Il limite superiore della stratosfera. Gli strati principali dell'atmosfera terrestre in ordine crescente

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%.

Stato fisico l'atmosfera è determinata. 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 sarebbe a pressione normale uno strato di 1,7-4 mm di spessore, 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 nella forma 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 - pressione aria atmosferica sugli oggetti in esso contenuti e 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).

Atmosfera(dal greco atmos - vapore e spharia - palla) - il guscio d'aria della Terra, che ruota con esso. Lo sviluppo dell'atmosfera era strettamente connesso ai processi geologici e geochimici in atto sul nostro pianeta, nonché alle attività degli organismi viventi.

Il limite inferiore dell'atmosfera coincide con la superficie terrestre, poiché l'aria penetra nei pori più piccoli del suolo e si dissolve anche nell'acqua.

Il limite superiore a un'altitudine di 2000-3000 km passa gradualmente nello spazio.

L'atmosfera ricca di ossigeno rende possibile la vita sulla Terra. L'ossigeno atmosferico viene utilizzato nel processo di respirazione da esseri umani, animali e piante.

Se non ci fosse atmosfera, la Terra sarebbe silenziosa come la luna. Dopotutto, il suono è la vibrazione delle particelle d'aria. Il colore blu del cielo si spiega con il fatto che i raggi del sole, passando attraverso l'atmosfera, come attraverso una lente, si scompongono nei colori che li compongono. In questo caso, i raggi dei colori blu e blu sono soprattutto sparsi.

L'atmosfera trattiene la maggior parte della radiazione ultravioletta del Sole, che ha un effetto dannoso sugli organismi viventi. Mantiene anche il calore sulla superficie della Terra, impedendo al nostro pianeta di raffreddarsi.

La struttura dell'atmosfera

Nell'atmosfera si possono distinguere diversi strati, diversi per densità e densità (Fig. 1).

Troposfera

Troposfera- lo strato più basso dell'atmosfera, il cui spessore sopra i poli è di 8-10 km, a latitudini temperate - 10-12 km e sopra l'equatore - 16-18 km.

Riso. 1. La struttura dell'atmosfera terrestre

L'aria nella troposfera è riscaldata dalla superficie terrestre, cioè dalla terra e dall'acqua. Pertanto, la temperatura dell'aria in questo strato diminuisce con l'altezza di una media di 0,6 ° C ogni 100 m Al limite superiore della troposfera, raggiunge -55 ° C. Allo stesso tempo, nella regione dell'equatore al limite superiore della troposfera, la temperatura dell'aria è di -70 ° C e nella regione Polo Nord-65°C.

Circa l'80% della massa dell'atmosfera è concentrato nella troposfera, si trova quasi tutto il vapore acqueo, si verificano temporali, tempeste, nuvole e precipitazioni e si verifica un movimento dell'aria verticale (convezione) e orizzontale (vento).

Possiamo dire che il tempo si forma principalmente nella troposfera.

Stratosfera

Stratosfera- lo strato dell'atmosfera situato al di sopra della troposfera ad un'altitudine compresa tra 8 e 50 km. Il colore del cielo in questo strato appare viola, il che è spiegato dalla rarefazione dell'aria, a causa della quale i raggi del sole quasi non si disperdono.

La stratosfera contiene il 20% della massa dell'atmosfera. L'aria in questo strato è rarefatta, praticamente non c'è vapore acqueo e quindi non si formano quasi nuvole e precipitazioni. Tuttavia, nella stratosfera si osservano correnti d'aria stabili, la cui velocità raggiunge i 300 km / h.

Questo strato è concentrato ozono(schermo di ozono, ozonosfera), uno strato che assorbe i raggi ultravioletti, impedendo loro di passare alla Terra e proteggendo così gli organismi viventi sul nostro pianeta. A causa dell'ozono, la temperatura dell'aria al limite superiore della stratosfera è compresa tra -50 e 4-55 °C.

Tra la mesosfera e la stratosfera c'è una zona di transizione: la stratopausa.

Mesosfera

Mesosfera- uno strato dell'atmosfera situato ad un'altitudine di 50-80 km. La densità dell'aria qui è 200 volte inferiore rispetto alla superficie terrestre. Il colore del cielo nella mesosfera appare nero, le stelle sono visibili durante il giorno. La temperatura dell'aria scende a -75 (-90)°С.

A quota 80 km inizia termosfera. La temperatura dell'aria in questo strato sale bruscamente fino a un'altezza di 250 m, per poi diventare costante: a un'altezza di 150 km raggiunge i 220-240 °C; a quota 500-600 km si superano i 1500 °C.

Nella mesosfera e nella termosfera, sotto l'azione dei raggi cosmici, le molecole di gas si rompono in particelle di atomi cariche (ionizzate), quindi questa parte dell'atmosfera è chiamata ionosfera- uno strato di aria molto rarefatta, situato ad un'altitudine compresa tra 50 e 1000 km, costituito principalmente da atomi di ossigeno ionizzato, molecole di ossido nitrico ed elettroni liberi. Questo strato è caratterizzato da un'elevata elettrificazione e da esso vengono riflesse onde radio lunghe e medie, come da uno specchio.

Nella ionosfera sorgono aurore - il bagliore di gas rarefatti sotto l'influenza di particelle caricate elettricamente che volano dal Sole - e si osservano forti fluttuazioni nel campo magnetico.

Esosfera

Esosfera- lo strato esterno dell'atmosfera, situato al di sopra dei 1000 km. Questo strato è anche chiamato sfera di diffusione, poiché le particelle di gas si muovono qui con alta velocità e può disperdersi nello spazio.

Composizione dell'atmosfera

L'atmosfera è una miscela di gas composta da azoto (78,08%), ossigeno (20,95%), anidride carbonica (0,03%), argon (0,93%), una piccola quantità di elio, neon, xeno, krypton (0,01%), ozono e altri gas, ma il loro contenuto è trascurabile (Tabella 1). La moderna composizione dell'aria terrestre è stata stabilita più di cento milioni di anni fa, ma l'attività di produzione umana in forte aumento ha comunque portato al suo cambiamento. Attualmente si registra un aumento del contenuto di CO 2 di circa il 10-12%.

Incluso in composizione atmosferica i gas svolgono vari ruoli funzionali. Tuttavia, il significato principale di questi gas è determinato principalmente dal fatto che assorbono molto fortemente l'energia radiante e quindi hanno un effetto significativo sulla regime di temperatura La superficie terrestre e l'atmosfera.

Tabella 1. Composizione chimica dell'aria atmosferica secca vicino alla superficie terrestre

Azoto, il gas più comune nell'atmosfera, chimicamente poco attivo.

Ossigeno, a differenza dell'azoto, è un elemento chimicamente molto attivo. La funzione specifica dell'ossigeno è l'ossidazione della materia organica di organismi eterotrofi, rocce e gas non completamente ossidati emessi nell'atmosfera dai vulcani. Senza ossigeno, non ci sarebbe la decomposizione della materia organica morta.

Il ruolo dell'anidride carbonica nell'atmosfera è eccezionalmente grande. Entra nell'atmosfera a seguito dei processi di combustione, respirazione degli organismi viventi, decadimento ed è, prima di tutto, il principale materiale da costruzione per la creazione di materia organica durante la fotosintesi. Inoltre, è di grande importanza la proprietà dell'anidride carbonica di trasmettere la radiazione solare a onde corte e di assorbire parte della radiazione termica a onde lunghe, che creerà il cosiddetto Effetto serra, di cui si parlerà di seguito.

L'influenza sui processi atmosferici, in particolare sul regime termico della stratosfera, è esercitata anche da ozono. Questo gas funge da assorbitore naturale della radiazione ultravioletta solare e l'assorbimento della radiazione solare porta al riscaldamento dell'aria. I valori medi mensili del contenuto totale di ozono nell'atmosfera variano a seconda della latitudine dell'area e della stagione entro 0,23-0,52 cm (questo è lo spessore dello strato di ozono alla pressione e alla temperatura del suolo). C'è un aumento del contenuto di ozono dall'equatore ai poli e corso annuale con un minimo in autunno e un massimo in primavera.

Una proprietà caratteristica dell'atmosfera può essere definita il fatto che il contenuto dei principali gas (azoto, ossigeno, argon) cambia leggermente con l'altezza: a un'altitudine di 65 km nell'atmosfera, il contenuto di azoto è dell'86%, ossigeno - 19 , argon - 0,91, a un'altitudine di 95 km - azoto 77, ossigeno - 21,3, argon - 0,82%. La costanza della composizione dell'aria atmosferica verticalmente e orizzontalmente è mantenuta dalla sua miscelazione.

Oltre ai gas, l'aria contiene vapore acqueo e particelle solide. Quest'ultimo può avere origine sia naturale che artificiale (antropogenica). Questi sono polline di fiori, minuscoli cristalli di sale, polvere stradale, impurità di aerosol. Quando i raggi del sole penetrano dalla finestra, possono essere visti ad occhio nudo.

Ci sono soprattutto molti particolati nell'aria delle città e dei grandi centri industriali, dove si aggiungono agli aerosol le emissioni di gas nocivi e le loro impurità formate durante la combustione del carburante.

La concentrazione di aerosol nell'atmosfera determina la trasparenza dell'aria, che influisce sulla radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre. Gli aerosol più grandi sono nuclei di condensazione (dal lat. condensazione- compattazione, ispessimento) - contribuiscono alla trasformazione del vapore acqueo in goccioline d'acqua.

Il valore del vapore acqueo è determinato principalmente dal fatto che ritarda l'irraggiamento termico a onde lunghe della superficie terrestre; rappresenta l'anello principale di grandi e piccoli cicli di umidità; aumenta la temperatura dell'aria quando i letti ad acqua condensano.

La quantità di vapore acqueo nell'atmosfera varia nel tempo e nello spazio. Pertanto, la concentrazione di vapore acqueo vicino alla superficie terrestre varia dal 3% ai tropici al 2-10 (15)% in Antartide.

Il contenuto medio di vapore acqueo nella colonna verticale dell'atmosfera alle latitudini temperate è di circa 1,6-1,7 cm (lo strato di vapore acqueo condensato avrà un tale spessore). Le informazioni sul vapore acqueo in diversi strati dell'atmosfera sono contraddittorie. Si presumeva, ad esempio, che nell'intervallo di altitudine da 20 a 30 km, l'umidità specifica aumentasse fortemente con l'altezza. Tuttavia, misurazioni successive indicano una maggiore siccità della stratosfera. Apparentemente, l'umidità specifica nella stratosfera dipende poco dall'altezza e ammonta a 2-4 mg/kg.

La variabilità del contenuto di vapore acqueo nella troposfera è determinata dall'interazione di evaporazione, condensazione e trasporto orizzontale. Come risultato della condensazione del vapore acqueo, si formano nuvole e si verificano precipitazioni sotto forma di pioggia, grandine e neve.

I processi di transizione di fase dell'acqua procedono principalmente nella troposfera, motivo per cui le nubi nella stratosfera (ad altitudini di 20-30 km) e nella mesosfera (vicino alla mesopausa), chiamate madreperla e argento, si osservano relativamente raramente , mentre le nuvole troposferiche coprono spesso circa il 50% dell'intera superficie terrestre.

La quantità di vapore acqueo che può essere contenuta nell'aria dipende dalla temperatura dell'aria.

1 m 3 di aria a una temperatura di -20 ° C non può contenere più di 1 g di acqua; a 0 °C - non più di 5 g; a +10 °С - non più di 9 g; a +30 °С - non più di 30 g di acqua.

Conclusione: Più alta è la temperatura dell'aria, più vapore acqueo può contenere.

L'aria può essere ricco e non saturo vapore. Quindi, se a una temperatura di +30 ° C 1 m 3 di aria contiene 15 g di vapore acqueo, l'aria non è satura di vapore acqueo; se 30 g - saturo.

Umidità assoluta- questa è la quantità di vapore acqueo contenuta in 1 m 3 di aria. È espresso in grammi. Ad esempio, se dicono " umidità assoluta pari a 15", questo significa che 1 m L contiene 15 g di vapore acqueo.

Umidità relativa- questo è il rapporto (in percentuale) tra il contenuto effettivo di vapore acqueo in 1 m 3 di aria e la quantità di vapore acqueo che può essere contenuto in 1 m L a una data temperatura. Ad esempio, se un bollettino meteorologico viene trasmesso alla radio con un'umidità relativa del 70%, ciò significa che l'aria contiene il 70% del vapore acqueo che può trattenere a una determinata temperatura.

Maggiore è l'umidità relativa dell'aria, t. più l'aria è vicina alla saturazione, più è probabile che cada.

Si osserva un'umidità relativa sempre elevata (fino al 90%). zona equatoriale, poiché c'è una temperatura dell'aria elevata durante tutto l'anno e c'è una grande evaporazione dalla superficie degli oceani. La stessa elevata umidità relativa è nelle regioni polari, ma solo perché a basse temperature ah, anche una piccola quantità di vapore acqueo rende l'aria satura o prossima alla saturazione. Alle latitudini temperate, l'umidità relativa varia stagionalmente: è più alta in inverno e più bassa in estate.

L'umidità relativa dell'aria è particolarmente bassa nei deserti: 1 m 1 di aria contiene da due a tre volte meno della quantità di vapore acqueo possibile a una data temperatura.

Per misurare umidità relativa utilizzare un igrometro (dal greco hygros - bagnato e metreco - misuro).

Una volta raffreddata, l'aria satura non può trattenere di per sé la stessa quantità di vapore acqueo, si addensa (condensa), trasformandosi in goccioline di nebbia. La nebbia può essere osservata in estate in una notte limpida e fresca.

Nuvole- questa è la stessa nebbia, solo che non si forma sulla superficie terrestre, ma a una certa altezza. Quando l'aria sale, si raffredda e il vapore acqueo in essa contenuto si condensa. Le minuscole goccioline d'acqua risultanti formano le nuvole.

coinvolti nella formazione delle nuvole particolato sospeso nella troposfera.

Potrebbero esserci delle nuvole forma diversa, che dipende dalle condizioni della loro formazione (Tabella 14).

Le nuvole più basse e pesanti sono strati. Si trovano ad un'altitudine di 2 km dalla superficie terrestre. Ad un'altitudine da 2 a 8 km, si possono osservare più pittoreschi Nubi cumuliformi. Il più alto e il più leggero sono i cirri. Si trovano ad un'altitudine compresa tra 8 e 18 km sopra la superficie terrestre.

Protezione atmosferica

Le fonti principali sono le imprese industriali e le automobili. Nelle grandi città il problema della contaminazione da gas delle principali direttrici di trasporto è molto acuto. Ecco perché in molti principali città in tutto il mondo, anche nel nostro Paese, ha introdotto il controllo ambientale della tossicità dei gas di scarico delle auto. Secondo gli esperti, il fumo e la polvere nell'aria possono dimezzare il flusso di energia solare sulla superficie terrestre, il che comporterà un cambiamento delle condizioni naturali.

10.045×10 3 J/(kg*K) (nell'intervallo di temperatura da 0-100°C), C v 8.3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). La solubilità dell'aria in acqua a 0°C è 0,036%, a 25°C - 0,22%.

Composizione dell'atmosfera

Storia della formazione dell'atmosfera

Storia antica

Al momento, la scienza non può tracciare tutte le fasi della formazione della Terra con una precisione del 100%. Secondo la teoria più comune, l'atmosfera terrestre è stata nel tempo in quattro diverse composizioni. Inizialmente, era costituito da gas leggeri (idrogeno ed elio) catturati dallo spazio interplanetario. Questo cosiddetto atmosfera primaria. Nella fase successiva, l'attività vulcanica attiva ha portato alla saturazione dell'atmosfera con gas diversi dall'idrogeno (idrocarburi, ammoniaca, vapore acqueo). Questo è come atmosfera secondaria. Questa atmosfera era rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:

• perdita costante di idrogeno nello 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 elevato di azoto e anidride carbonica (formata a seguito di reazioni chimiche da ammoniaca e idrocarburi).

L'emergere della vita e dell'ossigeno

Con l'avvento degli organismi viventi sulla Terra a seguito della fotosintesi, accompagnata dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di anidride carbonica, la composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare. Tuttavia, ci sono dati (un'analisi della composizione isotopica dell'ossigeno atmosferico e quella rilasciata durante la fotosintesi) che testimoniano a favore dell'origine geologica dell'ossigeno atmosferico.

Inizialmente, l'ossigeno veniva speso per l'ossidazione dei composti ridotti: idrocarburi, la forma ferrosa del ferro contenuta negli oceani, ecc. Alla fine di questa fase, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera iniziò a crescere.

Negli anni '90 sono stati effettuati esperimenti per creare un chiuso sistema ecologico("Biosfera 2"), durante la quale non è stato possibile creare un sistema stabile con un'unica composizione d'aria. L'influenza dei microrganismi ha portato a una diminuzione del livello di ossigeno e ad un aumento della quantità di anidride carbonica.

Azoto

La formazione di una grande quantità di N 2 è dovuta all'ossidazione dell'atmosfera primaria ammoniaca-idrogeno da parte dell'O 2 molecolare, che iniziò a provenire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, come previsto, circa 3 miliardi di anni fa (secondo un'altra versione, l'ossigeno atmosferico è di origine geologica). L'azoto viene ossidato a NO nell'alta atmosfera, utilizzato nell'industria e legato da batteri che fissano l'azoto, mentre l'N 2 viene rilasciato nell'atmosfera come risultato della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto.

L'azoto N 2 è un gas inerte e reagisce solo in condizioni specifiche (ad esempio durante una scarica di fulmini). Può essere ossidato e convertito in una forma biologica dai cianobatteri, alcuni batteri (ad esempio i batteri noduli che formano la simbiosi rizobiale con i legumi).

L'ossidazione dell'azoto molecolare mediante scariche elettriche viene utilizzata nella produzione industriale di fertilizzanti azotati e ha anche portato alla formazione di depositi di salnitro unici nel deserto cileno di Atacama.

gas nobili

La combustione del carburante è la principale fonte di gas inquinanti (CO , NO, SO 2). L'anidride solforosa viene ossidata dall'aria da O 2 a SO 3 nell'atmosfera superiore, che interagisce con i vapori di H 2 O e NH 3, e il risultante H 2 SO 4 e (NH 4) 2 SO 4 ritorna sulla superficie terrestre insieme alle precipitazioni . L'uso di motori a combustione interna comporta un notevole inquinamento atmosferico con ossidi di azoto, idrocarburi e composti di Pb.

L'inquinamento atmosferico da aerosol è dovuto ad entrambe le cause naturali (eruzione vulcanica, tempeste di polvere, trascinamento di goccioline acqua di mare e particelle di polline di piante, ecc.) e l'attività economica umana (estrazione di minerali e materiali da costruzione, combustione di combustibili, produzione di cemento, ecc.). La rimozione intensiva su larga scala del particolato nell'atmosfera è uno dei cause possibili cambiamento climatico planetario.

La struttura dell'atmosfera e le caratteristiche dei singoli gusci

Lo stato fisico dell'atmosfera è determinato dal tempo e dal clima. I principali parametri dell'atmosfera: densità dell'aria, pressione, temperatura e composizione. All'aumentare dell'altitudine, la densità dell'aria e la pressione atmosferica diminuiscono. Anche la temperatura cambia con il cambio di altitudine. La struttura verticale dell'atmosfera è caratterizzata da diverse temperature e proprietà elettriche, 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

Stratosfera

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.

Nella stratosfera e negli strati superiori, sotto l'influenza della radiazione solare, le molecole di gas si dissociano - in atomi (sopra 80 km, CO 2 e H 2 si dissociano, sopra 150 km - O 2, sopra 300 km - H 2). Ad un'altitudine di 100-400 km, la ionizzazione dei gas si verifica anche nella ionosfera; ad un'altitudine di 320 km, la concentrazione di particelle cariche (O + 2, O - 2, N + 2) è ~ 1/300 del concentrazione di particelle neutre. Negli strati superiori dell'atmosfera ci sono radicali liberi - OH, HO 2, ecc.

Non c'è quasi vapore acqueo nella stratosfera.

Mesosfera

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°С nella stratosfera a -110°С 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 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 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. Sotto di essa si trova una parte omogenea e ben mescolata dell'atmosfera chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa, si trova ad un'altitudine di circa 120 km.

Proprietà atmosferiche

Già a un'altitudine di 5 km sul livello del mare, una persona non addestrata sviluppa carenza di ossigeno e, senza adattamento, le prestazioni di una persona 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. La pressione parziale dell'ossigeno nell'aria alveolare a pressione atmosferica normale è di 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, le radiazioni ionizzanti, i raggi cosmici primari, hanno un effetto intenso sul corpo; ad altitudini superiori a 40 km, opera la parte ultravioletta dello spettro solare, pericolosa per l'uomo.

L'atmosfera si estende verso l'alto per molte centinaia di chilometri. Il suo limite superiore, ad un'altitudine di circa 2000-3000 km, in una certa misura condizionale, poiché i gas che lo compongono, via via rarefatti, passano nello spazio mondiale. Cambia con l'altezza Composizione chimica atmosfera, pressione, densità, temperatura e sue altre proprietà fisiche. Come accennato in precedenza, la composizione chimica dell'aria fino a un'altezza di 100 km non cambia in modo significativo. Un po' più in alto, anche l'atmosfera è composta principalmente da azoto e ossigeno. Ma ad altitudini 100-110 km, Sotto l'influenza della radiazione ultravioletta del sole, le molecole di ossigeno vengono divise in atomi e appare l'ossigeno atomico. Sopra 110-120 km quasi tutto l'ossigeno diventa atomico. Si presume che sopra 400-500 km anche i gas che compongono l'atmosfera sono allo stato atomico.

La pressione e la densità dell'aria diminuiscono rapidamente con l'altezza. Sebbene l'atmosfera si estenda verso l'alto per centinaia di chilometri, la maggior parte di essa si trova in uno strato piuttosto sottile adiacente alla superficie terrestre nelle sue parti più basse. Quindi, nello strato tra il livello del mare e le altitudini 5-6 km metà della massa dell'atmosfera è concentrata nello strato 0-16 km-90% e nel livello 0-30 km- 99%. La stessa rapida diminuzione della massa d'aria si verifica sopra i 30 km. Se peso 1 m 3 l'aria sulla superficie terrestre è 1033 g, quindi ad un'altezza di 20 kmè uguale a 43 g e ad un'altezza di 40 km solo 4 anni

Ad un'altitudine di 300-400 km e sopra, l'aria è così rarefatta che durante il giorno la sua densità cambia molte volte. Gli studi hanno dimostrato che questo cambiamento di densità è correlato alla posizione del Sole. La densità dell'aria più alta è intorno a mezzogiorno, la più bassa di notte. Ciò è in parte spiegato dal fatto che gli strati superiori dell'atmosfera reagiscono ai cambiamenti nella radiazione elettromagnetica del Sole.

Anche la variazione della temperatura dell'aria con l'altezza è irregolare. A seconda della natura della variazione di temperatura con l'altezza, l'atmosfera è divisa in più sfere, tra le quali vi sono strati di transizione, le cosiddette pause, dove la temperatura cambia poco con l'altezza.

Ecco i nomi e le caratteristiche principali delle sfere e dei livelli di transizione.

Presentiamo i dati di base sulle proprietà fisiche di queste sfere.

Troposfera. Le proprietà fisiche della troposfera sono in gran parte determinate dall'influenza della superficie terrestre, che è il suo limite inferiore. L'altezza più alta della troposfera si osserva nelle zone equatoriali e tropicali. Qui si arriva a 16-18 km e relativamente poco soggetto ai cambiamenti giornalieri e stagionali. Al di sopra delle regioni polari e adiacenti, il limite superiore della troposfera si trova in media a un livello di 8-10 km. Alle medie latitudini, varia da 6-8 a 14-16 km.

La potenza verticale della troposfera dipende in modo significativo dalla natura dei processi atmosferici. Spesso durante il giorno, il limite superiore della troposfera su un dato punto o area scende o aumenta di diversi chilometri. Ciò è dovuto principalmente alle variazioni della temperatura dell'aria.

Nella troposfera sono concentrati più dei 4/5 della massa dell'atmosfera terrestre e la quasi totalità del vapore acqueo in essa contenuto. Inoltre, dalla superficie terrestre al limite superiore della troposfera, la temperatura scende in media di 0,6° ogni 100 m, o di 6° per 1 km elevazione . Ciò è dovuto al fatto che l'aria nella troposfera viene riscaldata e raffreddata principalmente dalla superficie terrestre.

A seconda dell'afflusso di energia solare, la temperatura diminuisce dall'equatore ai poli. Così, temperatura media l'aria sulla superficie terrestre all'equatore raggiunge + 26 °, sopra le regioni polari in inverno -34 °, -36 ° e in estate circa 0 °. Pertanto, la differenza di temperatura tra l'equatore e il polo è di 60° in inverno e solo di 26° in estate. È vero, temperature così basse nell'Artico in inverno si osservano solo vicino alla superficie della terra a causa del raffreddamento dell'aria sulle distese di ghiaccio.

In inverno, nell'Antartide centrale, la temperatura dell'aria sulla superficie della calotta glaciale è ancora più bassa. Alla stazione di Vostok nell'agosto 1960, la temperatura più bassa del globo è stata registrata -88,3°, e più spesso nell'Antartide centrale è -45°, -50°.

Dall'alto, la differenza di temperatura tra l'equatore e il polo diminuisce. Ad esempio, all'altezza 5 km all'equatore la temperatura raggiunge i -2°, -4°, e alla stessa quota nell'Artico centrale -37°, -39° in inverno e -19°, -20° in estate; quindi la differenza di temperatura in inverno è di 35-36°, e in estate di 16-17°. Nell'emisfero australe, queste differenze sono leggermente maggiori.

L'energia della circolazione atmosferica può essere determinata dai contratti di temperatura equatore-polo. Poiché i contrasti termici sono maggiori in inverno, i processi atmosferici sono più intensi che in estate. Questo spiega anche il fatto che il predominante venti occidentali in inverno nella troposfera hanno velocità maggiori che in estate. In questo caso, la velocità del vento, di regola, aumenta con l'altezza, raggiungendo un massimo al limite superiore della troposfera. Il trasporto orizzontale è accompagnato da movimenti d'aria verticali e da movimenti turbolenti (disordinati). A causa dell'aumento e della caduta di grandi volumi d'aria, le nuvole si formano e si disperdono, le precipitazioni si verificano e si fermano. Lo strato di transizione tra la troposfera e la sfera sovrastante è tropopausa. Sopra di essa si trova la stratosfera.

Stratosfera si estende dalle altezze 8-17 a 50-55 km. Fu aperto all'inizio del nostro secolo. Di Proprietà fisiche La stratosfera differisce nettamente dalla troposfera già in quanto la temperatura dell'aria qui, di regola, aumenta in media di 1 - 2 ° per chilometro di altitudine e al limite superiore, ad un'altezza di 50-55 km, diventa addirittura positivo. L'aumento della temperatura in quest'area è causato dalla presenza di ozono (O 3), che si forma sotto l'influenza della radiazione ultravioletta del sole. Lo strato di ozono copre quasi l'intera stratosfera. La stratosfera è molto povera di vapore acqueo. Non ci sono processi violenti di formazione di nubi e nessuna precipitazione.

Più recentemente, si è ipotizzato che la stratosfera fosse un ambiente relativamente calmo, dove non si verifica la miscelazione dell'aria, come nella troposfera. Pertanto, si credeva che i gas nella stratosfera fossero divisi in strati, in base al loro peso specifico. Da qui il nome della stratosfera ("stratus" - stratificato). Si credeva anche che la temperatura nella stratosfera si formasse sotto l'influenza dell'equilibrio radiativo, cioè quando la radiazione solare assorbita e quella riflessa sono uguali.

Nuovi dati ottenuti da radiosonde e razzi meteorologici hanno mostrato che nella stratosfera, come nell'alta troposfera, c'è un'intensa circolazione d'aria con grandi sbalzi di temperatura e vento. Qui, come nella troposfera, l'aria subisce notevoli movimenti verticali, movimenti turbolenti con forti correnti d'aria orizzontali. Tutto questo è il risultato di una distribuzione di temperatura non uniforme.

Lo strato di transizione tra la stratosfera e la sfera sovrastante è stratopausa. Tuttavia, prima di procedere alle caratteristiche degli strati superiori dell'atmosfera, conosciamo la cosiddetta ozonosfera, i cui confini corrispondono approssimativamente ai confini della stratosfera.

Ozono nell'atmosfera. L'ozono svolge un ruolo importante nella creazione del regime di temperatura e delle correnti d'aria nella stratosfera. L'ozono (O 3) viene percepito da noi dopo un temporale quando viene inalato aria pulita con un gradevole retrogusto. Tuttavia, qui non parleremo di questo ozono formatosi dopo un temporale, ma dell'ozono contenuto nello strato 10-60 km con un massimo ad un'altezza di 22-25 km. L'ozono è prodotto dall'azione dei raggi ultravioletti del sole e, sebbene la sua quantità totale sia insignificante, svolge un ruolo importante nell'atmosfera. L'ozono ha la capacità di assorbire le radiazioni ultraviolette dal sole e quindi protegge gli animali e mondo vegetale dal suo effetto distruttivo. Anche quella minuscola frazione di raggi ultravioletti che raggiunge la superficie della terra brucia gravemente il corpo quando una persona ama eccessivamente prendere il sole.

La quantità di ozono non è la stessa in diverse parti della Terra. C'è più ozono alle alte latitudini, meno alle medie e basse latitudini, e questa quantità cambia a seconda del cambio delle stagioni dell'anno. Più ozono in primavera, meno in autunno. Inoltre, le sue fluttuazioni non periodiche si verificano a seconda della circolazione orizzontale e verticale dell'atmosfera. Molti processi atmosferici sono strettamente correlati al contenuto di ozono, poiché ha un effetto diretto sul campo di temperatura.

In inverno, durante la notte polare, alle alte latitudini, lo strato di ozono emette e rinfresca l'aria. Di conseguenza, nella stratosfera delle alte latitudini (nell'Artico e nell'Antartico) in inverno si forma una regione fredda, un vortice ciclonico stratosferico con ampi gradienti orizzontali di temperatura e pressione, che provoca venti occidentali alle medie latitudini del globo.

In estate, in condizioni di giornata polare, alle alte latitudini, l'assorbimento avviene nello strato di ozono calore solare e riscaldando l'aria. Come risultato dell'aumento della temperatura nella stratosfera delle alte latitudini, si formano una regione di calore e un vortice anticiclonico stratosferico. Pertanto, oltre le latitudini medie del globo superiore a 20 km in estate nella stratosfera prevalgono i venti di levante.

Mesosfera. Osservazioni con razzi meteorologici e altri metodi hanno stabilito che l'aumento complessivo della temperatura osservato nella stratosfera termina ad altitudini di 50-55 km. Al di sopra di questo strato, la temperatura scende di nuovo e vicino al limite superiore della mesosfera (circa 80 km) raggiunge -75°, -90°. Inoltre, la temperatura aumenta di nuovo con l'altezza.

È interessante notare che la diminuzione della temperatura con l'altezza, caratteristica della mesosfera, avviene in modo diverso alle diverse latitudini e durante tutto l'anno. Alle basse latitudini il calo di temperatura avviene più lentamente che alle alte latitudini: il gradiente di temperatura verticale medio per la mesosfera è, rispettivamente, 0,23° - 0,31° per 100 m o 2,3°-3,1° per 1 km. In estate è molto più grande che in inverno. Come mostrato ultime ricerche alle alte latitudini, la temperatura al limite superiore della mesosfera in estate è di alcune decine di gradi inferiore rispetto all'inverno. Nella mesosfera superiore ad un'altezza di circa 80 km nello strato della mesopausa, la diminuzione della temperatura con l'altezza si interrompe e inizia il suo aumento. Qui, sotto lo strato di inversione al crepuscolo o prima dell'alba con tempo sereno, si osservano nuvole sottili e brillanti, illuminate dal sole sotto l'orizzonte. Sullo sfondo scuro del cielo, brillano di una luce blu-argento. Pertanto, queste nuvole sono chiamate argentate.

La natura delle nuvole nottilucenti non è ancora ben compresa. Per molto tempo credevano che fossero composti da polvere vulcanica. Tuttavia, l'assenza di fenomeni ottici caratteristici delle vere nubi vulcaniche ha portato al rifiuto di questa ipotesi. Quindi è stato suggerito che le nuvole nottilucenti siano composte da polvere cosmica. Negli ultimi anni è stata proposta l'ipotesi che queste nubi siano composte da cristalli di ghiaccio, come normali cirri. Il livello di posizione delle nuvole nottilucenti è determinato dallo strato di ritardo dovuto a inversione di temperatura durante il passaggio dalla mesosfera alla termosfera ad un'altezza di circa 80 km. Poiché la temperatura nello strato di subinversione raggiunge i -80°C e meno, qui si creano le condizioni più favorevoli per la condensazione del vapore acqueo, che qui entra dalla stratosfera per effetto del movimento verticale o per diffusione turbolenta. Le nubi nottilucenti si osservano solitamente in estate, a volte in numero molto elevato e per diversi mesi.

Osservazioni per nuvole argentate si è riscontrato che in estate al loro livello i venti sono molto variabili. Le velocità del vento variano ampiamente: da 50-100 a diverse centinaia di chilometri orari.

Temperatura in quota. Una rappresentazione visiva della natura della distribuzione della temperatura con l'altezza, tra la superficie terrestre e altezze di 90-100 km, in inverno e in estate nell'emisfero settentrionale, è data nella Figura 5. Le superfici che separano le sfere sono qui rappresentate da grassetto linee tratteggiate. In fondo spicca bene la troposfera, con una caratteristica diminuzione della temperatura con l'altezza. Al di sopra della tropopausa, nella stratosfera, invece, la temperatura aumenta con l'altezza in genere e ad altezze di 50-55 km raggiunge + 10°, -10°. Facciamo attenzione a un dettaglio importante. In inverno, nella stratosfera delle alte latitudini, la temperatura sopra la tropopausa scende da -60 a -75° e solo sopra i 30 km sale nuovamente a -15°. In estate, a partire dalla tropopausa, la temperatura aumenta con l'altezza e di 50 km raggiunge + 10°. Al di sopra della stratopausa, la temperatura ricomincia a diminuire con l'altezza, e ad un livello di 80 km non supera -70°, -90°.

Dalla figura 5 segue che nello strato 10-40 km la temperatura dell'aria in inverno e in estate alle alte latitudini è nettamente diversa. In inverno, durante la notte polare, la temperatura qui raggiunge -60°, -75°, e in estate una minima di -45° è vicino alla tropopausa. Al di sopra della tropopausa, la temperatura aumenta e ad altitudini di 30-35 kmè solo -30°, -20°, che è causato dal riscaldamento dell'aria nello strato di ozono durante il giorno polare. Dal dato risulta anche che anche in una stagione e allo stesso livello la temperatura non è la stessa. La loro differenza tra le diverse latitudini supera i 20-30°. In questo caso, la disomogeneità è particolarmente significativa nello strato a bassa temperatura (18-30 km) e nello strato di temperature massime (50-60 km) nella stratosfera, così come nello strato di basse temperature nella mesosfera superiore (75-85km).

Le temperature medie mostrate nella Figura 5 si basano su osservazioni nell'emisfero nord, ma secondo le informazioni disponibili possono essere attribuite anche all'emisfero sud. Alcune differenze esistono principalmente alle alte latitudini. Sopra l'Antartide in inverno, la temperatura dell'aria nella troposfera e nella bassa stratosfera è notevolmente inferiore rispetto all'Artico centrale.

Venti alti. La distribuzione stagionale della temperatura determina un sistema piuttosto complesso di correnti d'aria nella stratosfera e nella mesosfera.

La figura 6 mostra una sezione verticale del campo di vento nell'atmosfera tra la superficie terrestre e un'altezza di 90 km inverno ed estate nell'emisfero nord. Le isoline mostrano le velocità medie del vento prevalente (in SM). Dalla figura risulta che il regime del vento in inverno e in estate nella stratosfera è nettamente diverso. In inverno, sia nella troposfera che nella stratosfera, prevalgono i venti occidentali con velocità massime pari a circa

100 SM ad un'altezza di 60-65 km. In estate, i venti occidentali prevalgono solo fino a altezze di 18-20 km. Più in alto diventano orientali, con velocità massime fino a 70 SM ad un'altezza di 55-60km.

In estate, sopra la mesosfera, i venti diventano occidentali e in inverno diventano orientali.

Termosfera. Sopra la mesosfera si trova la termosfera, caratterizzata da un aumento della temperatura Insieme a altezza. Secondo i dati ottenuti, principalmente con l'aiuto di razzi, è stato riscontrato che nella termosfera è già a livello di 150 km la temperatura dell'aria raggiunge i 220-240°, ea livello di 200 km oltre 500°. Sopra, la temperatura continua a salire ea livello di 500-600 km supera i 1500°. Sulla base dei dati dei lanci satelliti artificiali Terra, si è riscontrato che nella termosfera superiore la temperatura raggiunge circa 2000° e oscilla notevolmente durante il giorno. Sorge la domanda su come spiegare una temperatura così elevata negli strati alti dell'atmosfera. Ricordiamo che la temperatura di un gas è una misura della velocità media delle molecole. Nella parte inferiore e più densa dell'atmosfera, le molecole di gas che compongono l'aria spesso si scontrano tra loro quando si muovono e si trasferiscono istantaneamente energia cinetica l'una all'altra. Pertanto, l'energia cinetica in un mezzo denso è in media la stessa. Negli strati alti, dove la densità dell'aria è molto bassa, le collisioni tra molecole situate a grandi distanze si verificano meno frequentemente. Quando l'energia viene assorbita, la velocità delle molecole nell'intervallo tra le collisioni cambia notevolmente; inoltre, le molecole dei gas più leggeri si muovono a una velocità maggiore rispetto alle molecole dei gas pesanti. Di conseguenza, la temperatura dei gas può essere diversa.

Nei gas rarefatti ci sono relativamente poche molecole di dimensioni molto piccole (gas leggeri). Se si muovono ad alta velocità, la temperatura in un dato volume d'aria sarà alta. Nella termosfera, ogni centimetro cubo d'aria contiene decine e centinaia di migliaia di molecole di vari gas, mentre sulla superficie terrestre ce ne sono circa cento milioni di miliardi. Pertanto, temperature eccessivamente elevate negli strati alti dell'atmosfera, che mostrano la velocità di movimento delle molecole in questo mezzo molto sottile, non possono causare nemmeno un leggero riscaldamento del corpo qui situato. Proprio come una persona non sente calore quando abbaglia le lampade elettriche, sebbene i filamenti in un mezzo rarefatto si riscaldino istantaneamente fino a diverse migliaia di gradi.

Nella termosfera e nella mesosfera inferiori, la maggior parte degli sciami meteorici si esaurisce prima di raggiungere la superficie terrestre.

Informazioni disponibili sugli strati atmosferici superiori a 60-80 km sono ancora insufficienti per trarre conclusioni finali sulla struttura, il regime e i processi che si sviluppano al loro interno. Tuttavia, è noto che nella mesosfera superiore e nella termosfera inferiore, il regime di temperatura viene creato a seguito della trasformazione dell'ossigeno molecolare (O 2) in ossigeno atomico (O), che avviene sotto l'azione della radiazione solare ultravioletta. Nella termosfera sul regime di temperatura grande influenza rende corpuscolare, radiografica e. radiazione ultravioletta del sole. Qui, anche durante il giorno, si verificano forti sbalzi di temperatura e vento.

Ionizzazione atmosferica. Più caratteristica interessante atmosfera superiore a 60-80 kmè lei ionizzazione, cioè il processo educativo enorme quantità particelle caricate elettricamente - ioni. Poiché la ionizzazione dei gas è caratteristica della termosfera inferiore, è anche chiamata ionosfera.

I gas nella ionosfera sono per la maggior parte allo stato atomico. Sotto l'azione della radiazione ultravioletta e corpuscolare del Sole, che ha un'elevata energia, si verifica il processo di scissione degli elettroni dagli atomi neutri e dalle molecole d'aria. Tali atomi e molecole che hanno perso uno o più elettroni si caricano positivamente e un elettrone libero può riattaccarsi a un atomo o molecola neutra e dotarli della sua carica negativa. Questi atomi e molecole caricati positivamente e negativamente sono chiamati ioni, e i gas ionizzato, cioè, aver ricevuto una carica elettrica. Ad una maggiore concentrazione di ioni, i gas diventano elettricamente conduttivi.

Il processo di ionizzazione avviene più intensamente in strati spessi limitati da altezze di 60-80 e 220-400 km. In questi strati ci sono condizioni ottimali per la ionizzazione. Qui, la densità dell'aria è notevolmente più alta che nell'alta atmosfera e l'afflusso di radiazioni ultraviolette e corpuscolari dal Sole è sufficiente per il processo di ionizzazione.

La scoperta della ionosfera è una delle conquiste più importanti e brillanti della scienza. Dopotutto, una caratteristica distintiva della ionosfera è la sua influenza sulla propagazione delle onde radio. Negli strati ionizzati, le onde radio vengono riflesse e quindi diventa possibile la comunicazione radio a lungo raggio. Gli atomi-ioni carichi riflettono le onde radio corte e tornano di nuovo sulla superficie terrestre, ma già a una distanza considerevole dal luogo di trasmissione radio. Ovviamente, le onde radio corte effettuano più volte questo percorso e quindi è assicurata la comunicazione radio a lungo raggio. Se non fosse per la ionosfera, per la trasmissione dei segnali delle stazioni radio su lunghe distanze sarebbe necessario costruire costose linee di trasmissione radio.

Tuttavia, è noto che a volte le comunicazioni radio a onde corte vengono interrotte. Ciò si verifica a causa dei bagliori cromosferici sul Sole, a causa dei quali la radiazione ultravioletta del Sole aumenta bruscamente, portando a forti disturbi della ionosfera e del campo magnetico terrestre: tempeste magnetiche. Durante le tempeste magnetiche, la comunicazione radio viene interrotta, poiché il movimento delle particelle cariche dipende dal campo magnetico. Durante le tempeste magnetiche, la ionosfera riflette peggio le onde radio o le trasmette nello spazio. Principalmente con un cambiamento nell'attività solare, accompagnato da un aumento della radiazione ultravioletta, la densità elettronica della ionosfera e l'assorbimento delle onde radio durante il giorno aumentano, portando all'interruzione delle comunicazioni radio a onde corte.

Secondo una nuova ricerca, in un potente strato ionizzato ci sono zone in cui la concentrazione di elettroni liberi raggiunge una concentrazione leggermente superiore rispetto agli strati vicini. Sono note quattro di queste zone, che si trovano ad altitudini di circa 60-80, 100-120, 180-200 e 300-400 km e sono contrassegnati da lettere D, e, F 1 e F 2 . Con l'aumento della radiazione solare, le particelle cariche (corpuscoli) sotto l'influenza del campo magnetico terrestre vengono deviate verso le alte latitudini. Entrando nell'atmosfera, i corpuscoli intensificano la ionizzazione dei gas a tal punto che inizia il loro bagliore. Questo è come aurore- sotto forma di bellissimi archi multicolori che si illuminano nel cielo notturno, principalmente alle alte latitudini della Terra. Le aurore sono accompagnate da forti tempeste magnetiche. In questi casi, le aurore diventano visibili alle medie latitudini, e in rari casi anche nella zona tropicale. Così, ad esempio, l'intensa aurora osservata il 21-22 gennaio 1957, era visibile in quasi tutte le regioni meridionali del nostro Paese.

Fotografando le aurore da due punti situati a una distanza di diverse decine di chilometri, l'altezza dell'aurora viene determinata con grande precisione. Le aurore si trovano solitamente a un'altitudine di circa 100 km, spesso si trovano a un'altitudine di diverse centinaia di chilometri e talvolta a un livello di circa 1000 km. Sebbene la natura delle aurore sia stata chiarita, ci sono ancora molte questioni irrisolte relative a questo fenomeno. Le ragioni della diversità delle forme delle aurore sono ancora sconosciute.

Secondo il terzo satellite sovietico, tra le altezze 200 e 1000 km durante il giorno predominano gli ioni positivi dell'ossigeno molecolare diviso, cioè l'ossigeno atomico (O). Gli scienziati sovietici stanno studiando la ionosfera con l'aiuto dei satelliti artificiali della serie Kosmos. Scienziati americani stanno anche studiando la ionosfera con l'aiuto dei satelliti.

La superficie che separa la termosfera dall'esosfera fluttua a seconda dei cambiamenti nell'attività solare e di altri fattori. In verticale, queste fluttuazioni raggiungono 100-200 km e altro ancora.

Esosfera (sfera di dispersione) - la parte più alta dell'atmosfera, situata sopra 800 km.È poco studiata. Secondo i dati delle osservazioni e dei calcoli teorici, la temperatura nell'esosfera aumenta con l'altezza presumibilmente fino a 2000°. A differenza della ionosfera inferiore, nell'esosfera i gas sono così rarefatti che le loro particelle, muovendosi a velocità tremende, non si incontrano quasi mai.

Fino a tempi relativamente recenti, si presumeva che il confine condizionale dell'atmosfera si trovasse a un'altitudine di circa 1000 km. Tuttavia, sulla base della decelerazione dei satelliti artificiali terrestri, è stato stabilito che ad altitudini di 700-800 km in 1 cm 3 contiene fino a 160 mila ioni positivi di ossigeno atomico e azoto. Ciò dà motivo di supporre che gli strati carichi dell'atmosfera si estendano nello spazio per una distanza molto maggiore.

In alte temperature al limite condizionale dell'atmosfera, le velocità delle particelle di gas raggiungono circa 12 km/s A queste velocità, i gas lasciano gradualmente la regione di gravità terrestre nello spazio interplanetario. Questo va avanti da molto tempo. Ad esempio, le particelle di idrogeno ed elio vengono rimosse nello spazio interplanetario nell'arco di diversi anni.

Nello studio degli strati alti dell'atmosfera, sono stati ottenuti dati ricchi sia dai satelliti delle serie Kosmos ed Elektron, sia dai razzi geofisici e dalle stazioni spaziali Mars-1, Luna-4, ecc. Anche le osservazioni dirette degli astronauti sono state preziose. Quindi, secondo le fotografie scattate nello spazio da V. Nikolaeva-Tereshkova, è stato scoperto che a un'altitudine di 19 km c'è uno strato di polvere dalla Terra. Ciò è stato confermato anche dai dati ottenuti dall'equipaggio della navicella Voskhod. Apparentemente, esiste una stretta relazione tra lo strato di polvere e il cosiddetto nuvole di madreperla, talvolta osservato ad altitudini di circa 20-30km.

Dall'atmosfera allo spazio. Precedenti ipotesi che al di fuori dell'atmosfera terrestre, nell'interplanetario

spazio, i gas sono molto rarefatti e la concentrazione di particelle non supera diverse unità in 1 cm 3, non erano giustificati. Gli studi hanno dimostrato che lo spazio vicino alla Terra è pieno di particelle cariche. Su questa base è stata avanzata un'ipotesi circa l'esistenza di zone intorno alla Terra con un contenuto notevolmente aumentato di particelle cariche, ad es. cinture di radiazioni- interno ed esterno. Nuovi dati hanno aiutato a fare chiarezza. Si è scoperto che ci sono anche particelle cariche tra le cinture di radiazione interna ed esterna. Il loro numero varia a seconda dell'attività geomagnetica e solare. Pertanto, secondo la nuova ipotesi, al posto delle cinture di radiazione, ci sono zone di radiazione senza confini chiaramente definiti. I confini delle zone di radiazione cambiano a seconda dell'attività solare. Con la sua intensificazione, cioè quando sul Sole compaiono macchie e getti di gas, espulsi per centinaia di migliaia di chilometri, aumenta il flusso di particelle cosmiche, che alimentano le zone di radiazione della Terra.

Le zone di radiazione sono pericolose per le persone che volano su veicoli spaziali. Pertanto, prima di un volo nello spazio, vengono determinati lo stato e la posizione delle zone di radiazione e l'orbita del veicolo spaziale viene scelta in modo tale da passare al di fuori delle regioni di maggiore radiazione. Tuttavia, gli strati alti dell'atmosfera, così come lo spazio esterno vicino alla Terra, non sono stati ancora studiati a sufficienza.

Nello studio degli strati alti dell'atmosfera e dello spazio vicino alla Terra, vengono utilizzati ricchi dati ottenuti dai satelliti della serie Kosmos e dalle stazioni spaziali.

Gli strati alti dell'atmosfera sono i meno studiati. Tuttavia, i metodi moderni per studiarlo ci permettono di sperare che nei prossimi anni una persona conoscerà molti dettagli della struttura dell'atmosfera in fondo alla quale vive.

In conclusione, presentiamo una sezione verticale schematica dell'atmosfera (Fig. 7). Qui, le altitudini in chilometri e la pressione atmosferica in millimetri sono tracciate verticalmente e la temperatura è tracciata orizzontalmente. La curva solida mostra la variazione della temperatura dell'aria con l'altezza. Alle quote corrispondenti sono stati rilevati i fenomeni più importanti osservati nell'atmosfera, nonché le altezze massime raggiunte dalle radiosonde e da altri mezzi di sondaggi dell'atmosfera.

- il guscio d'aria del globo che ruota con la Terra. Il limite superiore dell'atmosfera è convenzionalmente effettuato ad altitudini di 150-200 km. Il limite inferiore è la superficie della Terra.

L'aria atmosferica è una miscela di gas. La maggior parte del suo volume nello strato d'aria superficiale è costituito da azoto (78%) e ossigeno (21%). Inoltre, l'aria contiene gas inerti (argon, elio, neon, ecc.), anidride carbonica (0,03), vapore acqueo e varie particelle solide (polvere, fuliggine, cristalli di sale).

L'aria è incolore e il colore del cielo è spiegato dalle peculiarità della dispersione delle onde luminose.

L'atmosfera è composta da diversi strati: troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera.

Viene chiamato lo strato inferiore di aria troposfera. A latitudini diverse, la sua potenza non è la stessa. La troposfera ripete la forma del pianeta e partecipa insieme alla Terra alla rotazione assiale. All'equatore, lo spessore dell'atmosfera varia da 10 a 20 km. All'equatore è maggiore e ai poli è minore. La troposfera è caratterizzata dalla massima densità dell'aria, in essa sono concentrati 4/5 della massa dell'intera atmosfera. La troposfera determina tempo atmosferico: vari masse d'aria, si formano nuvole e precipitazioni, c'è un intenso movimento orizzontale e verticale dell'aria.

Sopra la troposfera, fino a un'altitudine di 50 km, si trova stratosfera.È caratterizzato da una densità d'aria inferiore, non contiene vapore acqueo. Nella parte bassa della stratosfera ad altitudini di circa 25 km. c'è uno "schermo dell'ozono" - uno strato dell'atmosfera con un'alta concentrazione di ozono, che assorbe la radiazione ultravioletta, che è fatale per gli organismi.

Ad un'altitudine di 50 a 80-90 km si estende mesosfera. All'aumentare dell'altitudine, la temperatura diminuisce con una pendenza verticale media di (0,25-0,3)° / 100 m e la densità dell'aria diminuisce. Il principale processo energetico è il trasferimento di calore radiante. Il bagliore dell'atmosfera è dovuto a complessi processi fotochimici che coinvolgono radicali, molecole eccitate vibrazionalmente.

Termosfera situato ad un'altitudine compresa tra 80-90 e 800 km. La densità dell'aria qui è minima, il grado di ionizzazione dell'aria è molto alto. La temperatura cambia a seconda dell'attività del Sole. A causa del gran numero di particelle cariche, qui si osservano aurore e tempeste magnetiche.

L'atmosfera è di grande importanza per la natura della Terra. Senza ossigeno, gli organismi viventi non possono respirare. Il suo strato di ozono protegge tutti gli esseri viventi dai dannosi raggi ultravioletti. L'atmosfera attenua le fluttuazioni di temperatura: la superficie terrestre non viene superraffreddata di notte e non si surriscalda durante il giorno. Negli strati densi di aria atmosferica, non raggiungendo la superficie del pianeta, i meteoriti bruciano dalle spine.

L'atmosfera interagisce con tutti i gusci della terra. Con il suo aiuto, lo scambio di calore e umidità tra l'oceano e la terraferma. Senza l'atmosfera non ci sarebbero nuvole, precipitazioni, venti.

Le attività umane hanno un effetto negativo significativo sull'atmosfera. Si verifica inquinamento atmosferico, che porta ad un aumento della concentrazione di monossido di carbonio (CO 2). E questo contribuisce al riscaldamento globale e migliora l'"effetto serra". Lo strato di ozono della Terra viene distrutto a causa dei rifiuti industriali e dei trasporti.

L'atmosfera deve essere protetta. Nei paesi sviluppati, viene adottata una serie di misure per proteggere l'aria atmosferica dall'inquinamento.

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