Jordens atmosfär (från annan grekisk ἀτμός - ånga och σφαῖρα - boll) - ett gasformigt skal som omger planeten Jord , en av geosfärerna . Dess inre yta täcker hydrosfären och delvis jordskorpan, medan den yttre ytan passerar in i den jordnära delen av yttre rymden.
Helheten av delar av fysik och kemi som studerar atmosfären kallas vanligtvis atmosfärsfysik . Atmosfärens tillstånd avgör vädret och klimatet på jordens yta. Meteorologi handlar om studiet av väder och klimatologi handlar om klimat och dess variationer .
Atmosfären anses vara det område runt jorden där det gasformiga mediet roterar tillsammans med jorden som helhet [1] . Atmosfären passerar gradvis in i det interplanetära rymden, i exosfären , med början på en höjd av 500-1000 km från jordens yta [2] .
Enligt den definition som föreslagits av International Aviation Federation , dras gränsen för atmosfären och rymden längs Karmanlinjen , som ligger på en höjd av 100 km [3] , över vilken flygningar blir helt omöjliga. NASA använder markeringen på 122 kilometer ( 400 000 fot ) som gränsen för atmosfären , där skyttlarna bytte från framdrivningsmanövrering till aerodynamisk manövrering när de återvände till jorden [4] .
Den totala luftmassan i atmosfären är (5,1-5,3)⋅10 18 kg. Av dessa är massan av torr luft (5,1352 ± 0,0003)⋅10 18 kg, den totala massan av vattenånga är i genomsnitt 1,27⋅10 16 kg.
Den molära massan av ren torr luft är 28,966 g/mol, luftdensiteten vid havsytan är cirka 1,2 kg/m 3 . Trycket vid 0 °C vid havsnivån är 101,325 kPa ; kritisk temperatur - -140,7 ° C (~ 132,4 K ); kritiskt tryck - 3,7 MPa; vid 0°C - 1,0048⋅103 J /(kg K), -0,7159⋅103 J /(kg K) (vid 0°C). Lösligheten av luft i vatten (i massa) vid 0 °C är 0,0036 %, vid 25 °C är den 0,0023 %.
För " normala förhållanden " vid jordens yta tas: densitet 1,225 kg / m 3 , barometertryck 101,325 kPa, temperatur +15 ° C, luftfuktighet 0%. Dessa villkorade indikatorer har ett rent tekniskt värde.
Jordens atmosfär uppstod som ett resultat av två processer: förångningen av materia från kosmiska kroppar under deras fall till jorden och frigörandet av gaser under vulkanutbrott (avgasning av jordens mantel). Med separeringen av haven och uppkomsten av biosfären förändrades atmosfären på grund av gasutbyte med vatten, växter, djur och deras nedbrytningsprodukter i jordar och träsk.
För närvarande består jordens atmosfär huvudsakligen av gaser och olika föroreningar (damm, vattendroppar, iskristaller, havssalter, förbränningsprodukter).
Koncentrationen av gaser som utgör atmosfären är nästan konstant, med undantag för vatten ( ) och koldioxid ( ), vars koncentration har ökat sedan mitten av 1900-talet.
Gas | Innehåll i volym, % |
Innehåll i vikt, % |
---|---|---|
Kväve | 78,084 | 75,51 |
Syre | 20,946 | 23.14 |
Argon | 0,934 | 1.3 |
Koldioxid | 0,03 - 0,04 [7] | 0,05 [8] |
Neon | 1,818⋅10 −3 | 1,2⋅10 −3 |
Helium | 5,24⋅10 −4 | 8⋅10−5 _ |
Metan | 1,7⋅10 −4 — 2⋅10 −4 [9] | |
Krypton | 1,14⋅10 −4 | 2,9⋅10 −4 |
Väte | 5⋅10 −5 | 3,5⋅10 −6 |
Xenon | 8,7⋅10 −6 | 3,6⋅10 −5 |
Vattenhalten i atmosfären (i form av vattenånga) varierar från 0,2 % till 2,5 % i volym, och beror främst på latitud [10] .
Förutom de gaser som anges i tabellen innehåller atmosfären även andra kväveoxider ( , ), propan och andra kolväten , , , , , , , , , ångor , , , och många andra gaser i små mängder. I troposfären finns ständigt en stor mängd suspenderade fasta och flytande partiklar ( aerosol ). Den sällsynta gasen i jordens atmosfär är .
Troposfärens nedre lager (1–2 km tjockt), där tillståndet och egenskaperna hos jordytan direkt påverkar atmosfärens dynamik.
Dess övre gräns är på en höjd av 8-10 km på polära breddgrader, 10-12 km på tempererade breddgrader och 16-18 km på tropiska breddgrader; lägre på vintern än på sommaren.
Atmosfärens nedre huvudskikt innehåller mer än 80 % av den totala massan av atmosfärisk luft och cirka 90 % av all vattenånga som finns i atmosfären. Turbulens och konvektion är starkt utvecklad i troposfären , moln uppstår , cykloner och anticykloner utvecklas . Temperaturen minskar med höjden med en genomsnittlig vertikal gradient på 0,65°/100 meter.
Övergångsskiktet från troposfären till stratosfären, det skikt av atmosfären där minskningen av lufttemperaturen upphör med ökande höjd.
Atmosfärens skikt ligger på en höjd av 11 till 50 km. En liten temperaturförändring i 11-25 km skiktet (det nedre skiktet av stratosfären) och dess ökning i 25-40 km skiktet från -56,5 till +0,8 ° C (övre stratosfären eller inversionsregionen ) är karakteristiska. Efter att ha nått ett värde av cirka 273 K (nästan 0 °C) på en höjd av cirka 40 km, förblir temperaturen konstant upp till en höjd av cirka 55 km. Denna region med konstant temperatur kallas stratopaus och är gränsen mellan stratosfären och mesosfären . I mitten av 1800-talet trodde man att på en höjd av 12 km (6 tusen toises ) tar jordens atmosfär slut ( Fem veckor i en ballong , kap. 13). Stratosfären innehåller ozonskiktet , som skyddar jorden från ultraviolett strålning .
Atmosfärens gränsskikt mellan stratosfären och mesosfären. Det finns ett maximum i den vertikala temperaturfördelningen (ca 0 °C).
Mesosfären börjar på en höjd av 50 km och sträcker sig upp till 80–90 km. Temperaturen minskar med höjden med en genomsnittlig vertikal gradient på (0,25-0,3)°/100 m. Den huvudsakliga energiprocessen är strålningsvärmeöverföring. Komplexa fotokemiska processer som involverar fria radikaler , vibrationsexciterade molekyler och så vidare bestämmer atmosfärens glöd.
Övergångsskikt mellan mesosfär och termosfär. Det finns ett minimum i den vertikala temperaturfördelningen (cirka −90 °C).
Höjd över havet, vilket är konventionellt accepterat som gränsen mellan jordens atmosfär och rymden. Enligt FAI -definitionen ligger Karmanlinjen på en höjd av 100 km över havet [3] .
Den övre gränsen är ca 800 km. Temperaturen stiger till höjder på 200–300 km, där den når värden av storleksordningen 1500 K, varefter den förblir nästan konstant upp till höga höjder. Under påverkan av solstrålning och kosmisk strålning joniseras luften (" polarljus ") - jonosfärens huvudområden ligger inuti termosfären. På höjder över 300 km dominerar atomärt syre. Termosfärens övre gräns bestäms till stor del av solens nuvarande aktivitet . Under perioder med låg aktivitet - till exempel 2008-2009 - sker en märkbar minskning av storleken på detta lager [11] .
Området i atmosfären ovanför termosfären. I denna region är absorptionen av solstrålning obetydlig och temperaturen ändras praktiskt taget inte med höjden.
Exosfären är spridningszonen, den yttre delen av termosfären, belägen över 500-1000 km (beroende på solaktiviteten) [2] . Gasen i exosfären är mycket sällsynt, och därför läcker dess partiklar in i det interplanetära rummet ( förlust ).
Upp till en höjd av 100 km är atmosfären en homogen, välblandad blandning av gaser. I högre lager beror fördelningen av gaser på höjden på deras molekylära massor, koncentrationen av tyngre gaser minskar snabbare med avståndet från jordens yta. På grund av minskningen av gasdensiteten sjunker temperaturen från 0 °C i stratosfären till minus 110 °C i mesosfären. Den kinetiska energin hos enskilda partiklar på höjder av 200–250 km motsvarar dock en temperatur på ~150°C. Över 200 km observeras betydande fluktuationer i temperatur och gasdensitet i tid och rum.
På en höjd av cirka 2000-3500 km övergår exosfären gradvis in i det så kallade nära rymdvakuumet , som är fyllt med sällsynta partiklar av interplanetär gas, främst väteatomer. Men denna gas är bara en del av den interplanetära materien. Den andra delen består av dammliknande partiklar av kometärt och meteoriskt ursprung. Förutom extremt sällsynta dammliknande partiklar tränger elektromagnetisk och korpuskulär strålning av sol- och galaktiskt ursprung in i detta utrymme.
En analys av data från SWAN-instrumentet ombord på rymdfarkosten SOHO visade att den yttersta delen av jordens exosfär (geokorona) sträcker sig över cirka 100 jordradier eller cirka 640 tusen km, det vill säga mycket längre än månens bana [12] .
Troposfären står för cirka 80 % av atmosfärens massa, stratosfären för cirka 20 %; massan av mesosfären är inte mer än 0,3%, termosfären är mindre än 0,05% av den totala massan av atmosfären.
Baserat på de elektriska egenskaperna i atmosfären särskiljs neutrosfären och jonosfären .
Beroende på sammansättningen av gasen i atmosfären särskiljs homosfär och heterosfär . Heterosfären är ett område där gravitationen har en effekt på separationen av gaser, eftersom deras blandning på en sådan höjd är försumbar. Därav följer den varierande sammansättningen av heterosfären. Under den ligger en välblandad, homogen del av atmosfären, kallad homosfären . Gränsen mellan dessa lager kallas turbopaus , den ligger på en höjd av cirka 120 km.
Redan på en höjd av 5 km över havet utvecklar en otränad person syresvält och utan anpassning minskar en persons prestation avsevärt. Det är här den fysiologiska zonen i atmosfären slutar. Människans andning blir omöjlig på en höjd av 9 km, även om upp till cirka 115 km innehåller atmosfären syre.
Atmosfären ger oss det syre vi behöver för att andas. Men på grund av fallet i atmosfärens totala tryck när du stiger till en höjd, minskar också partialtrycket av syre i enlighet med detta.
Människans lungor innehåller ständigt cirka 3 liter alveolär luft. Syrets partialtryck i alveolluften vid normalt atmosfärstryck är 110 mm Hg. Konst. , koldioxidtryck - 40 mm Hg. Art., och vattenånga - 47 mm Hg. Konst. Med ökande höjd sjunker syretrycket, och det totala trycket av vattenånga och koldioxid i lungorna förblir nästan konstant - cirka 87 mm Hg. Konst. Flödet av syre in i lungorna kommer att sluta helt när trycket i den omgivande luften blir lika med detta värde.
Ur mänsklig fysiologi börjar "rymden" redan på en höjd av cirka 19-20 km. På denna höjd sjunker atmosfärstrycket till 47 mm Hg. Konst. och vattnets kokpunkt är lika med kroppstemperaturen - 36,6 ° C, vilket leder till kokning av vatten och interstitiell vätska i människokroppen. Utanför en tryckkabin på dessa höjder inträffar döden nästan omedelbart.
Täta lager av luft - troposfären och stratosfären - skyddar oss från strålningens skadliga effekter. Med tillräcklig sällsynthet av luft, på höjder av mer än 36 km, har joniserande strålning , primära kosmiska strålar , en intensiv effekt på kroppen ; på höjder över 40 km verkar den ultravioletta delen av solspektrumet, som är farligt för människor.
När vi stiger till en allt större höjd över jordens yta observeras sådana fenomen som är bekanta för oss i de lägre skikten av atmosfären, såsom utbredning av ljud, förekomsten av aerodynamiskt lyft och motstånd, värmeöverföring genom konvektion och andra , gradvis försvagas och försvinner sedan helt.
I sällsynta luftlager är det omöjligt att sprida ljud . Upp till höjder på 60–90 km är det fortfarande möjligt att använda luftmotstånd och lyft för kontrollerad aerodynamisk flygning. Men från höjder på 100-130 km förlorar begreppen M-nummer och ljudbarriären som är bekant för varje pilot sin betydelse: där passerar den villkorliga Karman-linjen , bortom vilken börjar området för rent ballistisk flygning, som kan endast styras med hjälp av reaktiva krafter.
På höjder över 100 km är atmosfären också berövad på en annan anmärkningsvärd egenskap - förmågan att absorbera, leda och överföra termisk energi genom konvektion (det vill säga genom att blanda luft). Det betyder att olika delar av utrustningen, utrustningen i den orbitala rymdstationen inte kommer att kunna kylas utifrån på det sätt som det vanligtvis görs på ett flygplan - med hjälp av luftstrålar och luftradiatorer. På en sådan höjd, som i rymden i allmänhet, är det enda sättet att överföra värme termisk strålning .
Enligt den vanligaste teorin har jordens atmosfär varit i tre olika sammansättningar genom sin historia:
Den primära atmosfären bestod av gaser från solnebulosan, främst väte . Förmodligen inkluderade atmosfären också enkla hydrider, som nu finns i atmosfären hos gasjättar ( Jupiter och Saturnus ) - vattenånga , metan och ammoniak [13] .
Utsläppet av gas från vulkanismen , såväl som gaserna som producerades under det sena tunga bombardemanget av jorden av asteroider , resulterade i en atmosfär som i första hand består av kväve , koldioxid och inerta gaser [13] . Det mesta av den frigjorda koldioxiden löstes i vatten och reagerade med metaller som kalcium och magnesium från vittringen av jordskorpan för att bilda karbonater, som avsattes som sediment. Vattenrelaterade sediment 3,8 miljarder år gamla har hittats [14] .
För cirka 3,4 miljarder år sedan utgjorde kväve det mesta av den då stabila "andra atmosfären". Livets inflytande bör beaktas ganska snart i atmosfärens historia, eftersom antydningar om tidiga livsformer dyker upp så tidigt som för 3,5 miljarder år sedan [15] . Hur jorden vid den tiden höll ett klimat tillräckligt varmt för flytande vatten och liv om den tidiga solen avgav 30 % mindre solstrålning än den gör idag är ett mysterium som kallas "den svaga unga solparadoxen" .
Det geologiska rekordet visar dock en kontinuerlig, relativt varm yta genom hela jordens tidiga temperaturrekord, med undantag för en kall isfas för cirka 2,4 miljarder år sedan. I senarkean började en syrehaltig atmosfär att utvecklas, uppenbarligen skapad av fotosyntetiska cyanobakterier (se syrekatastrof ), som upptäcktes som stromatolitfossiler 2,7 Ga. Den tidiga grundläggande kolisotopen ( en:Stable isotope ratio ) antyder starkt förhållanden som liknar nutiden, och att de grundläggande dragen i den geokemiska kolcykeln etablerades redan för 4 miljarder år sedan.
Gamla fyndigheter i Gabon med anor från cirka 2,15 till 2,08 miljarder år sedan ger bevis på den dynamiska utvecklingen av jordens syresättning. Dessa fluktuationer i syresättningen orsakades troligen av Lomagundi isotopanomali [16] .
Bildandet av en stor mängd kväve beror på oxidationen av ammoniak-väteatmosfären av molekylärt syre , som började komma från planetens yta som ett resultat av fotosyntesen, från och med 3 miljarder år sedan. Kväve släpps också ut i atmosfären som ett resultat av denitrifiering av nitrater och andra kvävehaltiga föreningar. Kväve oxideras av ozon till den övre atmosfären.
Kväve inträder i reaktioner endast under specifika förhållanden (till exempel under en blixtnedladdning). Oxidation av molekylärt kväve med ozon under elektriska urladdningar används i små mängder vid industriell produktion av kvävegödselmedel. Den kan oxideras med låg energiförbrukning och omvandlas till en biologiskt aktiv form av cyanobakterier (blågröna alger) och knölbakterier som bildar rhizobial symbios med baljväxter , som kan vara effektiva gröngödslingsväxter som inte utarmar, utan berikar jorden med naturliga gödselmedel.
Atmosfärens sammansättning började förändras radikalt med tillkomsten av levande organismer på jorden , som ett resultat av fotosyntes , åtföljd av frisättning av syre och absorption av koldioxid. Ursprungligen användes syre för oxidation av reducerade föreningar - ammoniak, kolväten, järnformen av järn som finns i haven och andra. I slutet av detta skede började syrehalten i atmosfären växa. Efter hand bildades en modern atmosfär med oxiderande egenskaper. Eftersom detta orsakade allvarliga och abrupta förändringar i många processer som inträffade i atmosfären , litosfären och biosfären , kallades denna händelse för syrekatastrofen .
Under fanerozoikum förändrades atmosfärens sammansättning och syrehalten. De korrelerade främst med avsättningshastigheten för organiska sedimentära bergarter. Så under perioderna med kolackumulering översteg tydligen syrehalten i atmosfären märkbart den moderna nivån.
Innehållet i atmosfären beror på vulkanisk aktivitet och kemiska processer i jordens skal, på intensiteten av biosyntes och nedbrytning av organiskt material i jordens biosfär . Nästan hela planetens nuvarande biomassa (cirka 2,4⋅10 12 ton) bildas på grund av koldioxid, kväve och vattenånga som finns i atmosfärens luft. Begravd i havet , träsk och skogar förvandlas organiskt material till kol , olja och naturgas .
Halten av koldioxid i atmosfären beror också på gasens löslighet i havens vatten, vilket är relaterat till vattnets temperatur och dess surhet.
Källorna till inerta gaser är vulkanutbrott och sönderfall av radioaktiva grundämnen. Jorden som helhet, och atmosfären i synnerhet, är utarmad på inerta gaser jämfört med rymden och vissa andra planeter. Det gäller helium, neon, krypton, xenon och radon. Koncentrationen av argon är tvärtom onormalt hög och uppgår till nästan 1 % av atmosfärens gassammansättning. En stor mängd av denna gas beror på det intensiva sönderfallet av den radioaktiva isotopen kalium-40 i jordens tarmar.
På senare tid har människan börjat påverka atmosfärens utveckling. Resultatet av mänsklig aktivitet har varit en konstant ökning av halten koldioxid i atmosfären på grund av förbränning av kolvätebränslen som ackumulerats under tidigare geologiska epoker. Enorma mängder konsumeras i fotosyntesen och absorberas av världshaven . Denna gas kommer in i atmosfären på grund av nedbrytningen av karbonatstenar och organiska ämnen av vegetabiliskt och animaliskt ursprung, samt på grund av vulkanism och mänsklig produktion. Under de senaste 100 åren har innehållet i atmosfären ökat med 10 %, där huvuddelen (360 miljarder ton) kommer från bränsleförbränning. Om tillväxttakten för bränsleförbränning fortsätter, kommer mängden i atmosfären att fördubblas under de kommande 200-300 åren och kan leda till globala klimatförändringar .
Bränsleförbränning är den huvudsakliga källan till förorenande gaser ( , , ). Svaveldioxid oxideras av atmosfäriskt syre till , och kväveoxid till i den övre atmosfären, som i sin tur interagerar med vattenånga, och den resulterande svavelsyran och salpetersyran faller till jordens yta i form av så kallat surt regn. Användningen av förbränningsmotorer leder till betydande luftföroreningar med kväveoxider, kolväten och blyföreningar ( tetraetylbly , dess användning i bensin har minskat avsevärt under de senaste decennierna).
Aerosolförorening av atmosfären orsakas både av naturliga orsaker (vulkanutbrott, dammstormar, medryckning av havsvattendroppar och växtpollen, etc.) Intensivt storskaligt avlägsnande av fasta partiklar i atmosfären är en av de möjliga orsakerna till klimatförändringar på planeten.
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Jorden | ||
---|---|---|
Jordens historia | ||
Jordens fysiska egenskaper | ||
Jordens skal | ||
Geografi och geologi | ||
Miljö | ||
se även | ||
|
Jordens skal | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Extern | |||||||
Inre |
|
Jordens atmosfär | |
---|---|
Atmosfärens struktur | |
se även |
Atmosfärsfysiks grenar ( meteorologi ) | |
---|---|
atmosfärer | |
---|---|
Atmosfärer av stjärnor | Sol |
planetariska atmosfärer | |
Atmosfärer av satelliter | |
dvärgplaneter | |
exoplaneter | |
se även |