Строение атмосферы земли по слоям. Атмосфера

Газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля, известная как атмосфера, состоит из пяти основных слоев. Эти слои берут начало на поверхности планеты, от уровня моря (иногда ниже) и поднимаются до космического пространства в следующей последовательности:

• Тропосфера;
• Стратосфера;
• Мезосфера;
• Термосфера;
• Экзосфера.

Схема основных слоев атмосферы Земли

В промежутке между каждым из этих основных пяти слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха. Вместе с паузами, атмосфера Земли в общей сложности включает 9 слоев.

Тропосфера: где происходит погода

Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне - поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.

Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.

На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.

Стратосфера: дом озона

Стратосфера - следующий слой атмосферы. Он простирается от 6-20 км до 50 км над земной поверхностью Земли. Это слой, в котором летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары.

Здесь воздух не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. По мере того, как вы поднимаетесь, температура увеличивается, благодаря обилию природного озона (O 3) - побочного продукта солнечной радиации и кислорода, который обладает способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи солнца (любое повышение температуры с высотой в метеорологии, известно как "инверсия").

Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы бушующую в тропосфере бурю, поскольку слой действует как «колпачок» для конвекции, через который не проникают штормовые облака.

После стратосферы снова следует буферный слой, на этот раз называемый стратопаузой.

Мезосфера: средняя атмосфера

Мезосфера находится примерно на расстоянии 50-80 км от поверхности Земли. Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.

Термосфера: верхняя атмосфера

После мезосферы и мезопаузы следует термосфера, расположенная между 80 и 700 км над поверхностью планеты, и содержит менее 0,01% всего воздуха в атмосферной оболочке. Температуры здесь достигают до +2000° C, но из-за сильной разреженности воздуха и нехватки молекул газа для переноса тепла, эти высокие температуры воспринимаются, как очень холодные.

Экзосфера: граница атмосферы и космоса

На высоте около 700-10000 км над земной поверхностью находится экзосфера - внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли.

Как насчет ионосферы?

Ионосфера не является отдельным слоем, а на самом деле этот термин используется для обозначения атмосферы на высоте от 60 до 1000 км. Она включает в себя самые верхние части мезосферы, всю термосферу и часть экзосферы. Ионосфера получила свое название, потому что в этой части атмосферы излучение Солнца ионизируется, когда проходит магнитные поля Земли на и . Это явления наблюдается с земли как северное сияние.

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М.И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной атмосферы можно разделить на два этапа: бескислородной атмосферы и кислородной атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд. лет тому назад.

Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл. 1)

Таблица 1

Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы (по в.А. Вронскому г.В. Войткевичу)

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям В.И. Бгатова тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы и рассмотрено выше.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

12.4 Взаимодействие атмосферы с другими оболочками. Атмосфера развивается со всей природой земной поверхности – с ГО. Растения и животные используют атмосферу для фотосинтеза и дыхания. Магнитосфера, ионосфера и озоновый экран изолируют биосферу от космоса. Верхняя граница ГО – биосферы лежит на высотах в 20-25 км. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли пополняют воздушную оболочку, поставляя до 1 млн. т. газов в год. Атмосфера задерживает инфракрасное излучение Земли, создавая благоприятный тепловой режим. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки – формируются погодно-климатические условия. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоритов.

12.5 Солнечная энергия, солнечная радиация – лучистая энергия Солнца. Солнце излучает электромагнитные волны и корпускулярный поток. Электромагнитное излучение - особый вид материи, отличный от вещества, распространяется со скоростью 300 000 км/сек. (скорость света). Корпускулярное излучение (солнечный ветер) – поток заряженных частиц: протонов, электронов и др., распространяется со скоростями 400-2000 км/сек. Корпускулярный поток, достигая З., возмущает ее магнитное поле, вызывая ряд явлений в атмосфере (полярные сияния, магнитные бури и др.).

Электромагнитное излучение представляет собой тепловую (инфракрасную, 47%), световую (46%) и ультрафиолетовую (7%) радиацию, в зависимости от длины волн. Все три вида энергии играют большую роль в ГО. Ультрафиолетовое излучение в основном задерживается озоновым экраном и это хорошо, т.к. жесткое ультрафиолетовое излучение губительно действует на живые организмы, но то небольшое количество его, достигающее поверхности Земли, оказывает дезинфицирующее влияние. Под ультрафиолетовыми лучами загорает кожа человека.

Влияние света общеизвестно. Не только потому, что свет позволяет нам видеть окружающий мир, но при солнечном освещении происходят процессы фотосинтеза, о чем мы еще будем говорить позже. Наконец, тепловой поток определяет температурные условия ГО.

Единицей измерения солнечной энергии является солнечная постоянная( I 0 ) – 2 кал/см 2 /мин. (столько тепла получает 1 кв. см абсолютно черной поверхности за минуту при перпендикулярном падении лучей). При перпендикулярном падении лучей земная поверхность получает максимум солнечной энергии, а чем меньше угол падения, тем меньше поступает ее на подстилающую поверхность. Количество приходящей энергии на ту или иную широту рассчитывается по формуле: I 1 =I 0 хSin h o , где h o – высота Солнца над горизонтом. Атмосфера ослабляет и перераспределяет солнечный поток при различиях в усвоении его земной поверхностью.

Если к верхней границе атмосфере приходит 1,36 х 10 24 кал/год, то до земной поверхности доходит на 25% меньше, вследствие того, что при прохождении через атмосферу происходит ослабление потока солнечной энергии. Эта энергия во взаимодействии с силой тяжести обуславливает циркуляцию атмосферы и гидросферы. Приводя в действие разнообразные процессы, протекающие в ГО, солнечная радиация почти полностью превращается в тепло и в виде теплового потока возвращается в Космос.

Изменение солнечной радиации в атмосфере. При прохождении лучистой энергии через атмосферу происходит ее ослабление, вызванное поглощением и рассеиванием энергии. В области видимой части спектра преобладает рассеяние, а в ультрафиолетовой и инфракрасной областях атмосфера является в основном средой поглощения.

Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если на них не попадают непосредственно солнечные лучи. Рассеивание обуславливает и голубой цвет неба. В больших городах, в пустынных областях, где высока запыленность воздуха, рассевание ослабляет силу радиации на 30-45%.

Основные газы, входящие в состав воздуха, поглощают лучистую энергию мало, зато большой поглотительной способностью отличаются: водяной пар (инфракрасные лучи), озон (ультрафиолетовые лучи), углекислый газ и пыль (инфракрасные лучи).

Величина ослабления солнечной радиации зависит от коэффициента прозрачности (к.п.), который показывает, какая доля радиации доходит до земной поверхности.

Если бы атмосфера состояла из газов, то к.п. =0,9, т.е. она пропускала бы 90% идущей к Земле радиации. Но атмосфера содержит примеси, в т.ч. облака и фактор мутности снижает прозрачность до 0,7-0,8 (зависит от погоды). В целом атмосфера поглощает и рассеивает около 25% идущей к земной поверхности лучистой энергии, причем ослабление потока радиации для различных широт Земли неодинаково. Различия эти зависят от угла падения лучей. При зенитальном положении Солнца лучи пересекают атмосферу кратчайшим путем, с уменьшением угла падения путь лучей удлиняется, и ослабление солнечной радиации становится более значительным.

Если угол падения лучей равен:

а) 90, степень ослабления 25%;

б) 30, степень ослабления 44%;

в) 10, степень ослабления 80%;

г) 0, степень ослабления 100%.

Значительная часть солнечной радиации, достигающая земной поверхности в виде параллельного пучка лучей, идущих от Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Радиация, приходящая к земной поверхности в виде миллионов лучиков от всех точек небесного свода вследствие рассеяния, - рассеянная солнечная радиация.

Рассеянная радиация летом в средних широтах составляет 40%, а зимой – 70% общего ее поступления, в тропических широтах она составляет около 30%, а в полярных – 70% общего потока лучистой энергии.

Прямая солнечная радиация и рассеянная в сумме дают так называемую суммарную радиацию . Для практических целей чаще всего требуются данные о полной сумме энергии, приходящей к земной поверхности, т.е. сумме суммарной радиации за какой-либо промежуток времени (сутки, месяц, год) на единицу площади, поэтому карты сумм суммарной радиации широко используются.

Максимум суммарной радиации приходится на тропические широты (180-200 ккал/см 2 в год), что связанно с малой облачностью, обуславливающей большую долю прямой радиации. Экваториальные широты получают меньше солнечной энергии, около 100-140 ккал/см 2 в год, в силу высокой облачности, несмотря на более высокий угол высоты Солнца над горизонтом; умеренные широты (55-65 с.ш.) получает 80 ккал/см 2 за год, а на широтах 70-80 с.ш. – получает 60 ккал/см 2 /год.

Приходящая к земной поверхности солнечная радиация частично поглощается (поглощенная радиация ), частично отражается (отраженная радиация ) в атмосферу и в межпланетное пространство. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо .

Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности. Отражательная способность зависит от характера поверхности (цвета, шероховатости) и от величины угла падения лучей. Абсолютно черное тело усваивает всю радиацию, а зеркальная поверхность отражает 100% лучей и не нагревается. Свежевыпавший снег отражает 80-90% радиации, чернозем – 5-18%, светлый песок 35-40%, лес – 10-20%, верхняя поверхность облаков – 50-60%.

С уменьшением высоты Солнца альбедо увеличивается, следовательно, в его суточном ходе наименьшее значение наблюдается в околополуденные часы. Годовой ход альбедо определяется изменением характера подстилающей поверхности по сезонам года. В умеренных и северных широтах обычно отмечается увеличение альбедо от теплой половины года к холодной.

Высокое альбедо снегов в Арктике и Антарктике обуславливает низкие летние температуры, несмотря на значительную величину солнечной инсоляции в летние месяцы при круглосуточно незаходящем Солнце. В основном солнечная радиация отражается облаками.

Альбедо влияет на температуры переходных периодов в умеренных широтах: в сентябре и марте Солнце находится на одной высоте, но мартовские лучи отражаются (и идут на таяние снега), поэтому март холоднее сентября.

Планетарное альбедо 35-%.

Поглощенная радиация затрачивается на испарение воды и нагревание подстилающей поверхности.

Земля, получая солнечную энергию, сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Энергия, излучаемая земной поверхностью называется земной радиацией .

Изучение земной поверхности происходит днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучаемого тепла в соответствии с законом Стефана-Больцмана: всякое тело теряет лучеиспусканием количество тепла пропорциональное 4 ой степени абсолютной температуры: (Ет=Т 4 кал/см 2 мин), где – постоянная Стефана-Больцмана.

Земное излучение выражается в тех же единицах, что и солнечное.

Каждый объем воздуха, как и атмосфера в целом, имея температуру, отличную от температуры абсолютного нуля, также излучает тепловую радиацию, это – атмосферная радиация , которая направлена в разные стороны. Часть ее, направленная к земной поверхности –встречное излучение .

Разность собственного излучения подстилающей поверхности и встречного излучения называют эффективным излучением земной поверхности (Е 2 =Е 5 -Еа).

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности и воздуха, от влажности и стратификации приземного слоя атмосферы.

В общем, земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Эффективное излучение – фактические потери тепла излучением. Особенно велики эти потери в ясные ночи - ночное выхолаживание. Водные пары задерживают тепло. В горах эффективное излучение больше, чем на равнинах, его снижает растительный покров. Пустыни, арктические широты – окна потерь тепла излучением.

Поглощая земное излучение и посылая встречное к земной поверхности, атмосфера тем самым уменьшает охлаждение последней в ночное время. Днем же она мало препятствует нагреванию земной поверхности земной радиацией. Это влияние на тепловой режим земной поверхности носит название тепличного (оранжерейного) эффекта , и земная поверхность имеет среднюю температуру +17,3С вместо – 22С.

Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, уходящее в космос, называют уходящей радиацией (65%, из них земная поверхность теряет 10%, атмосфера 55%). Вместе с отраженной (35%) эта уходящая радиация компенсирует приток солнечной радиации к Земле.

Таким образом, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько получает, т.е. находится в состоянии лучистого (радиационного) равновесия.

В результате перераспределения тепла и холода преимущественно воздушными и водными течениями получаем значительное смягчение контрастов температур между экватором и полюсами: без влияния атмосферы и гидросферы на экваторе была бы среднегодовая температура +39 0 С (фактически +25,4), на полюсах -44 0 С (фактически на северном полюсе -23 0 , на южном -33 0).

12.6 Радиационный баланс (остаточная радиация) земной поверхности – это разность между приходом (суммарная радиация и встречное излучение) и расходом (альбедо и земное излучение) тепла.

R=Q (прямая) +D (рассеянная) +E (встречная) =C (отраженная)-U (земная)

Радиационный баланс (R) может быть положительным и отрицательным. Ночью везде отрицателен, переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным после восхода Солнца (когда угол падения лучей не превышает 10-15), от положительных к отрицательным – перед заходом Солнца при такой же высоте над горизонтом.

Днем R растет с увеличением высоты Солнца и убывает с уменьшением ее. В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, R равен эффективному излучению и потому мало меняется в течение ночи, если облачность не меняется.

Распределение R зонально, т.к. зональна суммарная радиация. Эффективное излучение распределяется более равномерно.

R земной поверхности за год положителен для всех мест Земли, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды, т.е. годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится теплее. Дело в том, что превышение поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух и почвогрунт путем теплопроводности и при фазовых превращениях воды (при испарении - конденсации).

Т.о., хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие , что выражается формулой теплового баланса : P=P+B+LE, где P - турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, B – теплообмен между Землей и нижележащими слоями почвы и воды, L – удельная теплота парообразования, E – количество испарившейся влаги за год. Приток тепла к земной поверхности радиационным путем уравновешивается его отдаче другими способами.

R на широтах 60северной и южной широты составляет 20-30 ккал/см 2 , откуда к более высоким широтам уменьшается до –5,-10 ккал/см 2 на материке Антарктиды. К низким широтам возрастает: между 40северной широты 40южной широты годовые величины р.б. 60 ккал/см 2 , а между 20северной и южной широтами 100 ккал/см 2 . На океанах R больше, чем на суше в тех же широтах, т.к. океаны аккумулируют много тепла, а при большой теплоемкости вода нагревается до меньших значений, чем суша.

12.7 Температура воздуха. Воздух нагревается и охлаждается от поверхности суши и водоемов. Будучи плохим проводником тепла, он нагревается только в нижнем слое, непосредственно касающемся земной поверхности. Основным же путем передачи тепла вверх служит турбулентное перемешивание. Благодаря этому к нагретой поверхности подходят все новые и новые массы воздуха, нагреваются и поднимаются.

Так как источник тепла для воздуха – земная поверхность, то очевидно, что с высотой температура его убывает, амплитуда колебаний становится меньше, максимум и минимум в суточном ходе наступают позднее, чем на почве. Высота измерения температуры воздуха едина для всех стран – 2 м. Для специальных целей температура измеряется и на других высотах.

Другой источник нагревания и охлаждения воздуха – адиабатические процессы , когда температура воздушной массы повышается или понижается без притока тепла извне. При опускании воздуха из верхних слоев тропосферы в нижние газы уплотняются, и механическая энергия сжатия переходит в тепловую. Температура при этом повышается на 1С на 100 м высоты.

Охлаждение воздуха связанно с адиабатическим поднятием, при котором воздух поднимается и расширяется. Тепловая энергия и в этом случае превращается в кинетическую. На каждые 100 м подъема сухой воздух охлаждается на 1 0 С. Если адиабатические превращения происходят в сухом воздухе, процессы называют сухоадиабатическими. Но воздух обычно содержит водяные пары. Охлаждение влажного воздуха при поднятии сопровождается конденсацией влаги. Выделяющаяся при этом теплота уменьшает величину охлаждения в среднем до 0,6С на 100 м высоты (влажноадиабатический процесс). При подъеме воздуха преобладают влажноадиабатические процессы, при опускании – сухоадиабатические.

Другой способ охлаждения воздуха – непосредственная потеря тепла излучением . Это происходит в Арктике и Антарктиде, в пустынях по ночам, в умеренных широтах при безоблачном небе зимой и в ясные ночи летом.

Важным источником тепла для воздуха служит теплота конденсации, которая выделяется в атмосферу.

12.8 Тепловые пояса. Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса освещенности, нельзя считать границами тепловых (температурных) поясов. На распределение температуры, кроме фигуры и положения Земли, сказывается влияние ряда факторов: распределение суши и воды, теплые и холодные морские и воздушные течения. Поэтому за границы тепловых поясов принимают изотермы. Существует семь тепловых поясов:

жаркий расположен между годовыми изотермами 20С северного и южного полушарий;

два умеренных ограничены со стороны экватора годовой изотермой 20С, со стороны полюсов изотермой 10С самого теплого месяца. С этими изотермами совпадает граница распределения древесной растительности;

два холодных находятся между изотермами 10С и 0С самого теплого месяца;

два пояса мороза расположены у полюсов и ограничены изотермой 0С самого теплого месяца. В северном полушарии – это Гренландия и пространство Северного Ледовитого океана, в южном – область к югу от параллели 60 ю. ш.

Термические условия поясов нарушают горные страны. Вследствие уменьшения температуры с высотой в горах прослеживается вертикальная температурная и климатическая поясность.

Для определения температуры воздуха используют термометры (ртутные, спиртовые и др.), аспирационные психрометры, термографы.

Атмосфера Земли - воздушная оболочка.

Наличие особого шара над земной поверхностью было доказано еще древними греками, которые называли атмосферу паровой или газовый шар.

Это одна из геосфер планеты, без которой существование всего живого было бы не возможно.

Где находится атмосфера

Атмосфера плотным воздушным слоем окружает планеты, начинаясь от земной поверхности. Соприкасается с гидросферой, покрывает литосферу, уходя далеко в космическое пространство.

Из чего состоит атмосфера

Воздушный слой Земли состоит, в основном, из воздуха, общая масса которого достигает 5,3*1018 килограмм. Из них больная часть – это сухой воздух, а значительно меньше – водяного пара.

Над морем плотность атмосферы равна 1,2 килограмма на метр кубический. Температура в атмосфере может достигать –140,7 градусов, воздух растворяется в воде при нулевой температуре.

В состав атмосферы входят несколько слоев:

• Тропосфера;
• Тропопауза;
• Стратосфера и стратопауза;
• Мезосфера и мезопауза;
• Особая линия над уровнем моря, которая называется линией Кармана;
• Термосфера и термопауза;
• Зона рассеивания или экзосфера.

Каждый слой имеет свои особенности, они связаны между собой и обеспечивают функционирование воздушной оболочки планеты.

Границы атмосферы

Самый нижний край атмосферы проходит по гидросфере и верхних слоям литосферы. Верхняя граница начинается в экзосфере, которая находится в 700 километрах от поверхности планеты и пожжет достигать 1,3 тысячи километров.

По некоторым данным атмосфера достигается 10 тысяч километров. Ученые договорились, что верхней границей воздушного слоя должна быть линия Кармана, поскольку тут уже невозможно воздухоплавание.

Благодаря постоянным изучениям в этой сфере, ученые установили, что атмосфера соприкасается с ионосферой на высоте в 118 километрах.

Химически состав

Этот слой Земли состоит из газов и газовых примесей, к которым относятся остатки горения, морская соль, лед, вода, пыль. Состав и масса газов, которые можно обнаружить в атмосфере, практически никогда не меняется, меняется только концентрация воды и углекислого газа.

Состав воды может меняться от 0,2 процента до 2,5 процента, что зависит от широты. Дополнительными элементами является хлор, азот, сера, аммиак, углерод, озон, углеводороды, соляная кислота, фтороводород, бромоводород, йодоводород.

Отдельную часть занимают ртуть, йод, бром, оксид азота. Кроме того, в тропосфере встречается жидкие и твердые частицы, которые называются аэрозоль. В атмосфере встречается один из самых редких газов на планете – радон.

По химическому составу – азот занимает более 78% атмосферы, кислорода – почти 21%, углекислый газ – 0,03%, аргон – почти 1%, суммарное количество вещества составляет менее 0,01%. Такой состав воздуха сформировался, когда планета только возникла и стала развиваться.

С появлением человека, который постепенно перешел к производству, химический состав изменился. В частности, постоянно увеличивается количество углекислого газа.

Функции атмосферы

Газы, находящиеся в воздушном слое, выполняют самые разные функции. Во-первых, поглощают лучи и лучистую энергию. Во-вторых, влияют на формирование температуры в атмосфере и на Земле. В-третьих, обеспечивает жизнь и ее течение на Земле.

Кроме того, этот слой обеспечивает терморегуляцию, от чего зависит погода и климат, режим распределения тепла и атмосферного давления. Тропосфера помогает регулировать потоки воздушных масс, определять движение воды, процессы теплового обмена.

Атмосфера постоянно взаимодействует с литосферой, гидросферой, обеспечивая геологические процессы. Самой главной функцией является то, что происходит защита от пыли метеоритного происхождения, от влияния космоса и солнца.

Факты

• Кислород обеспечивает на Земле разложении органических вещество твердой породы, что очень важно при выбросах, разложении пород, окисления организмов.
• Углекислый газ способствует тому, что происходит фотосинтез, а также способствует пропусканию коротких волн солнечной радиации, поглощению тепловых длинных волн. Если это не происходит, тогда наблюдается так называемый парниковый эффект.
• Одной из основных проблем, связанных с атмосферой, является загрязнение, что происходит из-за работы предприятий и автомобильных выхлопов. Поэтому во многих странах введен специальный экологический контроль, а на международном уровне предпринимаются специальные механизмы регулирования выбросов и парникового эффекта.

СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ

Биосфе́ра - геологическая оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Термин «биосфера » был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком (Рис.4.18) в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (Рис.4.19)_в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу (Рис.4.1).

Рис.4.1 Биосфера

Границы биосферы

• Верхняя граница в атмосфере: 15÷20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
• Нижняя граница в литосфере: 3,5÷7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
• Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

1. Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·10 12 т (в сухом весе) и составляет менее 10 -6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.
2. Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.
3. Косное вещество - в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.
4. Биокосное вещество , которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде .
6. Рассеянные атомы , непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
7. Вещество космического происхождения .

Строение земли

О строении, составе и свойствах «твердой» Земли имеются преимущественно предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Наиболее достоверные из них – с е й с м и ч е с к и е м е т о д ы, основанные на изучении путей и скорости распространения в Земле упругих колебаний (сейсмических волн). С их помощью удалось установить разделение «твердой» Земли на отдельные сферы и составить представление о внутреннем строении Земли». Получается, что общепринятое представление о глубинном строении земного шара является предположением, потому что создано не по прямым фактическим данным. В учебниках по географии о земной коре, мантии и ядре сообщается как о реально существующих объектах без тени сомнения возможной их выдуманности. Термин «земная кора» появился в середине XIX в., когда в естествознании получила признания гипотеза образования Земли из раскаленного газового шара, в настоящее время именуемая гипотезой Канта-Лапласа. Мощность земной коры принималась 10 миль (16 км). Ниже – первичный расплавленный материал, сохранившийся с момента образования нашей планеты.

В 1909г. на Балканском полуострове, около г. Загреба, произошло сильное землетрясение. Хорватский геофизик Андрия Мохоровичич, изучая сейсмограмму, записанную в момент этого события, заметил, что на глубине примерно 30 км скорость волн существенно увеличивается. Данное наблюдение подтвердили и другие сейсмологи. Значит, существует некий раздел, ограничивающий снизу земную кору. Для его обозначения ввели особый термин – поверхность Мохоровичича (или раздел Мохо) (Рис.4.2).

Рис.4.2 Мантия, астеносфера, поверхность Мохоровичича

Земля заключена в твердую внешнюю оболочку, или литосферу, состоящую из коры и твердого верхнего слоя мантии. Литосфера расколота на огромные блоки, или плиты. Под давлением могучих подземных сил эти плиты непрерывно движутся (Рис.4.3). В одних местах их движение приводит к возникновению горных хребтов, в других края плит втягиваются в глубокие впадины. Это явление называется поддвигом, или субдукцией. Смещаясь, плиты то соединяются, то раскалываются, и зоны их стыков называют границами. Вот в этих наиболее слабых точках земной коры чаще всего и зарождаются вулканы.

Рис.4.3 Плиты Земли

Под корой на глубинах от 30-50 до 2900 км расположена мантия Земли. Она состоит главным образом из горных пород, богатых магнием и железом. Мантия занимает до 82% объема планеты и подразделяется на верхнюю и нижнюю. Первая залегает ниже поверхности Мохо до глубины 670 км. Быстрое падение давления в верхней части мантии и высокая температура приводят к плавлению ее вещества. На глубине от 400 км под материками и 10-150 км под океанами, т.е. в верхней мантии, был обнаружен слой, где сейсмические волны распространяются сравнительно медленно. Этот слой назвали астеносферой (от греч. “астенес” - слабый). Здесь доля расплава составляет 1-3%, более пластичная, чем остальная мантия. Астеносфера служит “смазкой”, по которой перемещаются жесткие литосферные плиты. По сравнению с породами, слагающими земную кору, породы мантии отличаются большой плотностью и скорость распространения сейсмических волн в них заметно выше. В самом “подвале” нижней мантии – на глубине 1000км и до поверхности ядра – плотность постепенно увеличивается. Из чего состоит нижняя мантия, пока остается загадкой.

Рис.4.4 Предполагаемое строение Земли

Предполагают, что поверхность ядра состоит из вещества, обладающего свойствами жидкости. Граница ядра находится на глубине 2900 км. А вот внутренняя область, начинающаяся с глубины 5100км, должна вести себя как твердое тело. Это должно быть обусловлено очень высоким давлением. Даже на верхней границе ядра теоретически рассчитанное давление составляет около 1,3 млн.атм. а в центре достигает 3 млн.атм. Температура здесь может превышать 10000 о С. Однако насколько справедливы данные предположения можно только гадать (Рис.4.4). Первая же проверка бурением строения земной коры континентального типа из гранитного слоя и ниже его базальтового дала другие результаты. Речь идет о результатах бурения Кольской сверхглубокой скважины(Рис.4.5). Заложена она была на севере Кольского полуострова в чисто научных целях для вскрытия на глубине 7 км предсказанного предположительно базальтового слоя. Там горные породы имеют скорость продольных сейсмических волн 7,0-7,5 км/с. По этим данным базальтовый слой и выделяется повсеместно. Это место было выбрано потому, что по геофизическим данным базальтовый слой в пределах СССР здесь находится ближе всего к поверхности литосферы. Выше залегают породы со скоростями продольных волн 6,0-6,5 км/с – гранитный слой.

Рис.4.5 Кольская сверхглубокая скважина

Реальный вскрытый Кольской сверхглубокой скважиной разрез оказался совершенно другим. До глубины 6842 м распространены песчаники и туфы базальтового состава с телами долеритов (скрытокристаллических базальтов), а ниже – гнейсы, гранито-гнейсы, реже – амфиболиты. Самое же главное в результатах бурения Кольской сверхглубокой скважины, единственной из пробуренных на Земле глубже 12 км, то, что они не просто опровергли общепринятое представление о строении верхней части литосферы, а то, что до их получения вообще нельзя было говорить о вещественном строении этих глубин земного шара. Однако ни в школьных ни в вузовских учебниках по географии и геологии результаты бурения Кольской сверхглубокой скважины не сообщаются, а изложение раздела Литосфера начинается с того, что говорится о ядре, мантии и земной коре, которая на материках сложена гранитным слоем, а ниже – базальтовым.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли - воздушная оболочка Земли, состоящая в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно. Атмосфера до высоты 500 км состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосферы), экзосферы (Рис. 4.6)

Рис.4.6 Строение атмосферы до высоты 500 км

Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе - 16-18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80-90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (−53°C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой.

Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8°С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (около 0°С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15-20 до 55-60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и мезосферы - О 3 , образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~ 30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7-4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца. Разрушение О 3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»). В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и др. свечений. В стратосфере и более высоких слоях под воздействия солнечной радиации молекулы газов диссоциируют - на атомы (выше 80 км диссоциируют СО 2 и Н 2 , выше 150 км - О 2 , выше 300 км - Н 2). На высоте 100-400 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О + 2 , О − 2 , N + 2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы - ОН , НО 2 и др. В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура воздуха до высоты 75-85 км понижается до −88°С. Верхней границей мезосферы является мезопауза.

Термосфера (другое название - ионосфера) - слой атмосферы, следующий за мезосферой, - начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство

Концентрации газов, составляющих атмосферу, в приземном слое практически постоянны, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2). Изменение химического состава атмосферы в зависимости от высоты приведено на рис.4.7.

Изменение давления и температуры слоя атмосферы до высоты 35 км приведено на рис.4.8.

Рис.4.7 Изменение химического состава атмосферы в количестве атомов газа в 1 см3 по высоте.

Состав приземного слоя атмосферы приведен в таблице 4.1:

Таблица 4.1

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SО 2 , СН 4 , NН 3 , СО, углеводороды, НСl, НF, пары Нg, I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах.

Рис.4.8 Изменение давления и температуры слоя атмосферы до высоты 35 км

Первичная атмосфера Земли была схожа с атмосферой других планет. Так, 89% атмосферы Юпитера приходится на водород. Еще примерно 10% на гелий, оставшиеся доли процента занимает метан, аммиак и этан. Есть и «снег» - как из водяного, так и из аммиачного льда.

Атмосфера Сатурна также состоит в основном из гелия, водорода (Рис.4.9)

Рис.4.9 Атмосфера Сатурна

История образования атмосферы Земли

1. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера .

2. Активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углеводородами, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера .

3. Постоянная утечка водорода в межпланетное пространство, химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов привели к образованию третичной атмосферы .

4. С появлением на Земле живых организмов в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа, состав атмосферы начал меняться и постепенно образовал современную четвертичную атмосферу (Рис.4.10). Существуют, однако, данные (анализ изотопного состава кислорода атмосферы и выделяющегося при фотосинтезе), свидетельствующие в пользу геологического происхождения атмосферного кислорода. Образованию кислорода из воды способствуют радиационные и фотохимические реакции. Однако их вклад незначителен. В течение различных эр состав атмосферы и содержание кислорода претерпевало весьма значительные изменения. Оно коррелировано с глобальными вымираниями, оледенениями, и другими глобальными процессами. Установление его равновесия стало, видимо, результатом появления гетеротрофных организмов на земле и в океане и вулканической деятельности.

Рис.4.10 Атмосфера Земли в разные периоды

Вопреки широко распространённому заблуждению, содержание в атмосфере кислорода и азота практически не зависит от лесов. Принципиально лес не может существенно повлиять на содержание СО 2 в атмосфере потому, что он не накапливает углерод. Подавляющая часть углерода возвращается в атмосферу в результате окисления павших листьев и деревьев. Здоровый лес находится в равновесии с атмосферой и отдаёт ровно столько же сколько и берет на процесс «дыхания». Причем тропические леса чаще поглощают, а тайга «слегка» выделяет кислород. В 1990-x годах были проведены эксперименты по созданию замкнутой экологической системы («Биосфера 2»), в ходе которых не удалось создать стабильную систему, обладающую единым составом воздуха. Влияние микроорганизмов привело к снижению уровня кислорода до 15% и увеличению количества углекислого газа.

За последние 100 лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 10%, причём основная часть (360 млрд. т) поступила в результате сжигания топлива (Рис.4.11). Если темпы роста сжигания топлива сохранятся то в

Рис.4.11 Ход повышения концентрации углекислого газа и средней температуры в последние годы.

ближайшие 50-60 лет, то количество СО 2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Принцип возникновения парникового эффекта поясняется рисунком 4.12.

Рис. 4.12 Принципы возникновения парникового эффекта

Озоновый слой располагается в стратосфере на высотах от15 до 35 км (Рис.4.13) :

Рис.4.13 Строение озонового слоя

За последние годы концентрация озона в стратосфере резко упала, что приводит к повышению УФ фона на Земле, особенно в районе Антарктики(Рис.4.14).

Рис.4.14 Изменения озонового слоя над Антарктикой

Гидросфера

Гидросфе́ра (греч. Hydor - вода + Sphaira - шар) - совокупность всех водных запасов Земли, прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности и в толще земной коры и представляющая совокупность океанов, морей и водных объектов суши.

3\4 поверхности Земли занимают океаны, моря, водоемы, ледники. Количество воды в океане непостоянно и с течением времени меняется от различных факторов. Колебания уровня составляют в различные периоды существования Земли до 150 метров. Подземные воды являются связующим звеном всей гидросферы. Учитываются только подземные воды, залегающие на глубинах до 5 км. Они замыкают геологический круговорот воды. Их количество оценивается объемом 10 5 тыс. куб км или около 7% всей гидросферы.

Льды и снега по количеству являются одной из самых важных составляющих гидросферы. Масса воды в ледниках составляет 2,6х10 7 млрд тонн.

Почвенные воды играют огромную роль в биосфере, т.к. именно из-за воды в почве протекают биохимические процессы, обеспечивающие плодородность почвы. Масса почвенных вод оценивается 8х10 3 млрд тонн.

Реки имеют наименьшее количество воды в биосфере. Запасы воды в реках оцениваются в 1-2х10 3 млрд тонн. Речные воды обычно пресные, их минерализация неустойчива и меняется от времени года. Реки текут по тектонически-образованным понижениям рельефа.

Атмосферная вода объединяет гидросферу и атмосферу. Атмосферная влага всегда пресная. Масса атмосферной воды 14х10 3 млрд тонн. Ее значение для биосферы очень велико. Среднее время оборота воды между гидросферой и атмосферой составляет 9-10 суток.

Значительная часть воды находится в биосфере в связанном состоянии в живых организмах – 1,1х10 3 млрд тонн. В водной среде растения непрерывно фильтруют воду через свою поверхность. На суше растения извлекают воду корнями из почвы и транспирируют ее своей наземной частью. Для синтеза 1 грамма биомассы растения должны испарять около 100 грамм воды (Планктон профильтровывает через себя всю воду океанов за время около 1 года).

Соотношение соленой и пресной воды в гидросфере приведено на рис. 4.15

Рис.4.15 Соотношение соленой и пресной воды в гидросфере

Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше - в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны, около 2% - подземные воды, около 2% - льды и снега, около 0,02% - поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу. Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

Одной из самых главных функций гидросферы является запасание тепла, приводящее к глобальному круговороту воды в биосфере. Нагрев поверхностных вод Солнцем (Рис. 4.16) приводит к перераспределению тепла по всей планете.

Рис.4.16 Температура поверхностных океанических вод

Жизнь в гидросфере распределена крайне неравномерно. Значительная часть гидросферы имеет слабую заселенность организмами. Особенно это касается океанических глубин, где мало света и сравнительно низкие температуры.

Основные поверхностные течения:

В северной части Тихого океана: тёплые - Куросио, Северо-Тихоокеанское и Аляскинское; холодные - Калифорнийское и Курильское. В южной части: тёплые - Южно-Пассатное и Восточно-Австралийское; холодные - Западных Ветров и Перуанское (Рис.4.17). Течения северной части Атлантического океана тесно согласованы с течениями Северного Ледовитого океана. В центральной Атлантике вода нагревается и перемещается течением Гольфстрим к северу, где вода остывает и погружается в глубину Северного Ледовитого океана.