границу между Землей и космосом. На этой высоте атмосфера становится сильно разреженной, что делает аэродинамическую авиацию невозможной, и начинается пространство для космических полетов. Это место, где переходят нашу планету и безграничные просторы космоса.
Термосфера
Термосфера, также известная как жаркий слой атмосферы, представляет собой верхний слой атмосферы Земли. Расположенная на высоте от 90 до 500-800 км над поверхностью Земли, она играет важную роль в защите нашей планеты от вредных космических излучений и предоставляет среду для некоторых космических операций.
Одна из характеристик термосферы – невероятно высокие температуры. Несмотря на то, что температура в этом слое может достигать значений до +1200 °C, жара на самом деле не ощущается, так как воздух в этом регионе очень разрежен. Термосфера содержит преимущественно атомарный кислород, а также некоторое количество других молекул.
В термосфере происходят различные физические и химические процессы. Ионизация, вызванная интенсивной солнечной радиацией, приводит к образованию ионов и свободных электронов. Это явление позволяет возникать ярким полярным сияниям и зарницам, которые создают впечатляющие световые шоу в полярных регионах Земли.
Термосфера также является важным пространством для космических операций. На низкой орбите Земли, которая проходит через термосферу, находятся спутники различных типов. Сюда включаются погодные спутники, спутники связи, научные исследовательские аппараты, а также спутники для глобального позиционирования (GPS). Кроме того, термосфера также служит местом движения космических станций и космического мусора, таких как обломки ракет и нерабочие спутники.
Экзосфера
Экзосфера, известная также как наружный слой атмосферы, представляет собой верхний слой, который простирается на огромное расстояние в космическое пространство. Она находится выше 800 км от поверхности Земли и охватывает зону до 10 000 км вдали от нашей планеты. Этот слой заполнен космической пылью и межпланетным газом, что создает условия ближнекосмического вакуума.
Верхний слой экзосферы состоит преимущественно из атомов водорода, которые обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть притяжение Земли и улететь в открытый космос. Это называется сферой рассеяния. В экзосфере высокий уровень солнечной радиации и температуры, которые могут достигать значений от 1200 до 2500 °C.
Отсюда начинается абсолютная космическая темнота и околоземное пространство. В экзосфере свет от Солнца рассеивается, и становится трудно различить объекты на Земле.
Погода
Роль погоды в атмосфере является важным аспектом ее функционирования и взаимодействия с окружающей средой. Вот некоторая информация о роли погоды в атмосфере:
- Теплообмен: Погода влияет на теплообмен между атмосферой и поверхностью Земли. Солнечная радиация нагревает землю, и тепло от поверхности передается в атмосферу. Этот процесс создает тепловые градиенты, которые являются основой для конвективных движений воздуха и облачности.
- Циркуляция атмосферы: Погода играет ключевую роль в формировании циркуляции атмосферы. Разница в температуре и давлении между разными регионами создает атмосферные потоки, такие как ветры и циклоны. Эти движения воздуха распределяют тепло и влагу по всей планете, влияя на климатические условия и погодные явления.
- Образование облачности и осадков: Погода определяет образование облачности и типы осадков. При воздушных подъемах и конденсации влаги образуются облака, которые впоследствии могут привести к выпадению осадков, таких как дождь, снег или град. Облачность и осадки играют важную роль в регулировании водного цикла и влияют на распределение влаги по земной поверхности.
Применение знаний про атмосферу
Земля, а также ее атмосфера, являются важными инструментами для изучения других планет. Астрономы используют сравнение земных и экзопланетарных явлений, чтобы раскрыть древнюю историю этих планет.
Например, атмосферный цвет других планет раскрывает секреты их состава. Красный оттенок атмосферы Марса соответствует его поверхности и объясняется доминированием углекислого газа на этой планете. Это же применимо к экзопланетам. Анализируя их спектральный цвет, мы можем определить состав атмосферы, даже не видя саму планету.
Состав атмосферы, как известно, может многое рассказать о планете. Высокое содержание углекислого газа указывает на активную геологическую активность и вулканическую деятельность. Наличие водяных паров в атмосфере не обязательно означает наличие океанов на поверхности, но указывает на наличие источников кислорода.
И, наличие избытка кислорода, является почти непреложным признаком наличия жизни, учитывая, что кислород из неживых источников быстро реагирует с другими элементами и требует биологического процесса для его накопления.
Кроме того, газы и жидкости в атмосфере циркулируют в соответствии с аналогичными химическими законами. Вода, несмотря на свои уникальные свойства, не является неотъемлемым компонентом атмосферы. Например, на спутнике Сатурна, Титане, существует газовая оболочка, структурно схожая с земной, где образуются облака и циркулирует жидкость в атмосфере, но с температурой на сотню градусов ниже и с метаном вместо воды.
Значение атмосферы
Земная атмосфера является нашим защитным покровом и средой обитания, обеспечивая нам множество благ. Она создает уникальную среду, позволяющую нам дышать свежим воздухом, наслаждаться красотой земли и неба, и является основой для развития жизни на нашей планете. Атмосфера также играет важную роль в формировании стабильной погоды и климата, которые оказывают влияние на все аспекты нашей жизни.
Озоновая прослойка, находящаяся в атмосфере, выполняет важную функцию защиты Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Она предотвращает проникновение опасных лучей солнца, что способствует сохранению здоровья и благополучия нашей планеты. Кроме того, атмосфера играет роль естественного щита, сжигая и уничтожая метеориты и космический мусор, которые попадают в нее под воздействием гравитации, предотвращая их падение на поверхность Земли и потенциальные катастрофы. Она также смягчает солнечный ветер, защищая нас от его разрушительного воздействия.
Состояние атмосферы имеет прямое влияние на здоровье и благополучие всех обитателей планеты. Качество воздуха, присутствующего в тропосфере, является необходимым для дыхания людей и животных, а также для осуществления химических реакций, поддерживающих жизнь. Поэтому поддержание здорового состояния атмосферы является важной задачей, чтобы обеспечить благоприятные условия для всех форм жизни на Земле.
Экологические проблемы
Взаимодействие между литосферой, биосферой и атмосферой имеет прямое влияние на структуру этих компонентов. Несмотря на то, что масштабы хозяйственной деятельности человечества несопоставимы с активностью вулканов на протопланете, наше влияние ощутимо. Мы добываем природные ресурсы и занимаемся промышленностью, воздействуя на окружающую среду и здоровье.
В результате сжигания топлива мы выделяем вредные газы, что приводит к образованию кислотных дождей. Аэрозольное загрязнение возникает не только из-за природных факторов, таких как вулканическая активность и песчаные бури, но и из-за промышленного производства, строительства, рудных и сельскохозяйственных работ.
Экологи бьют тревогу, предупреждая об изменении состава нашей атмосферы. Взаимосвязь между человеческой деятельностью и атмосферой весьма существенна. Например, если мы истребим все леса и разрушим биологические системы, которые производят и поглощают газы, состав атмосферы претерпит серьезные изменения. Такое изменение может привести к непригодности воздуха для дыхания и, следовательно, к смертельным последствиям.
Помимо выбросов углекислого газа, паров и ядовитого дыма от сжигания мусора, мы также загрязняем наш воздушный океан обломками космических аппаратов, создавая таким образом скопления мусора. Это указывает на то, что мы, возможно, еще не готовы для освоения космоса, так как даже там мы склонны создавать мусорные свалки.
Учитывая, что основным мотивом освоения космоса для многих является практическая выгода и добыча ресурсов, а не научные открытия, становится очевидным, что мы, вероятно, будем продолжать истощать планеты, добывая полезные ископаемые.
Ученые утверждают, что толщина атмосферы сокращается, а в озоновом слое появляются дыры. Причины этих явлений пока не установлены однозначно, но существует множество гипотез, и самой распространенной является неразумная хозяйственная деятельность человечества, которая нарушает естественный баланс природных процессов.
Вывод
Атмосфера Земли является невероятно важным и сложным компонентом нашей планеты. Она обеспечивает жизненно важные условия для существования и развития разнообразных форм жизни. Однако, наша деятельность оказывает значительное влияние на атмосферу, вызывая изменения, которые могут иметь серьезные последствия для окружающей среды и человеческого благополучия.
