> > Атмосфера Землі

Опис атмосфери Землідля дітей різного віку: з чого складається повітря, наявність газів, шари з фото, клімат та погода третьої планети Сонячної системи.

Для наймолодшихвже відомо, що Земля виступає єдиною планетою в нашій системі, яка має життєздатну атмосферу. Газове покривало не лише багате на повітря, а й захищає нас від надмірного нагрівання та сонячного випромінювання. Важливо пояснити дітям, Що система влаштована неймовірно вдало, адже дозволяє поверхні прогріватися вдень і остигати вночі, зберігаючи допустимий баланс.

Почати пояснення для дітейМожна сказати, що куля земної атмосфери поширюється на 480 км, але більшість перебуває у 16 ​​км від поверхні. Чим більша висота, тим нижчий тиск. Якщо брати рівень моря, там тиск дорівнює 1 кг на квадратний сантиметр. А ось на висоті 3 км, воно зміниться – 0.7 кг на квадратний сантиметр. Звичайно, в таких умовах дихати складніше. дітимогли це відчути, якщо колись вирушали у похід у гори).

Склад повітря Землі – пояснення для дітей

Серед газів розрізняють:

• Азот – 78%.
• Кисень – 21%.
• Аргон – 0,93%.
• Двоокис вуглецю – 0.038%.
• У невеликих кількостях є водяна пара та інші домішки газів.

Атмосферні шари Землі – пояснення для дітей

Батькиабо вчителі в школіповинні нагадати, що земна атмосфера поділяється на 5 рівнів: екзосфера, термосфера, мезосфера, стратосфера та тропосфера. З кожним шаром атмосфера розчиняється дедалі більше, доки гази остаточно не розсіються у просторі.

Тропосфера знаходиться ближче до поверхні. З товщиною 7-20 км вона становить половину земної атмосфери. Що ближче до Землі, то сильніше прогрівається повітря. Тут зібрана майже вся водяна пара і пил. Діти можуть не дивуватися, що саме на цьому рівні плавають хмари.

Стратосфера починається від тропосфери та піднімається на 50 км над поверхнею. Тут багато озону, що нагріває атмосферу та рятує від шкідливого сонячного випромінювання. Повітря в 1000 разів тонше, ніж над рівнем моря і надзвичайно сухе. Саме тому тут чудово почуваються літаки.

Мезосфера: від 50 км. до 85 км. над поверхнею. Вершина називається мезопаузою і є найбільш прохолодним місцем у земній атмосфері (-90°C). Її дуже складно досліджувати, бо туди не можуть підібратися реактивні літаки, а орбітальна висота супутників надто висока. Вчені лише знають, що саме тут згоряють метеори.

Термосфера: 90 км. і між 500-1000 км. Температура сягає 1500°C. Її вважають частиною земної атмосфери, але важливо пояснити дітям, Що щільність повітря тут настільки низька, що більшість сприймається вже як космічний простір. Фактично саме тут розміщуються космічні шатли та Міжнародна космічна станція. Крім того, тут утворюються полярні сяйва. Заряджені космічні частинки стикаються з атомами і молекулами термосфери, переводячи їх у більш високий енергетичний рівень. Завдяки цьому ми бачимо ці фотони світла у вигляді полярного сяйва.

Екзосфера – найвищий прошарок. Неймовірно тонка лінія злиття атмосфери із космосом. Складається з широко розсіяних водневих та гелієвих частинок.

Клімат та погода Землі - пояснення для дітей

Для наймолодшихпотрібно пояснити, що Землі вдається утримувати безліч живих видів завдяки регіональному клімату, який представлений екстремальним холодом на полюсах та тропічним теплом на екваторі. Дітиповинні знати, що регіональний клімат – це погода, яка у конкретній ділянці залишається незмінною 30 років. Звичайно, іноді вона може змінюватися на кілька годин, але здебільшого залишається стабільною.

З іншого боку, виділяють і світовий земний клімат – середній показник регіонального. Він змінювався протягом всієї людської історії. Сьогодні спостерігається стрімке потепління. Вчені б'ють на сполох, оскільки парникові гази, викликані людською діяльністю, утримують тепло в атмосфері, ризикуючи перетворити нашу планету на Венеру.

Атмосфера Землі неоднорідна: на різних висотах спостерігаються різна щільність повітря та тиск, змінюється температура та газовий склад. З поведінки температури навколишнього повітря (тобто. зростає температура з висотою чи знижується) у ній виділяються такі верстви: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Межі між шарами називають паузами: їх налічується 4, т.к. верхня межа екзосфери дуже розмита і часто належить до ближнього космосу. Із загальною будовою атмосфери можна ознайомитися на схемі, що додається.

Рис.1 Будова атмосфери Землі. Credit: сайт

Найнижчий атмосферний шар - тропосфера, верхня межа якої, звана тропопаузою, залежно від географічної широти відрізняється і становить від 8 км. у полярних до 20 км. у тропічних широтах. У середніх або помірних широтах її верхня межа лежить на висотах 10-12 км. Протягом року верхня межа тропосфери зазнає коливань, що залежать від надходження сонячної радіації. Так у результаті зондування біля Південного полюса Землі метеорологічною службою США було виявлено, що з березня до серпня або вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, внаслідок якого на короткий період у серпні чи вересні її кордон піднімається до 11,5 км. Потім, у період з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого становища - 7,5 км, після якого її висота практично не змінюється до березня. Тобто. Найбільшою товщиною тропосфера досягає влітку, а найменшою взимку.

Крім сезонних існують і добові коливання висоти тропопаузи. Також її становище впливають циклони і антициклони: у перших вона опускається, т.к. тиск у них нижче ніж у навколишньому повітрі, по-друге, відповідно піднімається.

Тропосфера містить до 90% всієї маси земного повітря та 9/10 усієї водяної пари. Тут сильно розвинена турбулентність, особливо в приповерхневих та найвищих шарах, розвиваються хмари всіх ярусів, формуються циклони та антициклони. А завдяки накопиченню парниковими газами (вуглекислий газ, метан, водяна пара) відбитих від поверхні Землі сонячних променів розвивається парниковий ефект.

З парниковим ефектом пов'язане зниження температури повітря на тропосфері з висотою (т.к. нагріта Земля більше тепла дає приземним шарам). Середній вертикальний градієнт становить 0,65°/100 м (тобто температура повітря знижується на 0,65° C під час підйому кожні 100 метрів). Тож у поверхні Землі у районі екватора середньорічна температура повітря становить +26° то верхній кордоні -70°. Температура у районі тропопаузи над північним полюсом протягом року змінюється від -45° влітку до -65° взимку.

Зі зростанням висоти падає і тиск повітря, становлячи біля верхньої межі тропосфери лише 12-20% від приповерхневого.

На межі тропосфери і шару стратосфери лежить шар тропопаузи, товщиною 1-2 км. Як нижні межі тропопаузи зазвичай приймається шар повітря в якому вертикальний градієнт знижується до 0,2°/100 м проти 0,65°/100 м у районах тропосфери, що знаходяться нижче.

У межах тропопаузи спостерігаються повітряні потоки строго певного напрями, звані висотні струменеві течії чи " реактивні потоки " (jet streams), що утворюються під впливом обертання Землі навколо своєї осі та нагрівання атмосфери з участю сонячної радіації. Спостерігаються течії на межах зон із значними перепадами температур. Виділяють кілька вогнищ локалізації цих течій, наприклад, арктичний, субтропічний, субполярний та інші. Знання локалізації jet streams дуже важливе для метеорології та авіації: перша використовує потоки для точного прогнозування погоди, друга для побудови маршрутів польотів літаків, т.к. на межах потоків існують сильні турбулентні вихори, подібні до невеликих вир, звані через відсутність на цих висотах хмарності "турбулентністю ясного неба".

Під впливом висотних струменевих течій у тропопаузі часто утворюються розриви, а часом вона взагалі зникає, правда потім утворюється наново. Особливо часто це спостерігається в субтропічних широтах, над якими панує потужна субтропічна висотна течія. Крім того, до формування розривів призводить різниця шарів тропопаузи за температурою навколишнього повітря. Наприклад, великий розрив існує між теплою та низькою полярною тропопаузою та високою та холодною тропопаузою тропічних широт. Останнім часом виділяється і шар тропопаузи помірних широт, який має розриви з попередніми двома шарами: полярним та тропічним.

Другим шаром земної атмосфери є стратосфера. Стратосферу умовно можна поділити на дві області. Перша з них, що лежить до висот 25 км, характеризується майже постійними температурами, які рівні температур верхніх шарів тропосфери над конкретною місцевістю. Друга область або область інверсії характеризується підвищенням температури повітря до висот приблизно 40 км. Це відбувається за рахунок поглинання киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. У верхній частині стратосфери завдяки цьому прогріву температура часто є позитивною або навіть порівнянною з температурою повітря.

Вище області інверсії знаходиться шар постійних температур, що зветься стратопаузи і є межею між стратосферою та мезосферою. Її товщина сягає 15 км.

На відміну від тропосфери в стратосфері рідкісні турбулентні обурення, зате відзначені сильні горизонтальні вітри або струменеві течії, що дмуть у вузьких зонах уздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Становище цих зон непостійне: можуть зміщуватися, розширюватися і навіть зовсім зникати. Часто струменеві течії проникають у верхні шари тропосфери, або навпаки маси повітря з тропосфери проникають у нижні шари стратосфери. Особливо характерним є подібне перемішування мас повітря в районах атмосферних фронтів.

Мало в стратосфері та водяної пари. Повітря тут дуже сухе, а тому і хмар утворюється мало. Лише на висотах 20-25 км, перебуваючи у високих широтах, можна помітити дуже тонкі перламутрові хмари, що складаються з переохолоджених водяних крапель. Вдень ці хмари не видно, зате з настанням темряви вони здаються сонцем, що світилося через освітлення, що вже сів за горизонт.

На цих же висотах (20-25 км.) в нижній стратосфері існує так званий озоновий шар - область з найбільшим вмістом озону, який утворюється під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання (докладніше про цей процес ви можете дізнатися на сторінці). Озоновий шар або озоносфера має надзвичайну важливість для підтримки життя всіх організмів, що живуть на суші, поглинаючи смертельно небезпечні ультрафіолетові промені з довжиною хвилі до 290 нм. Саме тому вище озонового шару живі організми не живуть, він є верхньою межею поширення життя на Землі.

Під впливом озону змінюються магнітні поля, атоми розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук.

Шар атмосфери, що лежить вище стратосфери, називається мезосферою. Для нього характерне зниження температури повітря з висотою із середнім вертикальним градієнтом 0,25-0,3°/100 м, що призводить до сильної турбулентності. У верхніх кордонів мезосфери в області званої мезопаузою були відзначені температури до -138 ° С, що є абсолютним мінімумом для всієї атмосфери Землі загалом.

Тут же в межах мезопаузи проходить нижня межа області активного поглинання рентгенівського та короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. Подібний енергетичний процес отримав назву променистий теплообмін. В результаті відбувається нагрівання та іонізація газу, що зумовлює свічення атмосфери.

На висотах 75-90 км біля верхніх кордонів мезосфери було відзначено спеціальні хмари, які у полярних регіонах планети великі площі. Називають ці хмари сріблястими через їх свічення в сутінках, що з відображенням сонячних променів від крижаних кристалів, у тому числі ці хмари складаються.

Тиск повітря в межах мезопаузи в 200 разів менше, ніж у земної поверхні. Це говорить про те, що майже все повітря атмосфери зосереджений у її трьох нижніх шарах: тропосфері, стратосфері та мезосфері. На верхні шари термосферу і екзосферу припадає лише 0,05% маси всієї атмосфери.

Термосфера лежить на висотах від 90 до 800 км. над поверхнею Землі.

Для термосфери характерне безперервне зростання температури повітря до висот 200-300 км, де може досягати 2500°C. Зростання температури відбувається рахунок поглинання молекулами газу рентгенівського і короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Понад 300 км над рівнем моря зростання температури припиняється.

Одночасно зі зростанням температури знижується тиск, і, отже, щільність навколишнього повітря. Так якщо у нижніх меж термосфери щільність становить 1,8×10 -8 г/см 3 , то у верхніх вже 1,8×10 -15 г/см 3 , що відповідає приблизно 10 млн. - 1 млрд. частинок в 1 см 3 .

Всі характеристики термосфери, такі як склад повітря, його температура, щільність, схильні до сильних коливань: залежно від географічного положення, сезону року та доби. Змінюється навіть розташування верхньої межі термосфери.

Найвищий шар атмосфери називається екзосферою або шаром розсіювання. Його нижня межа постійно змінюється у дуже широких межах; за середню величину прийнята висота 690-800 км. Встановлюється вона там, де ймовірністю міжмолекулярних чи міжатомних зіткнень можна знехтувати, тобто. середня відстань, яку подолає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою (т.зв. вільний пробіг) буде настільки велика, що фактично молекули з ймовірністю близькою до нуля не зіткнутися. Шар де має місце позначатися описане явище називається термопаузою.

Верхня межа екзосфери лежить на висотах 2-3 тис. км. Вона сильно розмита і поступово перетворюється на близькокосмічний вакуум. Іноді, з цієї причини, екзосферу вважають частиною космічного простору, а за її верхню межу приймають висоту 190 тис.км, де вплив тиску сонячного випромінювання швидкості атомів водню перевищує гравітаційне тяжіння Землі. Це т.зв. земна корона, що складається з атомів водню. Щільність земної корони дуже мала: всього 1000 частинок у кубічному сантиметрі, але це число більш ніж 10 разів перевищує концентрацію частинок в міжпланетному просторі.

У зв'язку з надзвичайною розрідженістю повітря екзосфери частинки рухаються навколо Землі по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. Деякі з них, рухаючись по розімкнених або гіперболічних траєкторіях з космічними швидкостями (атоми водню та гелію) залишають межі атмосфери і йдуть у космічний простір, через що екзосферу називають сферою розсіювання.

Атмосфера є зовнішньою оболонкою небесних тіл. На різних планетах вона відрізняється за складом, хімічними та фізичними властивостями. Якими є основні властивості атмосфери Землі? Із чого вона складається? Як і коли виникло? Дізнаємося про це далі.

Утворення атмосфери

Атмосфера - це суміш газів, які огортають планету зовні та утримуються за рахунок її гравітаційних сил. У момент освіти наша планета ще мала газової оболонки. Вона сформувалася трохи пізніше і встигла неодноразово змінитись. До кінця невідомо, якими були основні властивості атмосфери.

Вчені припускають, що найперша атмосфера була підхоплена із сонячної туманності та складалася з гелію та водню. Високі температури планети та вплив сонячного вітру швидко зруйнували цю оболонку.

Наступна атмосфера утворилася завдяки вулканам, які вивільнили гази з води. Вона була тонкою і складалася з парникових газів (метану, вуглекислого газу, аміаку), водяної пари та кислот.

Два мільярди років тому стан атмосфери почав трансформуватися в теперішнє. Участь у цьому брали зовнішні процеси (вивітрювання, активність Сонця) на планеті та перші бактерії та водорості, за рахунок виділення ними кисню.

Склад та властивості атмосфери

Газова оболонка нашої планети немає чіткого краю. Її зовнішній контур розмитий і поступово перетворюється на космічний простір, зливаючись із нею однорідну масу. Внутрішній край оболонки стикається із земною корою та гідросферою Землі.

Те, якими є основні властивості атмосфери, багато в чому визначається її складом. Здебільшого він представлений газами. Основна частка посідає азот (75,5 %) і кисень (23,1 %). Крім них атмосферне повітря складається з аргону, вуглекислого газу, водню, метану, гелію, ксенону тощо.

Концентрація речовин мало змінюється. Непостійні значення характерні для води та визначається кількістю рослинності. Вода міститься у вигляді водяної пари. Її кількість варіюється в залежності від географічних широт і становить 2,5%. В атмосфері також є продукти горіння, морська сіль, домішки пилу, лід у вигляді дрібних кристалів.

Фізичні властивості атмосфери

Основні характеристики атмосфери - тиск, вологість, температура і щільність. У кожному із шарів атмосфери їх значення відрізняються. Повітря оболонки Землі – це безліч молекул різних речовин. Сили тяжіння утримують їх у межах планети, стягуючи ближче до її поверхні.

Внизу молекул найбільше, тому щільність і тиск там більша. З висотою вони зменшуються, а космічному просторі стають практично непомітними. У нижніх шарах атмосфери тиск зменшується на 1 мм рт. ст. за кожні 10 метрів.

На відміну від поверхні планети, атмосфера не нагрівається Сонцем. Тому що ближче до Землі, то температура більша. На кожні сто метрів вона знижується приблизно на 0,6 градуси. У верхній частині тропосфери вона сягає -56 градусів.

На параметри повітря сильно впливає вміст води, тобто вологість. Загальна маса повітря планети становить (5,1-5,3) 10 18 кг, де частка водяної пари - 1,27 10 16 кг. Так як властивості атмосфери на різних ділянках відрізняються, виведено стандартні значення, які прийняті за нормальні умови на поверхні Землі:

Будова газової оболонки Землі

Характер газової оболонки змінюється із висотою. Залежно від цього, які основні властивості атмосфери, її поділяють кілька шарів:

• тропосфера;
• стратосфера;
• мезосфера;
• термосфера;
• екзосфера.

Головним параметром розмежування є температура. Між шарами виділяють прикордонні області, названі паузами, де фіксується постійний показник температури.

Тропосфера – найнижчий шар. Його межа проходить на висоті від 8 до 18 км, залежно від широти. Найвище вона на лінії екватора. Приблизно 80% маси повітря атмосфери посідає саме тропосферу.

Зовнішній шар атмосфери представлений екзосферою. Її нижня межа та товщина залежать від активності Сонця. На Землі екзосфера починається на висоті від 500 до 1000 кілометрів і сягає ста тисяч кілометрів. Внизу вона насичена киснем та азотом, вгорі – воднем та іншими легкими газами.

Роль атмосфери

Атмосфера – це повітря, яким ми дихаємо. Без нього людина не проживе й п'яти хвилин. Він насичує всі клітини рослин та тварин, сприяючи обміну енергіями між організмом та зовнішнім середовищем.

Атмосфера є фільтром планети. Проходячи через неї, сонячна радіація розсіюється. Це зменшує її інтенсивність і шкоду, яку вона може завдати в концентрованому вигляді. Оболонка грає роль щита Землі, у верхніх шарах якого згоряють багато метеорити та комети, не долітаючи до поверхні планети.

Температура, щільність, вологість та тиск атмосфери формують клімат та погодні умови. Атмосфера бере участь у розподілі тепла планети. Без неї температура коливалася б у межах двохсот градусів.

Оболонка Землі бере участь у кругообігу речовин, є місцем існування частини живих істот, сприяє передачі звуків. Її відсутність унеможливило б існування життя на планеті.

Атмосфера простягається на багато сотень кілометрів. Верхня її межа на висоті близько 2000-3000 км,певною мірою умовна, оскільки гази, її складові, поступово розріджуючись, переходять у світовий простір. З висотою змінюються хімічний склад атмосфери, тиск, щільність, температура та її фізичні властивості. Як говорилося раніше, хімічний склад повітря до висоти 100 кмсуттєво не змінюється. Дещо вище атмосфера також складається головним чином з азоту та кисню. Але на висотах 100-110 км,під впливом ультрафіолетової радіації сонця, молекули кисню розщеплюються на атоми і утворюється атомарний кисень. Вище 110-120 кмкисень майже весь стає атомарним. Передбачається, що вище 400-500 кмгази, що становлять атмосферу, також перебувають у атомарному стані.

Тиск та щільність повітря з висотою швидко зменшуються. Хоча атмосфера простягається нагору на сотні кілометрів, основна маса її розміщується в досить тонкому шарі, що прилягає до поверхні землі в найнижчих її частинах. Так, у шарі між рівнем моря та висотами 5-6 кмзосереджена половина маси атмосфери, у шарі 0-16 км-90%, а у шарі 0-30 км– 99%. Таке ж швидке зменшення маси повітря відбувається вище 30 км.Якщо вага 1 м 3повітря біля поверхні землі дорівнює 1033 г, то на висоті 20 кмвін дорівнює 43 г, а на висоті 40 кмлише 4 р.

На висоті 300-400 кмі вище повітря настільки розріджене, що протягом доби щільність його змінюється у багато разів. Дослідження показали, що ця зміна щільності пов'язана зі станом Сонця. Найбільша щільність повітря близько полудня, найменша – вночі. Пояснюється це почасти тим, що верхні шари атмосфери реагують зміну електромагнітного випромінювання Сонця.

Зміна температури повітря з висотою відбувається також неоднаково. За характером зміни температури з висотою атмосфера ділиться кілька сфер, між якими розташовуються перехідні шари, звані паузи, де температура з висотою мало змінюється.

Тут наведено найменування і основні параметри сфер і перехідних шарів.

Наведемо основні дані про фізичні властивості цих сфер.

Тропосфери. Фізичні властивості тропосфери значною мірою визначаються впливом земної поверхні, що є її нижньою межею. Найбільша висота тропосфери спостерігається в екваторіальній та тропічній зонах. Тут вона сягає 16-18 кмі порівняно мало піддається добовим та сезонним змінам. Над приполюсними та суміжними областями верхня межа тропосфери лежить у середньому на рівні 8-10 км.У середніх широтах вона коливається від 6-8 до 14-16 км.

Вертикальна потужність тропосфери залежить від характеру атмосферних процесів. Нерідко протягом доби верхня межа тропосфери над пунктом або районом опускається або піднімається на кілька кілометрів. Це пов'язано головним чином із змінами температури повітря.

У тропосфері зосереджено понад 4/5 маси земної атмосфери і майже весь водяний пар, що міститься в ній. Крім того, від поверхні землі до верхньої межі тропосфери температура знижується в середньому на 0,6 на кожні 100 м, або 6 на 1 кмпідняття . Це пояснюється тим, що повітря у тропосфері нагрівається та охолоджується переважно від поверхні землі.

Відповідно до припливу сонячної енергії температура знижується від екватора до полюсів. Так, середня температура повітря біля поверхні землі на екваторі досягає +26 °, над полярними областями взимку -34 °, -36 °, а влітку близько 0 °. Отже, різниця температур екватор - полюс взимку становить 60°, а влітку лише 26°. Щоправда, такі низькі температури в Арктиці взимку спостерігаються лише поблизу поверхні землі внаслідок охолодження повітря над крижаними просторами.

Взимку у Центральній Антарктиді температура повітря на поверхні крижаного щита ще нижча. На станції Схід у серпні 1960 р. зареєстровано найнижчу температуру на земній кулі -88,3°, а найчастіше у Центральній Антарктиді вона буває дорівнює -45°, -50°.

З висоти різниця температур екватор – полюс зменшується. Наприклад, на висоті 5 кмна екваторі температура досягає - 2 °, -4 °, а на цій же висоті в Центральній Арктиці -37 °, -39 ° взимку і -19 °, -20 ° влітку; отже, різниця температури взимку дорівнює 35-36 °, а влітку 16-17 °. У південній півкулі ці різниці дещо більші.

Енергію атмосферної циркуляції можна визначити за контрактами температури екватор-полюс. Оскільки взимку величина контрастів температури більша, то атмосферні процеси протікають інтенсивніше, ніж улітку. Цим пояснюється той факт, що переважаючі західні вітри взимку в тропосфері мають більші швидкості, ніж влітку. При цьому швидкість вітру, як правило, з висотою зростає, сягаючи максимуму на верхній межі тропосфери. Горизонтальне перенесення супроводжується вертикальними переміщеннями повітря та турбулентним (невпорядкованим) рухом. Внаслідок підйому та опускання великих обсягів повітря утворюються та розсіюються хмари, виникають та припиняються опади. Перехідним шаром між тропосферою та вище сферою є тропопаузи.Вище за неї лежить стратосфера.

Стратосфера простягається від висот 8-17 до 50-55 км.Вона була відкрита на початку ХХ століття. За фізичними властивостями стратосфера різко відрізняється від тропосфери вже тим, що температура повітря тут зазвичай підвищується в середньому на 1 - 2° на кілометр підняття і на верхньому кордоні, на висоті 50-55 км,стає навіть позитивною. Підвищення температури у цій сфері спричинене наявністю тут озону (О 3), що утворюється під впливом ультрафіолетової радіації Сонця. Шар озону займає майже всю стратосферу. Стратосфера дуже бідна водяною парою. Тут не відбувається бурхливих процесів хмароутворення та не випадають опади.

Ще зовсім недавно припускали, що стратосфера є порівняно спокійним середовищем, де немає перемішування повітря, як і тропосфері. Тому вважали, що гази в стратосфері розділені за шарами, відповідно до своїх питомих ваг. Звідси і назва стратосфери («стратус» – шаруватий). Вважали також, що температура в стратосфері формується під дією променистої рівноваги, тобто при рівності поглиненої та відбитої сонячної радіації.

Нові дані, отримані за допомогою радіозондів та метеорологічних ракет, показали, що у стратосфері, як і у верхній тропосфері, здійснюється інтенсивна циркуляція повітря з великими змінами температури та вітру. Тут, як і в тропосфері, повітря зазнає значних вертикальних переміщень, турбулентних рухів при сильних горизонтальних повітряних течіях. Все це результат неоднорідного розподілу температури.

Перехідним шаром між стратосферою та вище сферою є Стратопауза.Однак, перш ніж перейти до характеристики високих шарів атмосфери, ознайомимося з так званою озоносферою, межі якої приблизно відповідають кордонам стратосфери.

Озон у атмосфері. Озон грає велику роль у створенні режиму температури та повітряних течій у стратосфері. Озон (О 3) відчувається нами після грози при вдиханні чистого повітря із приємним присмаком. Однак тут мова піде не про цей озон, що утворюється після грози, а про озон, що міститься в шарі 10-60 кмз максимумом на висоті 22-25 км.Озон утворюється під впливом ультрафіолетових променів Сонця і, хоча загальна кількість його трохи, грає значної ролі у атмосфері. Озон має здатність поглинати ультрафіолетову радіацію Сонця і тим самим оберігає тваринний та рослинний світ від її згубної дії. Навіть та мізерна частка ультрафіолетових променів, яка досягає поверхні землі, сильно обпалює тіло, коли людина надмірно захоплюється прийомом сонячних ванн.

Кількість озону неоднакова над різними частинами Землі. Озона більша у високих широтах, менша у середніх та низьких широтах і змінюється ця кількість залежно від зміни сезонів року. Весною озону більше, восени менше. Крім того, відбуваються неперіодичні його коливання залежно від горизонтальної та вертикальної циркуляції атмосфери. Багато атмосферних процесів тісно пов'язані з вмістом озону, оскільки він безпосередньо впливає на полі температури.

Взимку, в умовах полярної ночі, у високих широтах у шарі озону відбувається випромінювання та охолодження повітря. В результаті в стратосфері високих широт (в Арктиці та Антарктиці) взимку формується область холоду, стратосферний циклонічний вихор з великими горизонтальними градієнтами температури та тиску, що обумовлює західні вітри над середніми широтами земної кулі.

Влітку, в умовах полярного дня, у високих широтах у шарі озону відбувається поглинання сонячного тепла та прогрівання повітря. Внаслідок підвищення температури в стратосфері високих широт формується область тепла та стратосферний антициклонічний вихор. Тому над середніми широтами земної кулі вище 20 кмвлітку у стратосфері переважають східні вітри.

Мезосфери. Спостереженнями за допомогою метеорологічних ракет та іншими способами встановлено, що загальне підвищення температури, що спостерігається у стратосфері, закінчується на висотах 50-55 км.Вище цього шару температура знову знижується і біля верхньої межі мезосфери (близько 80 км)досягає -75 °, -90 °. Далі знову відбувається підвищення температури із висотою.

Цікаво відзначити, що характерне для мезосфери зниження температури з висотою відбувається неоднаково різних широтах і протягом року. У низьких широтах падіння температури відбувається повільніше, ніж у високих: середній для мезосфери вертикальний градієнт температури дорівнює відповідно 0,23 ° - 0,31 ° на 100 мабо 2,3 ° -3,1 ° на 1 км.Влітку він значно більший, ніж узимку. Як показали новітні дослідження у високих широтах, температура на верхньому кордоні мезосфери влітку на кілька десятків градусів нижче, ніж узимку. У верхній мезосфері на висоті близько 80 кму шарі мезопаузи зниження температури з висотою припиняється і починається її підвищення. Тут під інверсійним шаром у сутінки або перед сходом сонця за ясної погоди спостерігаються блискучі тонкі хмари, освітлені сонцем, що перебувають за горизонтом. На темному тлі неба вони світяться сріблясто-синім світлом. Тому ці хмари названі сріблястими.

Природа сріблястих хмар ще недостатньо вивчена. Довгий час вважали, що вони складаються з вулканічного пилу. Проте відсутність оптичних явищ, властивих справжнім вулканічним хмарам, призвело до відмови цієї гіпотези. Потім було висловлено припущення, що сріблясті хмари складаються з космічного пилу. В останні роки запропонована гіпотеза, згідно з якою ці хмари складаються з крижаних кристалів, подібно до звичайних перистих хмар. Рівень розташування сріблястих хмар визначається затримуючим шаром у зв'язку з інверсією температурипри переході з мезосфери до термосфери на висоті близько 80 км.Так як в підінверсійному шарі температура досягає -80° і нижче, то тут створюються найбільш сприятливі умови для конденсації водяної пари, яка потрапляє сюди зі стратосфери в результаті вертикального руху або турбулентної дифузії. Сріблясті хмари зазвичай спостерігаються у літній період, іноді у дуже великій кількості та протягом кількох місяців.

Спостереженнями за сріблястими хмарами встановлено, що влітку на їхньому рівні вітри мають велику мінливість. Швидкості вітру коливаються у великих межах: від 50-100 до кількох сотень кілометрів на годину.

Температура на висотах. Наочне уявлення про характер розподілу температури з висотою, між поверхнею землі та висотами 90-100 км, взимку та влітку у північній півкулі дає малюнок 5. Поверхні, що розділяють сфери, тут зображені жирними штриховими лініями. У самому низу добре виділяється тропосфера з характерним зниженням температури із висотою. Вище тропопаузи, у стратосфері, навпаки, температура з висотою загалом підвищується та на висотах 50-55 кмдосягає + 10 °, -10 °. Звернімо увагу на важливу деталь. Взимку в стратосфері високих широт температура вище тропопаузи знижується від -60 до -75 ° і лише вище 30 кмзнову зростає до -15 °. Влітку, починаючи від тропопаузи, температура з висотою підвищується на 50 кмдосягає + 10 °. Вище стратопаузи знову починається зниження температури з висотою, і лише на рівні 80 кмвона не перевищує -70 °, -90 °.

З малюнка 5 випливає, що у шарі 10-40 кмтемпература повітря взимку та влітку у високих широтах різко різна. Взимку, в умовах полярної ночі, температура тут досягає -60 °, -75 °, а влітку мінімум -45 ° знаходиться поблизу тропопаузи. Вище за тропопаузою температура зростає і на висотах 30-35 кмстановить лише -30°, -20°, що викликане прогріванням повітря у шарі озону за умов полярного дня. З малюнка слід також, що у одному сезоні й у тому самому рівні температура неоднакова. Різниця їх між різними широтами перевищує 20-30 °. При цьому неоднорідність особливо значна в шарі низьких температур (18-30 км)та у шарі максимальних температур (50-60 км)у стратосфері, а також у шарі низьких температур у верхній мезосфері (75-85км).

Середні величини температури, наведені на малюнку 5, отримані за даними спостережень у північній півкулі, однак, судячи з наявних відомостей, вони можуть бути віднесені і до південної півкулі. Деякі відмінності є головним чином високих широтах. Над Антарктидою взимку температура повітря у тропосфері та нижній стратосфері помітно нижча, ніж над Центральною Арктикою.

Вітри на висотах. Сезонним розподілом температури зумовлена ​​досить складна система повітряних течій у стратосфері та мезосфері.

На малюнку 6 представлений вертикальний розріз поля вітру в атмосфері між поверхнею землі та висотою 90 кмвзимку та влітку над північною півкулею. Ізолініями зображені середні швидкості переважаючого вітру (у м/с).З малюнка випливає, що режим вітру взимку та влітку у стратосфері різко різний. Взимку як і тропосфері, і у стратосфері переважають західні вітри з максимальними швидкостями, рівними близько

100 м/секна висоті 60-65 км.Влітку західні вітри переважають лише висот 18-20 км.Вище вони стають східними, з максимальними швидкостями до 70 м/секна висоті 55-60км.

Влітку вище за мезосферу вітри стають західними, а взимку - східними.

Термосфери. Вище мезосфери розташована термосфера, для якої характерне підвищення температури ззаввишки. За отриманими даними, переважно за допомогою ракет встановлено, що в термосфері вже на рівні 150 кмтемпература повітря досягає 220-240 °, а на рівні 200 кмпонад 500 °. Вище температура продовжує підвищуватись і на рівні 500-600 кмперевищує 1500 °. На основі даних, отриманих при запусках штучних супутників Землі, знайдено, що у верхній термосфері температура досягає близько 2000 ° протягом доби значно коливається. Постає питання, чим пояснити таку високу температуру у високих шарах атмосфери. Нагадаємо, що температура газу – це міра середньої швидкості руху молекул. У нижній, найбільш щільній частині атмосфери молекули газів, що становлять повітря, під час руху часто зіштовхуються між собою і миттєво передають одна одній кінетичну енергію. Тому кінетична енергія в щільному середовищі в середньому одна й та сама. У високих шарах, де щільність повітря дуже мала, зіткнення між молекулами, що є великих відстанях, відбуваються рідше. При поглинанні енергії швидкість молекул у проміжку між зіткненнями сильно змінюється; при цьому молекули легших газів рухаються з більшою швидкістю, ніж молекули важких газів. Внаслідок цього температура газів може бути різною.

У розріджених газах порівняно небагато молекул дуже малих розмірів (легких газів). Якщо вони рухаються з великими швидкостями, то температура в даному обсязі повітря буде велика. У термосфері в кожному кубічному сантиметрі повітря містяться десятки та сотні тисяч молекул різних газів, тоді як біля поверхні землі їх близько сотні мільйонів мільярдів. Тому надмірно високі значення температури у високих шарах атмосфери, показуючи швидкість переміщення молекул у цьому вельми нещільному середовищі, не можуть викликати навіть невеликого нагрівання тіла, що знаходиться тут. Подібно до того, як людина не відчуває високої температури при сліпучому освітленні електричних ламп, хоча нитки напруження в розрідженому середовищі миттєво розжарюються до кількох тисяч градусів.

У нижній термосфері та мезосфері згоряє, не долітаючи до поверхні землі, основна частина метеорних потоків.

Наявні відомості про шари атмосфери вище 60-80 кмще недостатні для остаточних висновків про будову, режим і процеси, що розвиваються. Однак відомо, що у верхній мезосфері та нижній термосфері режим температури створюється в результаті перетворення молекулярного кисню (О 2) на атомарний (О), яке відбувається під дією ультрафіолетової сонячної радіації. У термосфері на режим температури великий вплив має корпускулярна, рентгенівська і. ультрафіолетова радіація Сонця. Тут навіть протягом доби відбуваються різкі зміни температури та вітру.

Іонізація атмосфери. Найцікавішою особливістю атмосфери вище 60-80 кмє її іонізація,т. е. процес утворення величезної кількості електрично заряджених частинок – іонів. Так як іонізація газів є характерною для нижньої термосфери, її називають також і іоносферою.

Гази в іоносфері знаходяться переважно в атомарному стані. Під дією ультрафіолетового і корпускулярного випромінювань Сонця, що мають велику енергію, відбувається процес відщеплення електронів від нейтральних атомів і молекул повітря. Такі атоми і молекули, що втратили один або кілька електронів, стають позитивно зарядженими, а вільний електрон може знову приєднатися до нейтрального атома або молекули і наділити їх своїм негативним зарядом. Такі позитивно та негативно заряджені атоми та молекули називаються іонами,а гази - іонізованими,тобто отримали електричний заряд. За більшої концентрації іонів гази стають електропровідними.

Процес іонізації найбільш інтенсивно відбувається у потужних шарах, обмежених висотами 60-80 та 220-400 км.У цих шарах є оптимальні умови для іонізації. Тут щільність повітря помітно більша, ніж у верхній атмосфері, а надходження ультрафіолетової та корпускулярної радіації Сонця достатньо для процесу іонізації.

Відкриття іоносфери є одним із важливих та блискучих досягнень науки. Адже характерною рисою іоносфери є її впливом геть поширення радіохвиль. В іонізованих шарах радіохвилі відбиваються, і тому стає можливим далекий радіозв'язок. Заряджені атоми-іони відбивають короткі радіохвилі, і вони знову повертаються на земну поверхню, але у значному віддаленні місця радіопередачі. Очевидно, цей шлях короткі радіохвилі здійснюють кілька разів, і таким чином забезпечується далекий радіозв'язок. Якби не іоносфера, то для передач сигналів радіостанцій на великі відстані необхідно було б будувати дорогі радіорелейні лінії.

Однак відомо, що іноді радіозв'язок на коротких хвилях порушується. Це відбувається в результаті хромосферних спалахів на Сонці, завдяки яким різко посилюється ультрафіолетове випромінювання Сонця, що призводить до сильних збурень іоносфери та магнітного поля Землі – магнітних бур. При магнітних бурях порушується радіозв'язок, оскільки рух заряджених частинок залежить від магнітного поля. Під час магнітних бур іоносфера гірше відбиває радіохвилі або пропускає їх у космос. Головним чином із зміною сонячної активності, що супроводжується посиленням ультрафіолетового випромінювання, збільшується електронна щільність іоносфери та поглинання радіохвиль у денний час, що призводить до порушення роботи радіозв'язку на коротких хвилях.

Відповідно до нових досліджень у потужному іонізованому шарі є зони, де концентрація вільних електронів досягає дещо більшої концентрації, ніж у сусідніх шарах. Відомі чотири такі зони, які розташовуються на висотах близько 60-80, 100-120, 180-200 та 300-400 кмі позначаються літерами D, E, F 1 і F 2 . При випромінюванні Сонця, що посилюється, заряджені частинки (корпускули) під впливом магнітного поля Землі відхиляються у бік високих широт. Увійшовши в атмосферу, корпускули посилюють іонізацію газів настільки, що починається їхнє світіння. Так виникають полярні сяйва- у вигляді красивих багатобарвних дуг, що спалахують у нічному небі переважно у високих широтах Землі. Полярні сяйва супроводжуються сильними магнітними бурями. У разі полярні сяйва стають видимими у середніх широтах, а окремих випадках навіть у тропічній зоні. Так, наприклад, інтенсивне сяйво, що спостерігалося 21 - 22 січня 1957, було видно майже у всіх південних районах нашої країни.

За допомогою фотографування полярних сяйв із двох пунктів, що знаходяться на відстані кількох десятків кілометрів, з великою точністю визначається висота сяйва. Зазвичай полярні сяйва розташовуються на висоті близько 100 км,нерідко вони виявляються на висоті кількох сотень кілометрів, інколи ж на рівні близько 1000 км.Хоча природа полярних сяйв з'ясована, проте залишається ще багато невирішених питань, пов'язаних із цим явищем. Досі невідомі причини різноманіття форм полярних сяйв.

За даними третього радянського супутника, між висотами 200 та 1000 кмвдень переважають позитивні іони розщепленого молекулярного кисню, тобто атомарного кисню (О). Радянські вчені досліджують іоносферу за допомогою штучних супутників серії "Космос". Американські вчені вивчають іоносферу за допомогою супутників.

Поверхня, що розділяє термосферу від екзосфери, зазнає коливань залежно від зміни сонячної активності та інших факторів. По вертикалі ці коливання досягають 100-200 кмі більше.

Екзосфера (сфера розсіювання) - найвища частина атмосфери, розташована вище 800 км.Вона мало вивчена. За даними спостережень та теоретичних розрахунків температура в екзосфері з висотою зростає приблизно до 2000°. На відміну від нижньої іоносфери, в екзосфері гази настільки розріджені, що частки їх, рухаючись із величезними швидкостями, майже не зустрічаються один з одним.

Ще порівняно недавно припускали, що умовна межа атмосфери на висоті близько 1000 км.Проте з урахуванням гальмування штучних супутників Землі встановлено, що у висотах 700-800 кмв 1 см 3міститься до 160 тис. позитивних іонів атомного кисню та азоту. Це дає підставу припускати, що заряджені шари атмосфери простягаються в космос значно більшу відстань.

При високих температурах на умовному кордоні атмосфери швидкості частинок газів досягають приблизно 12 км/сек.При цих швидкостях гази поступово йдуть з дію земного тяжіння в міжпланетний простір. Це відбувається протягом багато часу. Наприклад, частинки водню та гелію віддаляються у міжпланетний простір протягом кількох років.

У дослідженні високих шарів атмосфери багаті дані отримані як із супутників серії «Космос» та «Електрон», так і геофізичних ракет та космічних станцій «Марс-1», «Місяць-4» та ін. Цінними виявились і безпосередні спостереження космонавтів. Так, за фотографіями, зробленими у космосі В.Миколаєвої-Терешкової, було встановлено, що на висоті 19 кмвід Землі існує пиловий шар. Це підтвердилося і даними, отриманими екіпажем космічного корабля Схід. Очевидно, існує тісний зв'язок між пиловим шаром і так званими перламутровими хмарами,іноді спостерігаються на висотах близько 20-30км.

З атмосфери у космічний простір. Колишні припущення, що за межами атмосфери Землі, у міжпланетному

просторі, гази дуже розріджені і концентрація частинок не перевищує кількох одиниць см 3 ,не справдилися. Дослідження показали, що навколоземний простір наповнений зарядженими частинками. На цій основі було висунуто гіпотезу про існування зон навколо Землі з помітно підвищеним вмістом заряджених частинок, тобто. поясів радіації- внутрішнього та зовнішнього. Нові дані допомогли внести уточнення. Виявилося, що між внутрішнім та зовнішнім поясами радіації також є заряджені частинки. Число їх змінюється залежно від геомагнітної та сонячної активності. Таким чином, за новим припущенням замість поясів радіації є зони радіації без чітко виражених меж. Кордони радіаційних зон змінюються залежно від сонячної активності. При її посиленні, тобто коли на Сонці з'являються плями та струмені газу, що викидаються на сотні тисяч кілометрів, зростає потік космічних частинок, які живлять радіаційні зони Землі.

Радіаційні зони є небезпечними для людей, які здійснюють польоти на космічних кораблях. Тому перед польотом у космос визначається стан та положення радіаційних зон, а орбіта космічного корабля вибирається з таким розрахунком, щоб вона проходила поза областями підвищеної радіації. Проте високі шари атмосфери, як і близьке Землі космічний простір, ще мало досліджені.

У дослідженні високих шарів атмосфери та навколоземного простору використовуються багаті дані, які отримують з супутників серії «Космос» та космічних станцій.

Високі шари атмосфери найменше вивчені. Проте сучасні методи її дослідження дозволяють сподіватися, що найближчими роками людина знатиме багато деталей будови атмосфери, на дні якої вона живе.

На закінчення наведемо схематичний вертикальний розріз атмосфери (рис. 7). Тут по вертикалі відкладено висоти в кілометрах та тиск повітря в міліметрах, а по горизонталі – температура. Суцільною кривою зображено зміну температури повітря з висотою. На відповідних висотах відзначені найголовніші явища, що спостерігаються в атмосфері, а також максимальні висоти, досягнуті радіозондами та іншими засобами зондування атмосфери.

- Джерело-

Погосян, Х.П. Атмосфера Землі/Х.П. Погосян [і д.р.]. - М.: Просвітництво, 1970. - 318 с.

Post переглядів: 163

Космос наповнений енергією. Енергія заповнює місце нерівномірно. Є місця її концентрації та розрядження. Так можна оцінити густину. Планета – впорядкована система, з максимальною щільністю речовини в центрі та поступовим зменшенням концентрації до периферії. Сили взаємодії визначають стан матерії, форму, у якій існує. Фізика визначає агрегатний стан речовин: тверде тіло, рідина, газ тощо.

Атмосфера - це газове середовище, що оточує планету. Атмосфера Землі забезпечує вільне переміщення та пропускає світло, формує простір, у якому процвітає життя.

Ділянку від поверхні землі до висоти приблизно 16 кілометрів (від екватора до полюсів менше значення, також залежить від сезону) називають тропосферою. Тропосфера - шар, в якому зосереджено близько 80% всього повітря атмосфери і майже всю водяну пару. Саме тут протікають процеси, що формують погоду. Тиск та температура падають з висотою. Причиною зниження температури повітря є адіабатичний процес, що при розширенні газ охолоджується. У верхній межі тропосфери значення можуть досягати -50-60 градусів Цельсія.

Далі починається Стратосфера. Вона поширюється на 50 кілометрів. У цьому шарі атмосфери температура з висотою збільшується, набуваючи значення у верхній точці близько 0 С. Підвищення температури викликане процесом поглинання озоновим шаром ультрафіолетових променів. Випромінювання викликає хімічну реакцію. Молекули кисню розпадаються на одиночні атоми, які можуть поєднуватися з нормальними молекулами кисню, у результаті утворюється озон.

Випромінювання сонця з довжинами хвиль від 10 до 400 нанометрів класифікується як ультрафіолетове. Чим коротше довжина хвилі УФ випромінювання, тим більшу небезпеку воно становить живих організмів. Тільки мала частка випромінювання сягає поверхні Землі, причому менш активна частина її спектра. Така особливість природи дозволяє людині отримувати здорову сонячну засмагу.

Наступний шар атмосфери називається мезосферою. Межі приблизно з 50 км до 85 км. У мезосфері концентрація озону, який міг би затримувати УФ енергію низька, тому температура знову починає падати з висотою. У піковій точці температура опускається до -90 ° С, деякі джерела вказують величину -130 ° С. У цьому шарі атмосфери згоряє більшість метеорних тіл.

Шар атмосфери, що розтягнувся з висоти 85 км на відстань 600 км від Землі, називається Термосфера. Термосфера першою зустрічає сонячне випромінювання, зокрема, так званий вакуумний ультрафіолет.

Вакуумний УФ затримується повітряним середовищем, цим нагріває цей шар атмосфери до величезних температур. Однак оскільки тиск тут вкрай малий, цей, здавалося б, розпечений газ не чинить на об'єкти такого впливу як за умов на поверхні землі. Навпаки, предмети, поміщені в таке середовище, будуть остигати.

На висоті 100 км проходить умовна риса «Карманська лінія», яку прийнято вважати початком космосу.

У термосфері відбуваються полярні сяйва. У цьому вся шарі атмосфери сонячний вітер взаємодіє з магнітним полем планети.

Останнім шаром атмосфери є Екзосфера, зовнішня оболонка, що тягнеться на тисячі кілометрів. Екзосфера практично порожнє місце, проте, кількість атомів, що блукають тут, на порядок більша, ніж у міжпланетному просторі.

Людина дихає повітрям. Нормальний тиск – 760 мм ртутного стовпа. На висоті 10000 м тиск становить близько 200 мм. рт. ст. На такій висоті людина може дихати, хоча б не тривалий час, але для цього потрібна підготовка. Стан явно буде непрацездатним.

Газовий склад атмосфери: 78% азот, 21% кисень, близько відсотка аргон все інше – суміш газів, що становлять найменшу частку від загальної кількості.