Состав и структура атмосферы

Кто из нас постоянно думает о том, чем мы дышим? Никто, наверное. Между тем, состав и структура атмосферы может быть увлекательной, особенно если Вы любите полярное сияние или экстремальные виды спорта. Давайте начнем с состава воздуха.

Состав воздуха

Воздух содержит постоянные и переменные компоненты, отличающиеся своим появлением на расстоянии до 100 км.

Постоянные компоненты включают в себя:

• азот – 78,08 %  объема
• кислород – 20,95 %
• аргон – 0,93 %
• другие газы: неон, гелий, криптон, метан, ксенон – менее 0,01 %.

Переменные компоненты включают в себя:

• диоксид углерода – в среднем 0,03 %, что обусловлено природными факторами (например, извержениями вулканов) и антропогенными факторами (например, сжиганием ископаемого топлива)
• озон
• водяной пар – 0,0-4,1%
• Загрязнители – космическая пыль, вулканические, вентиляционные, промышленные, пыльца растений, бактерии, сера, окиси углерода и азота

На высотах от 100 до 1000 км водород и гелий постепенно становятся единственными компонентами воздуха на границе с космосом.

Как появляется озон?

Молекулы кислорода O2, подвергнутые ультрафиолетовому излучению Солнца длиной волны ниже 240 нм, распадаются на свободный O. Озон, или O3, образуется в результате столкновения молекулы кислорода O2 с медленно летящей O. Это очень неустойчивая комбинация, и ее распад может быть ускорен загрязнением воздуха, фреоном, оксидами азота, галонами.

В результате непрерывной солнечной радиации большая часть озона образуется между тропиками. Циркуляция воздуха переносит его через полюса, поэтому, как это ни парадоксально, тончайший озоновый слой находится над экватором.

Актуальным вопросом является феномен озоновой дыры и изменений климата. Обычно приводятся истинные аргументы, но не общая ситуация. Я не буду останавливаться на этой теме, но есть несколько фактов, которые верны:

• диоксид углерода растворяется в океанах и вызывает повышение температуры поверхностных вод
• углекислый газ в воде вызывает развитие организмов, которые выделяют больше CO2, и уменьшение количества диатомовых, вырабатывающих кислород
• объем углекислого газа (а также других компонентов таблицы Менделеева) в атмосфере увеличивается за счет деятельности человека – как промышленной, так и сельскохозяйственной.
• человеческая деятельность оказывает влияние на глобальное потепление (однако масштабы этого влияния спорны)
• климат Земли подвержен естественному потеплению и охлаждению с амплитудой в несколько столетий.

Структура атмосферы

Атмосфера состоит из нескольких слоев – тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Воздух сконцентрирован ближе к планете – почти весь он содержится на высоте до 100 км, а его половина – на высоте до 5 км. Атмосфера защищает Землю не только от радиации, но и от космического мусора – метеоритов и др.

Тропосфера

Тропосфера – самый динамичный слой. Он простирается от поверхности Земли примерно на 7 км выше полюсов и примерно на 18 км выше экватора. Он всегда находится в самой высокой точке, где солнечные лучи падают под прямым углом, что связано с циркуляцией воздуха. Именно здесь находится 4/5 земного воздуха, где происходят все географические явления, включая климат и погоду.

Чем выше, тем ниже температура. В среднем предполагается минус 0,6 градуса Цельсия на 100 метров. Как можно легко сосчитать в конце тропосферы, над экватором мы отмечаем около -75 градусов, а над полюсами от -45 до -70.

Тропосфера заканчивается тропопаузой, где больше нет таких больших перепадов температуры.

 

Стратосфера и озоносфера

Другой слой – стратосфера, которая простирается от тропопаузы до стратопаузы на высоте около 50 км. Первоначально температура очень низкая и имеет отрицательные значения, но с высоты около 35 км до 50 км она поднимается до нуля. Почему? Именно озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение, вырабатывая тепло. Предполагается, что озоновый слой простирается от верхней тропосферы до конца стратосферы, но больше всего озонового слоя находится на высоте 20-35 км над поверхностью планеты.

Мезосфера, термосфера, экзосфера

Мезосфера находится на 30-35 километров ниже мезопаузы. Температура воздуха снова падает до -80-120 градусов Цельсия.

Термосфера немного похожа на стратосферу. Температура поднимается даже до 1000-1500 градусов, и все это благодаря ионам, которые поглощают короткие и ультракороткие электромагнитные волны солнечного излучения. В ионосфере образуется полярное сияние, которое особенно хорошо видно в околополярных зонах.