Qual è lo strato più alto dell'atmosfera. L'atmosfera terrestre: una spiegazione per i bambini

L'atmosfera terrestre

Atmosfera(da. altro grecoἀτμός - vapore e σφαῖρα - palla) - gas guscio ( geosfera) che circonda il pianeta Terra. La sua superficie interna è coperta idrosfera e parzialmente abbaio, quello esterno confina con la parte vicina alla Terra dello spazio esterno.

Viene comunemente chiamata la totalità delle sezioni di fisica e chimica che studiano l'atmosfera fisica atmosferica. L'atmosfera determina tempo atmosferico sulla superficie della Terra, è impegnata nello studio del tempo meteorologia, e variazioni a lungo termine clima - climatologia.

La struttura dell'atmosfera

La struttura dell'atmosfera

Troposfera

Il suo limite superiore è ad un'altitudine di 8-10 km a latitudini polari, 10-12 km a quelle temperate e 16-18 km a latitudini tropicali; inferiore in inverno che in estate. Lo strato più basso e principale dell'atmosfera. Contiene più dell'80% della massa totale dell'aria atmosferica e circa il 90% di tutto il vapore acqueo presente nell'atmosfera. molto sviluppato nella troposfera turbolenza e convezione, presentarsi nuvole, sviluppare cicloni e anticicloni. La temperatura diminuisce con l'aumentare dell'altezza con una verticale media pendenza 0,65°/100 m

Per le "condizioni normali" alla superficie terrestre si prendono: densità 1,2 kg/m3, pressione barometrica 101,35 kPa, temperatura più 20 °C e umidità relativa 50%. Questi indicatori condizionali hanno un valore puramente ingegneristico.

Stratosfera

Lo strato dell'atmosfera situato ad un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Caratterizzato da una leggera variazione di temperatura nello strato 11-25 km (strato inferiore della stratosfera) e dal suo aumento nello strato 25-40 km da -56,5 a 0,8° DA(stratosfera o regione superiore inversioni). Raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0°C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura rimane costante fino ad una quota di circa 55 km. Questa regione di temperatura costante è chiamata stratopausa ed è il confine tra la stratosfera e mesosfera.

Stratopausa

Lo strato limite dell'atmosfera tra la stratosfera e la mesosfera. C'è un massimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa 0 °C).

Mesosfera

L'atmosfera terrestre

Mesosfera parte da un'altitudine di 50 km e si estende fino a 80-90 km. La temperatura diminuisce con l'altezza con un gradiente verticale medio di (0,25-0,3)°/100 m Il principale processo energetico è il trasferimento di calore radiante. Complessi processi fotochimici che coinvolgono i radicali liberi, molecole eccitate vibrazionalmente, ecc., determinano il bagliore dell'atmosfera.

mesopausa

Strato di transizione tra mesosfera e termosfera. C'è un minimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa -90 °C).

Linea Karman

Altitudine sul livello del mare, che è convenzionalmente accettata come confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio.

Termosfera

articolo principale: Termosfera

Il limite superiore è di circa 800 km. La temperatura sale a quote di 200-300 km, dove raggiunge valori dell'ordine di 1500 K, dopodiché si mantiene pressoché costante fino alle quote elevate. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta e dei raggi X e della radiazione cosmica, si verifica la ionizzazione dell'aria (" aurore”) - aree principali ionosfera giacciono all'interno della termosfera. Ad altitudini superiori a 300 km, predomina l'ossigeno atomico.

Strati atmosferici fino a un'altezza di 120 km

Exosphere (sfera a dispersione)

Esosfera- zona di scattering, la parte esterna della termosfera, situata al di sopra dei 700 km. Il gas nell'esosfera è molto rarefatto, e quindi le sue particelle perdono nello spazio interplanetario ( dissipazione).

Fino a un'altezza di 100 km, l'atmosfera è una miscela omogenea e ben miscelata di gas. Negli strati più alti, la distribuzione dei gas in altezza dipende dalle loro masse molecolari, la concentrazione dei gas più pesanti diminuisce più velocemente con la distanza dalla superficie terrestre. A causa della diminuzione della densità del gas, la temperatura scende da 0 °C nella stratosfera a -110 °C nella mesosfera. Tuttavia, l'energia cinetica delle singole particelle ad altitudini di 200–250 km corrisponde a una temperatura di ~1500 °C. Oltre i 200 km si osservano significative fluttuazioni di temperatura e densità del gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3000 km, l'esosfera passa gradualmente nella cosiddetta vicino al vuoto spaziale, che è riempito con particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas è solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è composta da particelle simili a polvere di origine cometaria e meteorica. Oltre a particelle simili a polvere estremamente rarefatte, in questo spazio penetrano radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari di origine solare e galattica.

La troposfera rappresenta circa l'80% della massa dell'atmosfera, la stratosfera rappresenta circa il 20%; la massa della mesosfera non è superiore allo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. Sulla base delle proprietà elettriche nell'atmosfera, si distinguono la neutrosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda fino a un'altitudine di 2000-3000 km.

A seconda della composizione del gas nell'atmosfera, emettono omosfera e eterosfera. eterosfera - questa è un'area in cui la gravità influisce sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altezza è trascurabile. Da qui segue la composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto di esso si trova una parte dell'atmosfera ben miscelata e omogenea, chiamata omosfera. Viene chiamato il confine tra questi livelli turbopausa, si trova ad un'altitudine di circa 120 km.

Proprietà fisiche

Lo spessore dell'atmosfera è di circa 2000 - 3000 km dalla superficie terrestre. Massa totale aria- (5,1-5,3) × 10 18 kg. Massa molare l'aria secca pulita è 28.966. Pressione a 0 °C sul livello del mare 101.325 kPa; temperatura critica-140,7 °C; pressione critica 3,7 MPa; C p 1.0048×10 3 J/(kg K)(a 0°C), C v 0,7159×10 3 J/(kg K) (a 0 °C). Solubilità dell'aria in acqua a 0 °C - 0,036%, a 25 °C - 0,22%.

Proprietà fisiologiche e di altro tipo dell'atmosfera

Già a un'altitudine di 5 km sul livello del mare, si sviluppa una persona non addestrata fame di ossigeno e senza adattamento, le prestazioni umane sono significativamente ridotte. Qui finisce la zona fisiologica dell'atmosfera. La respirazione umana diventa impossibile a un'altitudine di 15 km, sebbene fino a circa 115 km l'atmosfera contenga ossigeno.

L'atmosfera ci fornisce l'ossigeno di cui abbiamo bisogno per respirare. Tuttavia, a causa del calo della pressione totale dell'atmosfera man mano che si sale in quota, anche la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce di conseguenza.

I polmoni umani contengono costantemente circa 3 litri di aria alveolare. Pressione parziale l'ossigeno nell'aria alveolare a pressione atmosferica normale è 110 mm Hg. Art., pressione dell'anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo - 47 mm Hg. Arte. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione dell'ossigeno diminuisce e la pressione totale del vapore acqueo e dell'anidride carbonica nei polmoni rimane quasi costante - circa 87 mm Hg. Arte. Il flusso di ossigeno nei polmoni si interromperà completamente quando la pressione dell'aria circostante diventa uguale a questo valore.

Ad un'altitudine di circa 19-20 km, la pressione atmosferica scende a 47 mm Hg. Arte. Pertanto, a questa altezza, l'acqua e il liquido interstiziale iniziano a bollire nel corpo umano. Fuori dalla cabina pressurizzata a queste altitudini, la morte avviene quasi istantaneamente. Pertanto, dal punto di vista della fisiologia umana, lo "spazio" inizia già a un'altitudine di 15-19 km.

Densi strati d'aria - la troposfera e la stratosfera - ci proteggono dagli effetti dannosi delle radiazioni. Con una sufficiente rarefazione dell'aria, ad altitudini superiori a 36 km, viene esercitato un intenso effetto sul corpo ionizzante radiazione- raggi cosmici primari; ad altitudini superiori a 40 km, opera la parte ultravioletta dello spettro solare, pericolosa per l'uomo.

Man mano che saliamo a un'altezza sempre maggiore sopra la superficie terrestre, gradualmente indeboliamo e poi scompaiono completamente, tali fenomeni a noi familiari osservati negli strati inferiori dell'atmosfera, come la propagazione del suono, l'emergere di aerodinamica forza di sollevamento e resistenza, trasferimento di calore convezione e così via.

In strati d'aria rarefatti, propagazione suono risulta impossibile. Fino ad altitudini di 60-90 km, è ancora possibile utilizzare la resistenza dell'aria e la portanza per il volo aerodinamico controllato. Ma partendo da altitudini di 100-130 km, concetti familiari ad ogni pilota numeri M e Barriera del suono perdono il loro significato, lì passa il condizionale Linea Karman oltre il quale inizia la sfera del volo puramente balistico, controllabile solo mediante l'uso di forze reattive.

Ad altitudini superiori a 100 km, l'atmosfera è privata anche di un'altra proprietà notevole: la capacità di assorbire, condurre e trasferire energia termica per convezione (cioè per mezzo della miscelazione dell'aria). Ciò significa che vari elementi dell'equipaggiamento, l'equipaggiamento della stazione spaziale orbitale non potranno essere raffreddati dall'esterno nel modo in cui normalmente avviene su un aeroplano, con l'aiuto di getti d'aria e radiatori d'aria. A tale altezza, come nello spazio in generale, l'unico modo per trasferire il calore è radiazione termica.

Composizione dell'atmosfera

Composizione dell'aria secca

L'atmosfera terrestre è costituita principalmente da gas e varie impurità (polvere, gocce d'acqua, cristalli di ghiaccio, sali marini, prodotti della combustione).

La concentrazione dei gas che compongono l'atmosfera è pressoché costante, ad eccezione dell'acqua (H 2 O) e dell'anidride carbonica (CO 2).

Composizione dell'aria secca
Azoto
Ossigeno
Argon
Acqua
Diossido di carbonio
Neon
Elio
Metano
Krypton
Idrogeno
Xeno
Ossido nitroso

L'atmosfera contiene, oltre ai gas indicati in tabella, SO 2, NH 3, CO, ozono, idrocarburi, HCl, HF, coppie hg, io 2 , e NO e molti altri gas in quantità minori. La troposfera contiene costantemente un gran numero di particelle solide e liquide sospese ( bombola spray).

Storia della formazione dell'atmosfera

Secondo la teoria più comune, l'atmosfera terrestre è stata nel tempo in quattro diverse composizioni. Inizialmente era costituito da gas leggeri ( idrogeno e elio) catturato dallo spazio interplanetario. Questo cosiddetto atmosfera primaria(circa quattro miliardi di anni fa). Nella fase successiva, l'attività vulcanica attiva ha portato alla saturazione dell'atmosfera con gas diversi dall'idrogeno (anidride carbonica, ammoniaca, vapore). Questo è come atmosfera secondaria(circa tre miliardi di anni prima dei nostri giorni). Questa atmosfera era rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:

fuoriuscita di gas leggeri (idrogeno ed elio) in spazio interplanetario;

reazioni chimiche che si verificano nell'atmosfera sotto l'influenza di radiazioni ultraviolette, scariche di fulmini e altri fattori.

A poco a poco, questi fattori hanno portato alla formazione atmosfera terziaria, caratterizzato da un contenuto molto più basso di idrogeno e da un contenuto molto più alto di azoto e anidride carbonica (formata a seguito di reazioni chimiche da ammoniaca e idrocarburi).

Azoto

La formazione di una grande quantità di N 2 è dovuta all'ossidazione dell'atmosfera ammoniaca-idrogeno da parte dell'O 2 molecolare, che iniziò a provenire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, a partire da 3 miliardi di anni fa. N 2 viene rilasciato nell'atmosfera anche come risultato della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto. L'azoto viene ossidato dall'ozono a NO nell'alta atmosfera.

L'azoto N 2 entra in reazioni solo in condizioni specifiche (ad esempio durante una scarica di fulmini). L'ossidazione dell'azoto molecolare da parte dell'ozono durante le scariche elettriche viene utilizzata nella produzione industriale di fertilizzanti azotati. Può essere ossidato con un basso consumo energetico e convertito in una forma biologicamente attiva cianobatteri (alghe blu-verdi) e batteri noduli che formano il rizobio simbiosi Insieme a legumi piante, cosiddette. sovescio.

Ossigeno

La composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare radicalmente con l'avvento di organismi viventi, di conseguenza fotosintesi accompagnato dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di anidride carbonica. Inizialmente, l'ossigeno veniva speso per l'ossidazione dei composti ridotti: ammoniaca, idrocarburi, forma di ossido ghiandola contenuto negli oceani, ecc. Al termine di questa fase, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera ha iniziato a crescere. A poco a poco, si formò un'atmosfera moderna con proprietà ossidanti. Poiché ciò ha causato cambiamenti seri e bruschi in molti processi che si verificano in atmosfera, litosfera e biosfera, questo evento è chiamato La catastrofe dell'ossigeno.

In occasione Fanerozoico la composizione dell'atmosfera e il contenuto di ossigeno hanno subito modifiche. Sono correlati principalmente con il tasso di deposizione di rocce sedimentarie organiche. Quindi, durante i periodi di accumulo di carbone, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera, a quanto pare, ha notevolmente superato il livello moderno.

Diossido di carbonio

Il contenuto di CO 2 nell'atmosfera dipende dall'attività vulcanica e dai processi chimici nei gusci della terra, ma soprattutto dall'intensità della biosintesi e decomposizione della materia organica in biosfera Terra. Quasi l'intera biomassa attuale del pianeta (circa 2,4 × 10 12 tonnellate ) si forma a causa dell'anidride carbonica, dell'azoto e del vapore acqueo contenuti nell'aria atmosferica. Sepolto oceano, in paludi e dentro foreste diventa materia organica carbone, olio e gas naturale. (centimetro. Ciclo geochimico del carbonio)

gas nobili

Sorgente di gas inerti - argon, elio e krypton- eruzioni vulcaniche e decadimento di elementi radioattivi. La terra nel suo insieme e l'atmosfera in particolare sono impoverite di gas inerti rispetto allo spazio. Si ritiene che la ragione di ciò risieda nella continua fuoriuscita di gas nello spazio interplanetario.

Inquinamento dell'aria

Recentemente, l'evoluzione dell'atmosfera ha cominciato ad essere influenzata da umano. Il risultato della sua attività fu un costante aumento significativo del contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera dovuto alla combustione di combustibili idrocarburici accumulati in precedenti epoche geologiche. Enormi quantità di CO 2 vengono consumate durante la fotosintesi e assorbite dagli oceani del mondo. Questo gas entra nell'atmosfera per la decomposizione di rocce carbonatiche e sostanze organiche di origine vegetale e animale, oltre che per vulcanismo e attività produttive umane. Negli ultimi 100 anni, il contenuto di CO 2 nell'atmosfera è aumentato del 10%, con la maggior parte (360 miliardi di tonnellate) proveniente dalla combustione di combustibili. Se il tasso di crescita della combustione del carburante continua, nei prossimi 50 - 60 anni la quantità di CO 2 nell'atmosfera raddoppierà e potrebbe portare a cambiamento climatico globale.

La combustione del carburante è la principale fonte di entrambi i gas inquinanti ( COSÌ, NO, COSÌ 2 ). L'anidride solforosa viene ossidata dall'ossigeno atmosferico COSÌ 3 nell'alta atmosfera, che a sua volta interagisce con il vapore acqueo e l'ammoniaca, e il risultante acido solforico (H 2 COSÌ 4 ) e solfato di ammonio ((NH 4 ) 2 COSÌ 4 ) tornare sulla superficie della Terra sotto forma di un cosiddetto. pioggia acida. Utilizzo motori a combustione interna comporta un notevole inquinamento atmosferico con ossidi di azoto, idrocarburi e composti del piombo ( piombo tetraetile Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

L'inquinamento atmosferico da aerosol è causato sia da cause naturali (eruzione vulcanica, tempeste di polvere, trascinamento di goccioline di acqua di mare e pollini vegetali, ecc.) sia dall'attività economica umana (estrazione di minerali e materiali da costruzione, combustione di combustibili, produzione di cemento, ecc. .). L'intensa rimozione su larga scala di particelle solide nell'atmosfera è una delle possibili cause del cambiamento climatico sul pianeta.

L'atmosfera è il guscio gassoso del nostro pianeta che ruota con la Terra. Il gas nell'atmosfera è chiamato aria. L'atmosfera è a contatto con l'idrosfera e copre parzialmente la litosfera. Ma è difficile determinare i limiti superiori. Convenzionalmente, si presume che l'atmosfera si estenda verso l'alto per circa tremila chilometri. Lì scorre senza intoppi nello spazio senz'aria.

La composizione chimica dell'atmosfera terrestre

La formazione della composizione chimica dell'atmosfera iniziò circa quattro miliardi di anni fa. Inizialmente, l'atmosfera era costituita solo da gas leggeri: elio e idrogeno. Secondo gli scienziati, i prerequisiti iniziali per la creazione di un guscio di gas attorno alla Terra erano le eruzioni vulcaniche che, insieme alla lava, emettevano un'enorme quantità di gas. Successivamente iniziò lo scambio gassoso con gli spazi idrici, con gli organismi viventi, con i prodotti della loro attività. La composizione dell'aria è gradualmente cambiata e nella sua forma attuale è stata fissata diversi milioni di anni fa.

I componenti principali dell'atmosfera sono l'azoto (circa il 79%) e l'ossigeno (20%). La restante percentuale (1%) è rappresentata dai seguenti gas: argon, neon, elio, metano, anidride carbonica, idrogeno, kripton, xeno, ozono, ammoniaca, anidride solforosa e azoto, protossido di azoto e monossido di carbonio, inclusi in questo uno percento.

Inoltre, l'aria contiene vapore acqueo e particolato (polline delle piante, polvere, cristalli di sale, impurità di aerosol).

Recentemente, gli scienziati hanno notato non un cambiamento qualitativo, ma quantitativo in alcuni ingredienti dell'aria. E la ragione di ciò è la persona e la sua attività. Solo negli ultimi 100 anni il contenuto di anidride carbonica è aumentato notevolmente! Questo è irto di molti problemi, il più globale dei quali è il cambiamento climatico.

Formazione del tempo e del clima

L'atmosfera gioca un ruolo fondamentale nel modellare il clima e il tempo sulla Terra. Molto dipende dalla quantità di luce solare, dalla natura della superficie sottostante e dalla circolazione atmosferica.

Diamo un'occhiata ai fattori in ordine.

1. L'atmosfera trasmette il calore dei raggi solari e assorbe le radiazioni nocive. Gli antichi greci sapevano che i raggi del Sole cadono su diverse parti della Terra con diverse angolazioni. La stessa parola "clima" nella traduzione dal greco antico significa "pendenza". Quindi, all'equatore, i raggi del sole cadono quasi verticalmente, perché qui fa molto caldo. Più vicino ai poli, maggiore è l'angolo di inclinazione. E la temperatura sta scendendo.

2. A causa del riscaldamento irregolare della Terra, si formano correnti d'aria nell'atmosfera. Sono classificati in base alla loro dimensione. I più piccoli (decine e centinaia di metri) sono i venti locali. Seguono monsoni e alisei, cicloni e anticicloni, zone frontali planetarie.

Tutte queste masse d'aria sono in continuo movimento. Alcuni di loro sono piuttosto statici. Ad esempio, gli alisei che soffiano dai subtropicali verso l'equatore. Il movimento degli altri dipende in gran parte dalla pressione atmosferica.

3. La pressione atmosferica è un altro fattore che influenza la formazione del clima. Questa è la pressione dell'aria sulla superficie terrestre. Come sapete, le masse d'aria si spostano da un'area ad alta pressione atmosferica verso un'area in cui questa pressione è più bassa.

Ci sono 7 zone in totale. L'equatore è una zona di bassa pressione. Inoltre, su entrambi i lati dell'equatore fino alla trentesima latitudine - un'area di alta pressione. Da 30° a 60° - sempre bassa pressione. E da 60° ai poli: una zona di alta pressione. Le masse d'aria circolano tra queste zone. Quelli che vanno dal mare alla terraferma portano pioggia e maltempo, e quelli che soffiano dai continenti portano tempo sereno e asciutto. Nei luoghi in cui le correnti d'aria si scontrano, si formano zone frontali atmosferiche, caratterizzate da precipitazioni e tempo inclemente e ventoso.

Gli scienziati hanno dimostrato che anche il benessere di una persona dipende dalla pressione atmosferica. Secondo gli standard internazionali, la normale pressione atmosferica è di 760 mm Hg. colonna a 0°C. Questa cifra è calcolata per quelle aree di terra che sono quasi al livello del mare. La pressione diminuisce con l'altitudine. Pertanto, ad esempio, per San Pietroburgo 760 mm Hg. - è la norma. Ma per Mosca, che si trova più in alto, la pressione normale è di 748 mm Hg.

La pressione cambia non solo verticalmente, ma anche orizzontalmente. Ciò è particolarmente sentito durante il passaggio dei cicloni.

La struttura dell'atmosfera

L'atmosfera è come una torta a strati. E ogni strato ha le sue caratteristiche.

. Troposferaè lo strato più vicino alla Terra. Lo "spessore" di questo livello cambia man mano che ti allontani dall'equatore. Sopra l'equatore, lo strato si estende verso l'alto per 16-18 km, nelle zone temperate - per 10-12 km, ai poli - per 8-10 km.

È qui che sono contenuti l'80% della massa totale dell'aria e il 90% del vapore acqueo. Qui si formano nuvole, sorgono cicloni e anticicloni. La temperatura dell'aria dipende dall'altitudine della zona. In media scende di 0,65°C ogni 100 metri.

. tropopausa- strato di transizione dell'atmosfera. La sua altezza va da diverse centinaia di metri a 1-2 km. La temperatura dell'aria in estate è più alta che in inverno. Quindi, ad esempio, sopra i poli in inverno -65 ° C. E sopra l'equatore in qualsiasi momento dell'anno è -70 ° C.

. Stratosfera- questo è uno strato, il cui limite superiore corre a un'altitudine di 50-55 chilometri. La turbolenza è bassa qui, il contenuto di vapore acqueo nell'aria è trascurabile. Ma molto ozono. La sua concentrazione massima è ad un'altitudine di 20-25 km. Nella stratosfera, la temperatura dell'aria inizia a salire e raggiunge +0,8 ° C. Ciò è dovuto al fatto che lo strato di ozono interagisce con la radiazione ultravioletta.

. Stratopausa- uno strato intermedio basso tra la stratosfera e la mesosfera che la segue.

. Mesosfera- il limite superiore di questo strato è di 80-85 chilometri. Qui avvengono complessi processi fotochimici che coinvolgono i radicali liberi. Sono loro che forniscono quel delicato bagliore blu del nostro pianeta, che è visto dallo spazio.

La maggior parte delle comete e dei meteoriti brucia nella mesosfera.

. mesopausa- il successivo strato intermedio, la cui temperatura dell'aria è di almeno -90°.

. Termosfera- il limite inferiore inizia a un'altitudine di 80 - 90 km e il limite superiore dello strato passa approssimativamente al segno di 800 km. La temperatura dell'aria è in aumento. Può variare da +500°C a +1000°C. Durante il giorno le escursioni termiche sono di centinaia di gradi! Ma l'aria qui è così rarefatta che la comprensione del termine "temperatura" come immaginiamo non è qui appropriata.

. Ionosfera- unisce mesosfera, mesopausa e termosfera. L'aria qui è costituita principalmente da molecole di ossigeno e azoto, nonché da plasma quasi neutro. I raggi del sole, cadendo nella ionosfera, ionizzano fortemente le molecole d'aria. Nello strato inferiore (fino a 90 km), il grado di ionizzazione è basso. Maggiore è, maggiore è la ionizzazione. Quindi, a un'altitudine di 100-110 km, gli elettroni sono concentrati. Ciò contribuisce alla riflessione delle onde radio corte e medie.

Lo strato più importante della ionosfera è quello superiore, che si trova ad un'altitudine di 150-400 km. La sua particolarità è che riflette le onde radio, e questo contribuisce alla trasmissione di segnali radio su lunghe distanze.

È nella ionosfera che si verifica un fenomeno come l'aurora.

. Esosfera- è costituito da atomi di ossigeno, elio e idrogeno. Il gas in questo strato è molto rarefatto e spesso gli atomi di idrogeno fuoriescono nello spazio. Pertanto, questo livello è chiamato "zona di dispersione".

Il primo scienziato che ha suggerito che la nostra atmosfera ha un peso è stato l'italiano E. Torricelli. Ostap Bender, ad esempio, nel romanzo "The Golden Calf" si è lamentato del fatto che ogni persona fosse pressata da una colonna d'aria del peso di 14 kg! Ma il grande stratega si sbagliava un po'. Una persona adulta sperimenta una pressione di 13-15 tonnellate! Ma non sentiamo questa pesantezza, perché la pressione atmosferica è bilanciata dalla pressione interna di una persona. Il peso della nostra atmosfera è di 5.300.000.000.000.000 di tonnellate. La cifra è colossale, anche se è solo un milionesimo del peso del nostro pianeta.

A livello del mare 1013,25 hPa (circa 760 mmHg). La temperatura media globale dell'aria sulla superficie terrestre è di 15°C, mentre la temperatura varia da circa 57°C nei deserti subtropicali a -89°C in Antartide. La densità dell'aria e la pressione diminuiscono con l'altezza secondo una legge prossima all'esponenziale.

La struttura dell'atmosfera. Verticalmente, l'atmosfera ha una struttura a strati, determinata principalmente dalle caratteristiche della distribuzione verticale della temperatura (figura), che dipende dalla posizione geografica, dalla stagione, dall'ora del giorno e così via. Lo strato inferiore dell'atmosfera - la troposfera - è caratterizzato da un calo della temperatura con l'altezza (di circa 6°C per 1 km), la sua altezza va da 8-10 km alle latitudini polari a 16-18 km ai tropici. A causa della rapida diminuzione della densità dell'aria con l'altezza, circa l'80% della massa totale dell'atmosfera si trova nella troposfera. Sopra la troposfera si trova la stratosfera, uno strato caratterizzato in generale da un aumento della temperatura con l'altezza. Lo strato di transizione tra la troposfera e la stratosfera è chiamato tropopausa. Nella bassa stratosfera, fino a un livello di circa 20 km, la temperatura cambia poco con l'altezza (la cosiddetta regione isotermica) e spesso diminuisce anche leggermente. Più in alto, la temperatura aumenta a causa dell'assorbimento della radiazione solare UV da parte dell'ozono, inizialmente lentamente e più velocemente da un livello di 34-36 km. Il limite superiore della stratosfera - la stratopausa - si trova ad un'altitudine di 50-55 km, corrispondente alla temperatura massima (260-270 K). Lo strato dell'atmosfera, situato a un'altitudine di 55-85 km, dove la temperatura scende nuovamente con l'altezza, è chiamato mesosfera, al suo limite superiore - la mesopausa - la temperatura raggiunge i 150-160 K in estate e 200- 230 K in inverno Sopra la mesopausa inizia la termosfera - uno strato, caratterizzato da un rapido aumento della temperatura, che raggiunge valori di 800-1200 K ad un'altitudine di 250 km La radiazione corpuscolare e dei raggi X del Sole viene assorbito nella termosfera, le meteore vengono rallentate e bruciate, quindi svolge la funzione di strato protettivo della Terra. Ancora più alta è l'esosfera, da dove i gas atmosferici vengono dissipati nello spazio mondiale a causa della dissipazione e dove avviene una transizione graduale dall'atmosfera allo spazio interplanetario.

Composizione dell'atmosfera. Fino ad un'altezza di circa 100 km, l'atmosfera è praticamente omogenea nella composizione chimica e il peso molecolare medio dell'aria (circa 29) in essa è costante. Vicino alla superficie terrestre, l'atmosfera è costituita da azoto (circa 78,1% in volume) e ossigeno (circa 20,9%) e contiene anche piccole quantità di argon, anidride carbonica (anidride carbonica), neon e altri componenti costanti e variabili (vedi Aria).

Inoltre, l'atmosfera contiene piccole quantità di ozono, ossidi di azoto, ammoniaca, radon, ecc. Il contenuto relativo dei principali componenti dell'aria è costante nel tempo e uniforme nelle diverse aree geografiche. Il contenuto di vapore acqueo e ozono è variabile nello spazio e nel tempo; nonostante il basso contenuto, il loro ruolo nei processi atmosferici è molto significativo.

Sopra i 100-110 km si verifica la dissociazione delle molecole di ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo, quindi il peso molecolare dell'aria diminuisce. Ad un'altitudine di circa 1000 km, i gas leggeri - elio e idrogeno - iniziano a predominare e, ancora più in alto, l'atmosfera terrestre si trasforma gradualmente in gas interplanetario.

La componente variabile più importante dell'atmosfera è il vapore acqueo, che entra nell'atmosfera attraverso l'evaporazione dalla superficie dell'acqua e dal suolo umido, nonché attraverso la traspirazione delle piante. Il contenuto relativo di vapore acqueo varia vicino alla superficie terrestre dal 2,6% ai tropici allo 0,2% alle latitudini polari. Con l'altezza, cade rapidamente, diminuendo della metà già a un'altezza di 1,5-2 km. La colonna verticale dell'atmosfera alle latitudini temperate contiene circa 1,7 cm dello “strato d'acqua precipitata”. Quando il vapore acqueo si condensa, si formano le nuvole, da cui cadono le precipitazioni atmosferiche sotto forma di pioggia, grandine e neve.

Una componente importante dell'aria atmosferica è l'ozono, concentrato per il 90% nella stratosfera (tra 10 e 50 km), di cui circa il 10% nella troposfera. L'ozono fornisce l'assorbimento della radiazione UV dura (con una lunghezza d'onda inferiore a 290 nm), e questo è il suo ruolo protettivo per la biosfera. I valori del contenuto di ozono totale variano a seconda della latitudine e della stagione e vanno da 0,22 a 0,45 cm (lo spessore dello strato di ozono ad una pressione di p= 1 atm e ad una temperatura di T = 0°C). Nei buchi dell'ozono osservati in primavera in Antartide dall'inizio degli anni '80, il contenuto di ozono può scendere fino a 0,07 cm cresce alle alte latitudini. Una componente variabile essenziale dell'atmosfera è l'anidride carbonica, il cui contenuto nell'atmosfera è aumentato del 35% negli ultimi 200 anni, il che è principalmente spiegato dal fattore antropogenico. Si osserva la sua variabilità latitudinale e stagionale, associata alla fotosintesi delle piante e alla solubilità nell'acqua di mare (secondo la legge di Henry, la solubilità del gas nell'acqua diminuisce all'aumentare della temperatura).

Un ruolo importante nella formazione del clima del pianeta è svolto dall'aerosol atmosferico: particelle solide e liquide sospese nell'aria di dimensioni variabili da diversi nm a decine di micron. Ci sono aerosol di origine naturale e antropica. L'aerosol si forma nel processo di reazioni in fase gassosa dai prodotti della vita vegetale e dell'attività economica umana, eruzioni vulcaniche, a seguito della polvere sollevata dal vento dalla superficie del pianeta, in particolare dalle sue regioni desertiche, ed è formato anche dalla polvere cosmica che entra nell'atmosfera superiore. La maggior parte dell'aerosol è concentrata nella troposfera; l'aerosol delle eruzioni vulcaniche forma il cosiddetto strato di Junge ad un'altitudine di circa 20 km. La maggior quantità di aerosol antropico entra nell'atmosfera a seguito del funzionamento di veicoli e centrali termiche, industrie chimiche, combustione di carburanti, ecc. Pertanto, in alcune aree la composizione dell'atmosfera differisce notevolmente dall'aria ordinaria, che ha richiesto la creazione di un servizio speciale di monitoraggio e controllo del livello di inquinamento atmosferico.

Evoluzione atmosferica. L'atmosfera moderna sembra essere di origine secondaria: si è formata dai gas rilasciati dal guscio solido della Terra dopo che la formazione del pianeta fu completata circa 4,5 miliardi di anni fa. Durante la storia geologica della Terra, l'atmosfera ha subito cambiamenti significativi nella sua composizione sotto l'influenza di una serie di fattori: dissipazione (volatilizzazione) di gas, principalmente quelli più leggeri, nello spazio; rilascio di gas dalla litosfera a causa dell'attività vulcanica; reazioni chimiche tra le componenti dell'atmosfera e le rocce che compongono la crosta terrestre; reazioni fotochimiche nell'atmosfera stessa sotto l'influenza della radiazione solare UV; accrescimento (cattura) della materia del mezzo interplanetario (ad esempio materia meteorica). Lo sviluppo dell'atmosfera è strettamente connesso ai processi geologici e geochimici, e negli ultimi 3-4 miliardi di anni anche con l'attività della biosfera. Una parte significativa dei gas che compongono l'atmosfera moderna (azoto, anidride carbonica, vapore acqueo) si è formata durante l'attività vulcanica e l'intrusione, che li ha portati fuori dalle profondità della Terra. L'ossigeno è apparso in quantità apprezzabili circa 2 miliardi di anni fa come risultato dell'attività di organismi fotosintetici originariamente originati nelle acque superficiali dell'oceano.

Sulla base dei dati sulla composizione chimica dei depositi di carbonato, sono state ottenute stime della quantità di anidride carbonica e ossigeno nell'atmosfera del passato geologico. Durante il Fanerozoico (gli ultimi 570 milioni di anni della storia della Terra), la quantità di anidride carbonica nell'atmosfera variava ampiamente, in accordo con il livello di attività vulcanica, la temperatura dell'oceano e la fotosintesi. La maggior parte di questo tempo, la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera era significativamente superiore a quella attuale (fino a 10 volte). La quantità di ossigeno nell'atmosfera del Fanerozoico è cambiata in modo significativo e ha prevalso la tendenza ad aumentarla. Nell'atmosfera precambriana, la massa di anidride carbonica era, di regola, maggiore, e la massa di ossigeno, minore che nell'atmosfera del Fanerozoico. Le fluttuazioni della quantità di anidride carbonica hanno avuto un impatto significativo sul clima in passato, aumentando l'effetto serra con un aumento della concentrazione di anidride carbonica, per cui il clima durante la parte principale del Fanerozoico era molto più caldo che in l'era moderna.

atmosfera e vita. Senza un'atmosfera, la Terra sarebbe un pianeta morto. La vita organica procede in stretta interazione con l'atmosfera e il clima e il tempo ad essa associati. Insignificante in massa rispetto al pianeta nel suo insieme (circa una milionesima parte), l'atmosfera è una condizione sine qua non per tutte le forme di vita. Ossigeno, azoto, vapore acqueo, anidride carbonica e ozono sono i gas atmosferici più importanti per la vita degli organismi. Quando l'anidride carbonica viene assorbita dalle piante fotosintetiche, viene creata materia organica che viene utilizzata come fonte di energia dalla stragrande maggioranza degli esseri viventi, compreso l'uomo. L'ossigeno è necessario per l'esistenza di organismi aerobici, per i quali l'approvvigionamento energetico è fornito dalle reazioni di ossidazione della materia organica. L'azoto, assimilato da alcuni microrganismi (fissatori di azoto), è necessario per la nutrizione minerale delle piante. L'ozono, che assorbe la forte radiazione UV del sole, attenua significativamente questa parte pericolosa per la vita della radiazione solare. La condensazione del vapore acqueo nell'atmosfera, la formazione di nuvole e la successiva precipitazione delle precipitazioni forniscono acqua alla terra, senza la quale nessuna forma di vita è possibile. L'attività vitale degli organismi nell'idrosfera è in gran parte determinata dalla quantità e dalla composizione chimica dei gas atmosferici disciolti nell'acqua. Poiché la composizione chimica dell'atmosfera dipende in modo significativo dall'attività degli organismi, la biosfera e l'atmosfera possono essere considerate come parte di un unico sistema, il cui mantenimento ed evoluzione (vedi Cicli biogeochimici) è stato di grande importanza per modificare la composizione del atmosfera nel corso della storia della Terra come pianeta.

Irraggiamento, calore e bilancio idrico dell'atmosfera. La radiazione solare è praticamente l'unica fonte di energia per tutti i processi fisici nell'atmosfera. La caratteristica principale del regime di irraggiamento dell'atmosfera è il cosiddetto effetto serra: l'atmosfera trasmette abbastanza bene la radiazione solare sulla superficie terrestre, ma assorbe attivamente la radiazione termica a onde lunghe della superficie terrestre, parte della quale ritorna al superficie sotto forma di controirraggiamento che compensa la perdita di calore radiativo della superficie terrestre (vedi Radiazione atmosferica). In assenza di atmosfera, la temperatura media della superficie terrestre sarebbe di -18°C, in realtà è di 15°C. La radiazione solare in entrata è parzialmente (circa il 20%) assorbita nell'atmosfera (principalmente da vapore acqueo, goccioline d'acqua, anidride carbonica, ozono e aerosol) ed è anche diffusa (circa il 7%) da particelle di aerosol e fluttuazioni di densità (scattering di Rayleigh) . La radiazione totale, che raggiunge la superficie terrestre, viene riflessa parzialmente (circa il 23%). La riflettanza è determinata dalla riflettività della superficie sottostante, il cosiddetto albedo. In media, l'albedo terrestre per il flusso di radiazione solare integrale è vicino al 30%. Varia da una piccola percentuale (terreno secco e terreno nero) al 70-90% per la neve appena caduta. Lo scambio termico radiativo tra la superficie terrestre e l'atmosfera dipende essenzialmente dall'albedo ed è determinato dall'irraggiamento effettivo della superficie terrestre e dalla controirradiazione dell'atmosfera da essa assorbita. La somma algebrica dei flussi di radiazione che entrano nell'atmosfera terrestre dallo spazio esterno e la lasciano indietro è chiamata bilancio di radiazione.

Le trasformazioni della radiazione solare dopo il suo assorbimento da parte dell'atmosfera e della superficie terrestre determinano l'equilibrio termico della Terra come pianeta. La principale fonte di calore per l'atmosfera è la superficie terrestre; il calore da esso viene trasferito non solo sotto forma di radiazione a onda lunga, ma anche per convezione e viene anche rilasciato durante la condensazione del vapore acqueo. Le quote di questi afflussi di calore sono in media rispettivamente del 20%, 7% e 23%. Qui viene aggiunto anche circa il 20% del calore dovuto all'assorbimento della radiazione solare diretta. Il flusso di radiazione solare per unità di tempo attraverso una singola area perpendicolare ai raggi solari e situata al di fuori dell'atmosfera ad una distanza media dalla Terra al Sole (la cosiddetta costante solare) è di 1367 W/m2, le variazioni sono 1-2 W/m 2 a seconda del ciclo di attività solare. Con un albedo planetario di circa il 30%, l'afflusso globale medio di energia solare sul pianeta è di 239 W/m 2 . Poiché la Terra come pianeta emette in media la stessa quantità di energia nello spazio, quindi, secondo la legge di Stefan-Boltzmann, la temperatura effettiva della radiazione termica a onda lunga in uscita è 255 K (-18°C). Allo stesso tempo, la temperatura media della superficie terrestre è di 15°C. La differenza di 33°C è dovuta all'effetto serra.

Il bilancio idrico dell'atmosfera nel suo insieme corrisponde all'uguaglianza tra la quantità di umidità evaporata dalla superficie terrestre e la quantità di precipitazioni che cadono sulla superficie terrestre. L'atmosfera sopra gli oceani riceve più umidità dai processi di evaporazione che sulla terraferma e perde il 90% sotto forma di precipitazioni. Il vapore acqueo in eccesso negli oceani viene trasportato nei continenti dalle correnti d'aria. La quantità di vapore acqueo trasportato nell'atmosfera dagli oceani ai continenti è uguale al volume del flusso del fiume che sfocia negli oceani.

movimento d'aria. La Terra ha una forma sferica, quindi la radiazione solare arriva alle sue alte latitudini molto meno che ai tropici. Di conseguenza, sorgono grandi contrasti di temperatura tra le latitudini. Anche la posizione relativa degli oceani e dei continenti influisce in modo significativo sulla distribuzione della temperatura. A causa della grande massa delle acque oceaniche e dell'elevata capacità termica dell'acqua, le fluttuazioni stagionali della temperatura della superficie dell'oceano sono molto inferiori a quelle della terraferma. A questo proposito, alle medie e alte latitudini, la temperatura dell'aria sopra gli oceani è notevolmente inferiore in estate rispetto ai continenti e più alta in inverno.

Il riscaldamento non uniforme dell'atmosfera in diverse regioni del globo provoca una distribuzione della pressione atmosferica non uniforme nello spazio. A livello del mare, la distribuzione della pressione è caratterizzata da valori relativamente bassi vicino all'equatore, un aumento nelle zone subtropicali (cinture di alta pressione) e una diminuzione alle medie e alte latitudini. Allo stesso tempo, nei continenti delle latitudini extratropicali, la pressione è solitamente aumentata in inverno e abbassata in estate, il che è associato alla distribuzione della temperatura. Sotto l'azione di un gradiente di pressione, l'aria subisce un'accelerazione diretta da aree di alta pressione ad aree di bassa pressione, che porta al movimento delle masse d'aria. Le masse d'aria in movimento risentono anche della forza di deflessione della rotazione terrestre (la forza di Coriolis), della forza di attrito, che diminuisce con l'altezza, e nel caso di traiettorie curvilinee, della forza centrifuga. Di grande importanza è la miscelazione turbolenta dell'aria (vedi Turbolenza nell'atmosfera).

Alla distribuzione planetaria della pressione è associato un complesso sistema di correnti d'aria (circolazione generale dell'atmosfera). Sul piano meridionale, in media, vengono tracciate due o tre cellule di circolazione meridionale. Vicino all'equatore, l'aria riscaldata sale e scende nelle zone subtropicali, formando una cellula di Hadley. Là scende anche l'aria della cellula Ferrell inversa. Alle alte latitudini, viene spesso tracciata una cellula polare diretta. Le velocità di circolazione meridionale sono dell'ordine di 1 m/s o meno. A causa dell'azione della forza di Coriolis, nella maggior parte dell'atmosfera si osservano venti occidentali con velocità nella troposfera media di circa 15 m/s. Esistono sistemi eolici relativamente stabili. Questi includono gli alisei - venti che soffiano dalle cinture di alta pressione nelle zone subtropicali all'equatore con una notevole componente orientale (da est a ovest). I monsoni sono abbastanza stabili: correnti d'aria che hanno un carattere stagionale chiaramente pronunciato: soffiano dall'oceano alla terraferma in estate e nella direzione opposta in inverno. I monsoni dell'Oceano Indiano sono particolarmente regolari. Alle medie latitudini, il movimento delle masse d'aria è prevalentemente occidentale (da ovest a est). Questa è una zona di fronti atmosferici, su cui sorgono grandi vortici - cicloni e anticicloni, che coprono molte centinaia e persino migliaia di chilometri. I cicloni si verificano anche ai tropici; qui si differenziano per dimensioni più piccole, ma velocità del vento molto elevate, che raggiungono la forza degli uragani (33 m/s o più), i cosiddetti cicloni tropicali. Nell'Atlantico e nel Pacifico orientale sono chiamati uragani e nel Pacifico occidentale sono chiamati tifoni. Nella troposfera superiore e nella stratosfera inferiore, nelle aree che separano la cella diretta della circolazione meridionale di Hadley e la cella di Ferrell inversa, relativamente strette, larghe centinaia di chilometri, si osservano spesso correnti a getto con confini nettamente definiti, all'interno delle quali il vento raggiunge i 100 -150 e anche 200 m/ Con.

Clima e tempo. La differenza nella quantità di radiazione solare che arriva a diverse latitudini sulla superficie terrestre, che è diversa nelle proprietà fisiche, determina la diversità dei climi terrestri. Dall'equatore alle latitudini tropicali, la temperatura dell'aria vicino alla superficie terrestre è in media di 25-30 ° C e cambia poco durante l'anno. Nella zona equatoriale di solito cadono molte precipitazioni, il che crea condizioni per un'umidità eccessiva lì. Nelle zone tropicali, la quantità di precipitazioni diminuisce e in alcune zone diventa molto ridotta. Ecco i vasti deserti della Terra.

Alle latitudini subtropicali e medie, la temperatura dell'aria varia in modo significativo durante l'anno e la differenza tra le temperature estive e invernali è particolarmente ampia nelle aree dei continenti lontane dagli oceani. Pertanto, in alcune zone della Siberia orientale, l'ampiezza annuale della temperatura dell'aria raggiunge i 65°С. Le condizioni di umidificazione a queste latitudini sono molto diverse, dipendono principalmente dal regime della circolazione generale dell'atmosfera e variano notevolmente di anno in anno.

Alle latitudini polari la temperatura rimane bassa durante tutto l'anno, anche se vi è una notevole variazione stagionale. Ciò contribuisce all'ampia distribuzione della copertura di ghiaccio sugli oceani, sulla terraferma e sul permafrost, che occupa oltre il 65% dell'area russa, principalmente in Siberia.

Negli ultimi decenni, i cambiamenti nel clima globale sono diventati sempre più evidenti. La temperatura aumenta più alle alte latitudini che alle basse latitudini; più in inverno che in estate; più di notte che di giorno. Nel corso del 20 ° secolo, la temperatura media annuale dell'aria vicino alla superficie terrestre in Russia è aumentata di 1,5-2 ° C e in alcune regioni della Siberia si osserva un aumento di diversi gradi. Ciò è associato ad un aumento dell'effetto serra dovuto all'aumento della concentrazione di piccole impurità gassose.

Il tempo è determinato dalle condizioni della circolazione atmosferica e dalla posizione geografica della zona, è più stabile ai tropici e più mutevole alle medie e alte latitudini. Soprattutto, il tempo cambia nelle zone di cambio delle masse d'aria, a causa del passaggio di fronti atmosferici, cicloni e anticicloni, portando precipitazioni e aumentando i venti. I dati per le previsioni meteorologiche vengono raccolti da stazioni meteorologiche a terra, navi e aerei e satelliti meteorologici. Vedi anche meteorologia.

Fenomeni ottici, acustici ed elettrici nell'atmosfera. Quando la radiazione elettromagnetica si propaga nell'atmosfera, a causa della rifrazione, dell'assorbimento e della dispersione della luce da parte dell'aria e di varie particelle (aerosol, cristalli di ghiaccio, gocce d'acqua), sorgono vari fenomeni ottici: arcobaleno, corone, aureola, miraggio, ecc. Luce la dispersione determina l'altezza apparente del firmamento e il colore azzurro del cielo. Il raggio di visibilità degli oggetti è determinato dalle condizioni di propagazione della luce nell'atmosfera (vedi Visibilità atmosferica). La trasparenza dell'atmosfera a diverse lunghezze d'onda determina il raggio di comunicazione e la possibilità di rilevare oggetti con strumenti, compresa la possibilità di osservazioni astronomiche dalla superficie terrestre. Per gli studi sulle disomogeneità ottiche nella stratosfera e nella mesosfera, il fenomeno del crepuscolo gioca un ruolo importante. Ad esempio, fotografare il crepuscolo da un veicolo spaziale consente di rilevare strati di aerosol. Le caratteristiche della propagazione della radiazione elettromagnetica nell'atmosfera determinano l'accuratezza dei metodi per il telerilevamento dei suoi parametri. Tutte queste domande, come molte altre, sono studiate dall'ottica atmosferica. La rifrazione e la diffusione delle onde radio determinano le possibilità di ricezione radio (vedi Propagazione delle onde radio).

La propagazione del suono nell'atmosfera dipende dalla distribuzione spaziale della temperatura e dalla velocità del vento (vedi Acustica atmosferica). Interessante per il telerilevamento dell'atmosfera. Le esplosioni di cariche lanciate da razzi nell'alta atmosfera hanno fornito una grande quantità di informazioni sui sistemi eolici e sull'andamento della temperatura nella stratosfera e nella mesosfera. In un'atmosfera stabilmente stratificata, quando la temperatura scende con l'altezza più lentamente del gradiente adiabatico (9,8 K/km), si formano le cosiddette onde interne. Queste onde possono propagarsi verso l'alto nella stratosfera e persino nella mesosfera, dove si attenuano, contribuendo all'aumento del vento e della turbolenza.

La carica negativa della Terra e il campo elettrico da essa causato, l'atmosfera, insieme alla ionosfera e alla magnetosfera caricate elettricamente, creano un circuito elettrico globale. Un ruolo importante è svolto dalla formazione di nuvole e dall'elettricità dei fulmini. Il pericolo di scariche di fulmini ha reso necessario lo sviluppo di metodi per la protezione contro i fulmini di edifici, strutture, linee elettriche e comunicazioni. Questo fenomeno è particolarmente pericoloso per l'aviazione. Le scariche di fulmini causano interferenze radio atmosferiche, chiamate atmosferiche (vedi Atmosfere sibilanti). Durante un forte aumento dell'intensità del campo elettrico, si osservano scariche luminose che si formano sulle punte e sugli spigoli vivi di oggetti che sporgono dalla superficie terrestre, su singole vette delle montagne, ecc. (luci di Elma). L'atmosfera contiene sempre un numero di ioni leggeri e pesanti, che varia notevolmente a seconda delle condizioni specifiche, che determinano la conducibilità elettrica dell'atmosfera. I principali ionizzatori d'aria in prossimità della superficie terrestre sono la radiazione di sostanze radioattive contenute nella crosta terrestre e nell'atmosfera, nonché i raggi cosmici. Vedi anche elettricità atmosferica.

L'influenza umana sull'atmosfera. Negli ultimi secoli si è registrato un aumento della concentrazione di gas serra nell'atmosfera a causa delle attività umane. La percentuale di anidride carbonica è aumentata da 2,8-10 2 duecento anni fa a 3,8-10 2 nel 2005, il contenuto di metano - da 0,7-10 1 circa 300-400 anni fa a 1,8-10 -4 all'inizio del 21 ° secolo; circa il 20% dell'aumento dell'effetto serra nell'ultimo secolo è stato dato dai freon, che praticamente non esistevano nell'atmosfera fino alla metà del 20° secolo. Queste sostanze sono riconosciute come dannose per l'ozono stratosferico e la loro produzione è vietata dal Protocollo di Montreal del 1987. L'aumento della concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera è causato dalla combustione di quantità sempre maggiori di carbone, petrolio, gas e altri combustibili di carbonio, nonché dalla deforestazione, con conseguente diminuzione dell'assorbimento di anidride carbonica attraverso la fotosintesi. La concentrazione di metano aumenta con la crescita della produzione di petrolio e gas (a causa delle sue perdite), nonché con l'espansione delle colture di riso e l'aumento del numero di bovini. Tutto ciò contribuisce al riscaldamento climatico.

Per cambiare il tempo sono stati sviluppati metodi di influenza attiva sui processi atmosferici. Sono utilizzati per proteggere le piante agricole dai danni della grandine disperdendo speciali reagenti nelle nubi temporalesche. Esistono anche metodi per dissipare la nebbia negli aeroporti, proteggere le piante dal gelo, influenzare le nuvole per aumentare le precipitazioni nei punti giusti o per disperdere le nuvole durante eventi pubblici.

Studio dell'atmosfera. Le informazioni sui processi fisici nell'atmosfera sono ottenute principalmente dalle osservazioni meteorologiche, che sono effettuate da una rete globale di stazioni meteorologiche permanenti e postazioni dislocate in tutti i continenti e su molte isole. Le osservazioni giornaliere forniscono informazioni su temperatura e umidità dell'aria, pressione atmosferica e precipitazioni, nuvolosità, vento, ecc. Le osservazioni della radiazione solare e delle sue trasformazioni vengono effettuate presso stazioni attinometriche. Di grande importanza per lo studio dell'atmosfera sono le reti di stazioni aerologiche, dove vengono effettuate misurazioni meteorologiche con l'ausilio di radiosonde fino ad un'altezza di 30-35 km. In un certo numero di stazioni si osservano l'ozono atmosferico, i fenomeni elettrici nell'atmosfera e la composizione chimica dell'aria.

I dati delle stazioni di terra sono integrati dalle osservazioni sugli oceani, dove operano le "navi meteorologiche", dislocate permanentemente in alcune aree dell'Oceano Mondiale, nonché dalle informazioni meteorologiche ricevute dalla ricerca e da altre navi.

Negli ultimi decenni, una quantità crescente di informazioni sull'atmosfera è stata ottenuta con l'ausilio di satelliti meteorologici, sui quali sono installati strumenti per fotografare le nuvole e misurare i flussi di radiazione ultravioletta, infrarossa e microonde del Sole. I satelliti consentono di ottenere informazioni sui profili di temperatura verticali, la nuvolosità e il suo contenuto d'acqua, gli elementi del bilancio di radiazione atmosferica, la temperatura della superficie oceanica, ecc. Utilizzando le misurazioni della rifrazione dei segnali radio da un sistema di satelliti di navigazione, è possibile determinare i profili verticali di densità, pressione e temperatura, nonché il contenuto di umidità nell'atmosfera. Con l'aiuto dei satelliti è diventato possibile chiarire il valore della costante solare e dell'albedo planetario della Terra, costruire mappe dell'equilibrio di radiazione del sistema Terra-atmosfera, misurare il contenuto e la variabilità di piccole impurità atmosferiche e risolvere molti altri problemi di fisica atmosferica e monitoraggio ambientale.

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GS Golitsyn, NA Zaitseva.

L'atmosfera è una delle componenti più importanti del nostro pianeta. È lei che "ripara" le persone dalle dure condizioni dello spazio esterno, come la radiazione solare e i detriti spaziali. Tuttavia, molti fatti sull'atmosfera sono sconosciuti alla maggior parte delle persone.

1. Il vero colore del cielo

Anche se è difficile da credere, il cielo è in realtà viola. Quando la luce entra nell'atmosfera, le particelle di aria e acqua assorbono la luce, disperdendola. Allo stesso tempo, il colore viola è soprattutto sparso, motivo per cui le persone vedono il cielo blu.

2. Un elemento esclusivo nell'atmosfera terrestre

Come molti ricordano a scuola, l'atmosfera terrestre consiste per circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno e piccole impurità di argon, anidride carbonica e altri gas. Ma poche persone sanno che la nostra atmosfera è l'unica finora scoperta dagli scienziati (oltre alla cometa 67P) che ha ossigeno libero. Poiché l'ossigeno è un gas altamente reattivo, spesso reagisce con altre sostanze chimiche nello spazio. La sua forma pura sulla Terra rende il pianeta abitabile.

3. Striscia bianca nel cielo

Sicuramente, alcuni a volte si sono chiesti perché una striscia bianca rimanga nel cielo dietro un aereo a reazione. Queste scie bianche, note come scie di condensazione, si formano quando i gas di scarico caldi e umidi di un motore aeronautico si mescolano con l'aria esterna più fredda. Il vapore acqueo dei gas di scarico si congela e diventa visibile.

4. Gli strati principali dell'atmosfera

L'atmosfera della Terra è composta da cinque strati principali, che rendono possibile la vita sul pianeta. La prima di queste, la troposfera, si estende dal livello del mare ad un'altitudine di circa 17 km fino all'equatore. La maggior parte degli eventi meteorologici si verificano in esso.

5. Strato di ozono

Lo strato successivo dell'atmosfera, la stratosfera, raggiunge un'altezza di circa 50 km all'equatore. Contiene lo strato di ozono, che protegge le persone dai pericolosi raggi ultravioletti. Anche se questo strato si trova al di sopra della troposfera, in realtà potrebbe essere più caldo a causa dell'energia che assorbe dai raggi solari. La maggior parte degli aerei a reazione e dei palloni meteorologici volano nella stratosfera. Gli aerei possono volare più velocemente al suo interno perché sono meno influenzati dalla gravità e dall'attrito. I palloni meteorologici possono avere un'idea migliore delle tempeste, la maggior parte delle quali si verificano più in basso nella troposfera.

6. Mesosfera

La mesosfera è lo strato intermedio, che si estende per un'altezza di 85 km sopra la superficie del pianeta. La sua temperatura oscilla intorno ai -120° C. La maggior parte delle meteore che entrano nell'atmosfera terrestre bruciano nella mesosfera. Gli ultimi due strati che passano nello spazio sono la termosfera e l'esosfera.

7. La scomparsa dell'atmosfera

Molto probabilmente la Terra ha perso la sua atmosfera diverse volte. Quando il pianeta fu ricoperto da oceani di magma, enormi oggetti interstellari si schiantarono su di esso. Questi impatti, che hanno formato anche la Luna, potrebbero aver formato per la prima volta l'atmosfera del pianeta.

8. Se non ci fossero gas atmosferici ...

Senza vari gas nell'atmosfera, la Terra sarebbe troppo fredda per l'esistenza umana. Il vapore acqueo, l'anidride carbonica e altri gas atmosferici assorbono il calore dal sole e lo "distribuiscono" sulla superficie del pianeta, contribuendo a creare un clima abitabile.

9. Formazione dello strato di ozono

Il famigerato (e importantemente necessario) strato di ozono è stato creato quando gli atomi di ossigeno hanno reagito con la luce ultravioletta del sole per formare ozono. È l'ozono che assorbe la maggior parte delle radiazioni nocive del sole. Nonostante la sua importanza, lo strato di ozono si è formato relativamente di recente dopo che negli oceani è sorta abbastanza vita da rilasciare nell'atmosfera la quantità di ossigeno necessaria per creare una concentrazione minima di ozono.

10. Ionosfera

La ionosfera è così chiamata perché le particelle ad alta energia provenienti dallo spazio e dal sole aiutano a formare ioni, creando uno "strato elettrico" attorno al pianeta. Quando non c'erano satelliti, questo strato aiutava a riflettere le onde radio.

11. Pioggia acida

La pioggia acida, che distrugge intere foreste e devasta gli ecosistemi acquatici, si forma nell'atmosfera quando le particelle di anidride solforosa o di ossido di azoto si mescolano con il vapore acqueo e cadono a terra sotto forma di pioggia. Questi composti chimici si trovano anche in natura: l'anidride solforosa viene prodotta durante le eruzioni vulcaniche e l'ossido nitrico viene prodotto durante i fulmini.

12. Potenza del fulmine

Il fulmine è così potente che una sola scarica può riscaldare l'aria circostante fino a 30.000 ° C. Il rapido riscaldamento provoca un'espansione esplosiva dell'aria vicina, che si sente sotto forma di un'onda sonora chiamata tuono.

L'aurora boreale e l'aurora australe (aurora settentrionale e meridionale) sono causate da reazioni ioniche che avvengono nel quarto livello dell'atmosfera, la termosfera. Quando le particelle di vento solare altamente cariche entrano in collisione con le molecole d'aria sui poli magnetici del pianeta, si illuminano e creano magnifici spettacoli di luce.

14. Tramonti

I tramonti spesso sembrano un cielo in fiamme mentre piccole particelle atmosferiche diffondono la luce, riflettendola in tonalità arancioni e gialle. Lo stesso principio è alla base della formazione degli arcobaleni.

Nel 2013, gli scienziati hanno scoperto che piccoli microbi possono sopravvivere a molti chilometri sopra la superficie terrestre. Ad un'altitudine di 8-15 km sopra il pianeta, sono stati trovati microbi che distruggono le sostanze chimiche organiche che galleggiano nell'atmosfera, "nutrendosi" di esse.

Gli aderenti alla teoria dell'apocalisse e varie altre storie dell'orrore saranno interessati a conoscere.

Impegnato in meteorologia e variazioni a lungo termine - climatologia.

Lo spessore dell'atmosfera è di 1500 km dalla superficie terrestre. La massa totale dell'aria, cioè una miscela di gas che compongono l'atmosfera, è 5,1-5,3 * 10 ^ 15 tonnellate Il peso molecolare dell'aria secca pulita è 29. La pressione a 0 ° C al livello del mare è 101.325 Pa o 760 mm. rt. Arte.; temperatura critica - 140,7 °C; pressione critica 3,7 MPa. La solubilità dell'aria in acqua a 0°C è 0,036%, a 25°C - 0,22%.

Lo stato fisico dell'atmosfera è determinato. I principali parametri dell'atmosfera: densità dell'aria, pressione, temperatura e composizione. All'aumentare dell'altitudine, la densità dell'aria diminuisce. Anche la temperatura cambia con il cambio di altitudine. Il verticale è caratterizzato da diverse proprietà elettriche e termiche, diverse condizioni dell'aria. A seconda della temperatura nell'atmosfera, si distinguono i seguenti strati principali: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, esosfera (sfera di dispersione). Le regioni di transizione dell'atmosfera tra gusci adiacenti sono chiamate rispettivamente tropopausa, stratopausa, ecc.

Troposfera- inferiore, principale, più studiato, con un'altezza nelle regioni polari di 8-10 km, a latitudini temperate fino a 10-12 km, all'equatore - 16-18 km. Nella troposfera sono concentrati circa l'80-90% della massa totale dell'atmosfera e quasi tutto il vapore acqueo. Quando sale ogni 100 m, la temperatura nella troposfera diminuisce in media di 0,65 ° C e raggiunge i -53 ° C nella parte superiore. Questo strato superiore della troposfera è chiamato tropopausa. Nella troposfera, la turbolenza e la convezione sono molto sviluppate, la parte predominante è concentrata, sorgono, si sviluppano nuvole.

Stratosfera- strato dell'atmosfera, situato ad un'altitudine di 11-50 km. Un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (lo strato inferiore della stratosfera) e il suo aumento nello strato di 25-40 km da -56,5 a 0,8 °C (lo strato superiore della stratosfera o la regione di inversione) sono tipico. Raggiunto un valore di 273 K (0 °C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura rimane costante fino ad una quota di 55 km. Questa regione a temperatura costante è chiamata stratopausa ed è il confine tra la stratosfera e la mesosfera.

È nella stratosfera che si trova lo strato ozonosfera("strato di ozono", ad un'altitudine compresa tra 15-20 e 55-60 km), che determina il limite superiore della vita in. Un componente importante della stratosfera e della mesosfera è l'ozono, che si forma a seguito di reazioni fotochimiche più intensamente a un'altitudine di 30 km. La massa totale di ozono a pressione normale sarebbe uno strato spesso 1,7-4 mm, ma anche questo è sufficiente per assorbire i raggi ultravioletti, dannosi per la vita. La distruzione dell'ozono si verifica quando interagisce con i radicali liberi, l'ossido nitrico, i composti contenenti alogeni (compresi i "freon"). L'ozono - un'allotropia dell'ossigeno, si forma a seguito della seguente reazione chimica, di solito dopo la pioggia, quando il composto risultante sale agli strati superiori della troposfera; l'ozono ha un odore specifico.

La maggior parte della parte a lunghezza d'onda corta della radiazione ultravioletta (180-200 nm) viene trattenuta nella stratosfera e l'energia delle onde corte viene trasformata. Sotto l'influenza di questi raggi, i campi magnetici cambiano, le molecole si rompono, si verificano ionizzazione, nuova formazione di gas e altri composti chimici. Questi processi possono essere osservati sotto forma di aurora boreale, fulmini e altri bagliori. Non c'è quasi vapore acqueo nella stratosfera.

Mesosfera parte da un'altitudine di 50 km e si estende fino a 80-90 km. ad un'altezza di 75-85 km si scende a -88 °С. Il limite superiore della mesosfera è la mesopausa.

Termosfera(un altro nome è ionosfera) - lo strato dell'atmosfera che segue la mesosfera - inizia a un'altitudine di 80-90 km e si estende fino a 800 km. La temperatura dell'aria nella termosfera aumenta rapidamente e costantemente e raggiunge diverse centinaia e persino migliaia di gradi.

Esosfera- zona di scattering, la parte esterna della termosfera, situata al di sopra degli 800 km. Il gas nell'esosfera è altamente rarefatto e quindi le sue particelle perdono nello spazio interplanetario (dissipazione).
Fino a un'altezza di 100 km, l'atmosfera è una miscela di gas omogenea (monofase) ben miscelata. Negli strati più alti, la distribuzione dei gas in altezza dipende dal loro peso molecolare, la concentrazione dei gas più pesanti diminuisce più velocemente con la distanza dalla superficie terrestre. A causa della diminuzione della densità del gas, la temperatura scende da 0 °C nella stratosfera a -110 °C nella mesosfera. Tuttavia, l'energia cinetica delle singole particelle ad altitudini di 200-250 km corrisponde a una temperatura di circa 1500 °C. Oltre i 200 km si osservano significative fluttuazioni di temperatura e densità del gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3000 km, l'esosfera passa gradualmente nel cosiddetto vuoto spaziale vicino, che è riempito con particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas è solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è composta da particelle simili a polvere di origine cometaria e meteorica. Oltre a queste particelle estremamente rarefatte, in questo spazio penetrano radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari di origine solare e galattica.

La troposfera rappresenta circa l'80% della massa dell'atmosfera, la stratosfera rappresenta circa il 20%; la massa della mesosfera non è superiore allo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. Sulla base delle proprietà elettriche nell'atmosfera, si distinguono la neutrosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda fino a un'altitudine di 2000-3000 km.

A seconda della composizione del gas nell'atmosfera, si distinguono omosfera ed eterosfera. eterosfera- questa è l'area in cui la gravità influisce sulla separazione dei gas, perché. la loro miscelazione a questa altezza è trascurabile. Da qui segue la composizione variabile dell'eterosfera. Sotto di essa si trova una parte omogenea e ben mescolata dell'atmosfera chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa e si trova a un'altitudine di circa 120 km.

Pressione atmosferica: la pressione dell'aria atmosferica sugli oggetti in essa contenuti e sulla superficie terrestre. La pressione atmosferica normale è di 760 mm Hg. Arte. (101 325 Pa). Per ogni chilometro di aumento di quota, la pressione diminuisce di 100 mm.

Composizione dell'atmosfera

Il guscio d'aria della Terra, costituito principalmente da gas e varie impurità (polvere, gocce d'acqua, cristalli di ghiaccio, sali marini, prodotti della combustione), la cui quantità non è costante. I gas principali sono azoto (78%), ossigeno (21%) e argon (0,93%). La concentrazione dei gas che compongono l'atmosfera è pressoché costante, ad eccezione dell'anidride carbonica CO2 (0,03%).

L'atmosfera contiene anche SO2, CH4, NH3, CO, idrocarburi, HC1, HF, vapore di Hg, I2, così come NO e molti altri gas in piccole quantità. Nella troposfera è costantemente presente una grande quantità di particelle solide e liquide in sospensione (aerosol).