Všade okolo je atmosféra. Vrstvy atmosféry, štruktúra vrstiev atmosféry. Intenzita Aurory
ATMOSFÉRA
plynný obal obklopujúci nebeské teleso. Jeho charakteristiky závisia od veľkosti, hmotnosti, teploty, rýchlosti rotácie a chemického zloženia daného nebeského telesa a sú určené aj históriou jeho vzniku od okamihu jeho vzniku. Atmosféru Zeme tvorí zmes plynov nazývaných vzduch. Jeho hlavnými zložkami sú dusík a kyslík v pomere približne 4:1. Na človeka vplýva najmä stav dolných 15-25 km atmosféry, keďže práve v tejto spodnej vrstve sa sústreďuje väčšina vzduchu. Veda, ktorá skúma atmosféru, sa nazýva meteorológia, hoci predmetom tejto vedy je aj počasie a jeho vplyv na človeka. Mení sa aj stav horných vrstiev atmosféry, ktoré sa nachádzajú vo výškach od 60 do 300 a dokonca 1000 km od povrchu Zeme. Rozvíjajú sa tu silné vetry, búrky a vyskytujú sa úžasné elektrické javy ako polárna žiara. Mnohé z uvedených javov sú spojené s tokom slnečného žiarenia, kozmického žiarenia a magnetického poľa Zeme. Vysoké vrstvy atmosféry sú tiež chemickým laboratóriom, pretože tam, v podmienkach blízkych vákuu, niektoré atmosférické plyny pod vplyvom silného toku slnečnej energie vstupujú do chemické reakcie. Veda, ktorá študuje tieto vzájomne súvisiace javy a procesy, sa nazýva fyzika vysokej atmosféry.
VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY ATMOSFÉRY ZEME
Rozmery. Kým sondážne rakety a umelé družice nepreskúmali vonkajšie vrstvy atmosféry vo vzdialenosti niekoľkonásobne väčšej ako je polomer Zeme, verilo sa, že keď sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atmosféra sa postupne stáva redšie a plynule prechádza do medziplanetárneho priestoru. . Teraz sa zistilo, že toky energie z hlbokých vrstiev Slnka prenikajú do vesmíru ďaleko za obežnú dráhu Zeme, až po vonkajšie hranice. slnečná sústava. Tento tzv Slnečný vietor obteká magnetické pole Zeme a vytvára podlhovastú „dutinu“, v ktorej je sústredená zemská atmosféra. Magnetické pole Zeme je na dennej strane privrátenej k Slnku citeľne zúžené a na opačnej, nočnej strane tvorí dlhý jazyk, siahajúci pravdepodobne až za obežnú dráhu Mesiaca. Hranica magnetického poľa Zeme sa nazýva magnetopauza. Na dennej strane táto hranica prebieha vo vzdialenosti asi siedmich polomerov Zeme od povrchu, ale v obdobiach zvýšenej slnečnej aktivity sa ukazuje, že je ešte bližšie k zemskému povrchu. Magnetopauza je aj hranicou zemskej atmosféry, ktorej vonkajší obal sa nazýva aj magnetosféra, keďže sa v nej sústreďujú nabité častice (ióny), ktorých pohyb určuje magnetické pole Zeme. Celková hmotnosť atmosférických plynov je približne 4,5 x 1015 ton. „Hmotnosť“ atmosféry na jednotku plochy alebo atmosférického tlaku je približne 11 ton/m2 na úrovni mora.
Zmysel pre život. Z uvedeného vyplýva, že Zem je oddelená od medziplanetárneho priestoru mocnou ochrannou vrstvou. Vesmír je preniknutý silným ultrafialovým a röntgenovým žiarením zo Slnka a ešte tvrdším kozmickým žiarením a tieto typy žiarenia sú deštruktívne pre všetko živé. Na vonkajšom okraji atmosféry je intenzita žiarenia smrteľná, no veľkú časť z nej zadrží atmosféra ďaleko od zemského povrchu. Absorpcia tohto žiarenia vysvetľuje mnohé vlastnosti vysokých vrstiev atmosféry a najmä elektrické javy, ktoré sa tam vyskytujú. Najnižšia, prízemná vrstva atmosféry je dôležitá najmä pre ľudí, ktorí žijú v mieste kontaktu medzi pevnými, kvapalnými a plynnými obalmi Zeme. Horná vrstva „pevnej“ Zeme sa nazýva litosféra. Asi 72 % povrchu Zeme je pokrytých oceánskymi vodami, ktoré tvoria väčšinu hydrosféry. Atmosféra hraničí s litosférou aj hydrosférou. Človek žije na dne oceánu vzduchu a blízko alebo nad hladinou oceánu vody. Vzájomné pôsobenie týchto oceánov je jedným z dôležitých faktorov určujúcich stav atmosféry.
Zlúčenina. Spodné vrstvy atmosféry pozostávajú zo zmesi plynov (pozri tabuľku). Okrem tých, ktoré sú uvedené v tabuľke, sú vo vzduchu vo forme malých nečistôt prítomné aj ďalšie plyny: ozón, metán, látky ako oxid uhoľnatý (CO), oxidy dusíka a síry, amoniak.
ZLOŽENIE ATMOSFÉRY
Vo vysokých vrstvách atmosféry sa vplyvom tvrdého žiarenia Slnka mení zloženie vzduchu, čo vedie k rozpadu molekúl kyslíka na atómy. Atómový kyslík je hlavnou zložkou vysokých vrstiev atmosféry. Napokon vo vrstvách atmosféry najvzdialenejších od zemského povrchu sú hlavnými zložkami najľahšie plyny – vodík a hélium. Keďže väčšina hmoty je sústredená v dolných 30 km, zmeny zloženia vzduchu vo výškach nad 100 km nemajú výrazný vplyv na všeobecné zloženie atmosféru.
Výmena energie. Slnko je hlavným zdrojom energie dodávanej na Zem. Vo vzdialenosti cca. 150 miliónov km od Slnka prijíma Zem približne dve miliardy energie, ktorú vyžaruje, najmä vo viditeľnej časti spektra, ktorú ľudia nazývajú „svetlo“. Väčšina tejto energie je absorbovaná atmosférou a litosférou. Aj Zem vyžaruje energiu, hlavne vo forme dlhovlnného infračerveného žiarenia. Týmto spôsobom sa vytvorí rovnováha medzi energiou prijatou zo Slnka, zahrievaním Zeme a atmosféry a spätným tokom tepelnej energie emitovanej do vesmíru. Mechanizmus tejto rovnováhy je mimoriadne zložitý. Molekuly prachu a plynu rozptyľujú svetlo a čiastočne ho odrážajú do vesmíru. Ešte viac prichádzajúcej radiácie sa odráža v oblakoch. Časť energie je absorbovaná priamo molekulami plynu, ale hlavne horninami, vegetáciou a povrchovou vodou. Vodná para a oxid uhličitý prítomné v atmosfére prepúšťajú viditeľné žiarenie, ale absorbujú infračervené žiarenie. Tepelná energia sa akumuluje najmä v nižších vrstvách atmosféry. Podobný efekt nastáva v skleníku, keď sklo prepustí svetlo a pôda sa zohreje. Keďže sklo je relatívne nepriepustné pre infračervené žiarenie, v skleníku sa hromadí teplo. Teplo spodné vrstvy Atmosféra v dôsledku prítomnosti vodnej pary a oxidu uhličitého sa často nazýva skleníkový efekt. Oblačnosť zohráva významnú úlohu pri udržiavaní tepla v nižších vrstvách atmosféry. Ak sa oblaky vyjasnia alebo sa vzduch stane priehľadnejším, teplota nevyhnutne klesne, pretože zemský povrch voľne vyžaruje tepelnú energiu do okolitého priestoru. Voda na povrchu Zeme pohlcuje slnečnú energiu a vyparuje sa, pričom sa mení na plyn – vodnú paru, ktorá prenáša obrovské množstvo energie do spodných vrstiev atmosféry. Keď vodná para kondenzuje a tvoria sa oblaky alebo hmla, táto energia sa uvoľňuje ako teplo. Približne polovica slnečnej energie, ktorá sa dostane na zemský povrch, sa minie na odparovanie vody a dostáva sa do spodných vrstiev atmosféry. Atmosféra sa teda v dôsledku skleníkového efektu a vyparovania vody zospodu otepľuje. To čiastočne vysvetľuje vysokú aktivitu jeho cirkulácie v porovnaní s cirkuláciou Svetového oceánu, ktorý je ohrievaný iba zhora, a preto je oveľa stabilnejší ako atmosféra.
Pozri tiež METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA. Okrem všeobecného zahrievania atmosféry slnečným žiarením dochádza k výraznému zahrievaniu niektorých jej vrstiev vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. Štruktúra. V porovnaní s kvapalinami a pevnými látkami je v plynných látkach príťažlivá sila medzi molekulami minimálna. Keď sa vzdialenosť medzi molekulami zväčšuje, plyny sú schopné neobmedzene expandovať, ak im nič nebráni. Spodná hranica atmosféry je povrch Zeme. Presne povedané, táto bariéra je nepreniknuteľná, pretože výmena plynov prebieha medzi vzduchom a vodou a dokonca aj medzi vzduchom a horninami, ale v tomto prípade možno tieto faktory zanedbať. Keďže atmosféra je guľovitý obal, nemá žiadne bočné hranice, ale iba spodnú hranicu a hornú (vonkajšiu) hranicu, otvorenú zo strany medziplanetárneho priestoru. Niektoré neutrálne plyny unikajú cez vonkajšiu hranicu, rovnako ako hmota vstupuje z okolitého vesmíru. Väčšinu nabitých častíc, s výnimkou vysokoenergetického kozmického žiarenia, magnetosféra buď zachytí, alebo ju odpudí. Atmosféru ovplyvňuje aj gravitačná sila, ktorá drží vzduchový obal na povrchu Zeme. Atmosférické plyny sa stláčajú vlastnou hmotnosťou. Toto stlačenie je maximálne na spodnej hranici atmosféry, preto je tu najväčšia hustota vzduchu. V akejkoľvek výške nad zemským povrchom závisí stupeň stlačenia vzduchu od hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca, preto s výškou hustota vzduchu klesá. Tlak, ktorý sa rovná hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca na jednotku plochy, je priamo závislý od hustoty, a preto tiež klesá s výškou. Ak by bola atmosféra „ideálnym plynom“ s konštantným zložením nezávislým od nadmorskej výšky, konštantnou teplotou a konštantnou gravitačnou silou pôsobiacou na ňu, potom by sa tlak znížil 10-krát na každých 20 km výšky. Skutočná atmosféra sa mierne líši od ideálneho plynu do výšky asi 100 km a potom tlak klesá s výškou pomalšie, ako sa mení zloženie vzduchu. Malé zmeny do opísaného modelu prináša aj pokles gravitačnej sily so vzdialenosťou od stredu Zeme, ktorá je cca. 3 % na každých 100 km nadmorskej výšky. Na rozdiel od atmosférického tlaku teplota neklesá plynule s nadmorskou výškou. Ako je znázornené na obr. 1 klesá približne do výšky 10 km a potom sa opäť začína zvyšovať. K tomu dochádza, keď je ultrafialové slnečné žiarenie absorbované kyslíkom. Vzniká tak plynný ozón, ktorého molekuly pozostávajú z troch atómov kyslíka (O3). Pohlcuje aj ultrafialové žiarenie, a tak sa táto vrstva atmosféry, nazývaná ozonosféra, zohrieva. Vyššie teplota opäť klesá, pretože tam je oveľa menej molekúl plynu a absorpcia energie je zodpovedajúcim spôsobom znížená. V ešte vyšších vrstvách teplota opäť stúpa v dôsledku absorpcie ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka s najkratšou vlnovou dĺžkou atmosférou. Pod vplyvom tohto mohutného žiarenia dochádza k ionizácii atmosféry, t.j. molekula plynu stráca elektrón a získava kladný elektrický náboj. Takéto molekuly sa stávajú kladne nabitými iónmi. Vďaka prítomnosti voľných elektrónov a iónov získava táto vrstva atmosféry vlastnosti elektrického vodiča. Predpokladá sa, že teplota naďalej stúpa do výšok, kde riedka atmosféra prechádza do medziplanetárneho priestoru. Vo vzdialenosti niekoľkých tisíc kilometrov od zemského povrchu budú pravdepodobne prevládať teploty v rozmedzí od 5000° do 10 000°C Hoci molekuly a atómy majú veľmi vysoké rýchlosti pohybu, a preto vysoká teplota, tento riedený plyn nie je „horúci“ v obvyklom zmysle. Vzhľadom na malý počet molekúl vo vysokých nadmorských výškach je ich celková tepelná energia veľmi malá. Atmosféra sa teda skladá z oddelené vrstvy(t. j. rad sústredných škrupín alebo gúľ), ktorých identifikácia závisí od toho, o ktorú vlastnosť je najväčší záujem. Meteorológovia na základe rozloženia priemerných teplôt vypracovali diagram štruktúry ideálnej „priemernej atmosféry“ (pozri obr. 1).
Troposféra je spodná vrstva atmosféry, siahajúca po prvé tepelné minimum (tzv. tropopauza). Horná hranica troposféry závisí od zemepisnej šírky(v trópoch - 18-20 km, v miernych zemepisných šírkach - asi 10 km) a ročné obdobie. Americká národná meteorologická služba vykonala sondy v blízkosti južného pólu a odhalila sezónne zmeny vo výške tropopauzy. V marci je tropopauza vo výške cca. 7,5 km. Od marca do augusta alebo septembra dochádza k neustálemu ochladzovaniu troposféry a jej hranica vystupuje krátkodobo v auguste alebo septembri do výšky približne 11,5 km. Potom od septembra do decembra rapídne klesá a dosahuje najnižšiu polohu - 7,5 km, kde zostáva až do marca, kolíše v rozmedzí len 0,5 km. Práve v troposfére sa tvorí najmä počasie, ktoré určuje podmienky pre existenciu človeka. Väčšina atmosférickej vodnej pary sa sústreďuje v troposfére a tu sa primárne tvoria oblaky, hoci niektoré, zložené z ľadových kryštálikov, sa nachádzajú vo vyšších vrstvách. Troposféru charakterizujú turbulencie a silné vzdušné prúdy (vietor) a búrky. V hornej troposfére sú silné vzdušné prúdy v presne vymedzenom smere. Turbulentné víry, podobné malým vírom, vznikajú vplyvom trenia a dynamickej interakcie medzi pomaly a rýchlo sa pohybujúcimi vzduchovými hmotami. Pretože na týchto vysokých úrovniach zvyčajne nie je žiadna oblačnosť, táto turbulencia sa nazýva „turbulencia čistého vzduchu“.
Stratosféra. Horná vrstva atmosféry je často mylne označovaná ako vrstva s relatívne stálymi teplotami, kde vetry fúkajú viac-menej rovnomerne a kde sa meteorologické prvky menia len málo. Horné vrstvy stratosféry sa zahrievajú, keď kyslík a ozón absorbujú ultrafialové žiarenie zo slnka. Horná hranica stratosféry (stratopauza) je miesto, kde teplota mierne stúpa a dosahuje stredné maximum, ktoré je často porovnateľné s teplotou povrchovej vrstvy vzduchu. Na základe pozorovaní uskutočnených pomocou lietadiel a balónov určených na lietanie v konštantných výškach boli v stratosfére zistené turbulentné poruchy a silné vetry fúkajúce rôznymi smermi. Rovnako ako v troposfére, aj tu existujú silné vzdušné víry, ktoré sú nebezpečné najmä pre vysokorýchlostné lietadlá. Silné vetry, nazývané tryskové prúdy, fúkajú v úzkych zónach pozdĺž pólových hraníc miernych zemepisných šírok. Tieto zóny sa však môžu posunúť, zmiznúť a znovu sa objaviť. Tryskové prúdy typicky prenikajú cez tropopauzu a objavujú sa v hornej troposfére, ale ich rýchlosť rýchlo klesá s klesajúcou výškou. Je možné, že časť energie vstupujúcej do stratosféry (hlavne vynaložená na tvorbu ozónu) ovplyvňuje procesy v troposfére. Obzvlášť aktívne miešanie je spojené s atmosférickými frontami, kde boli hlboko pod tropopauzou zaznamenané rozsiahle prúdy stratosférického vzduchu a troposférický vzduch bol vťahovaný do spodných vrstiev stratosféry. Významný pokrok sa dosiahol v štúdiu vertikálnej štruktúry spodných vrstiev atmosféry vďaka zdokonaleniu technológie vypúšťania rádiosond do výšok 25-30 km. Mezosféra, ktorá sa nachádza nad stratosférou, je škrupina, v ktorej až do výšky 80-85 km klesá teplota na minimálne hodnoty pre atmosféru ako celok. Rekordne nízke teploty až do -110 °C zaznamenali meteorologické rakety vypustené z americko-kanadského zariadenia vo Fort Churchill (Kanada). Horná hranica mezosféry (mezopauza) sa približne zhoduje so spodnou hranicou oblasti aktívnej absorpcie röntgenového a krátkovlnného ultrafialového žiarenia zo Slnka, ktoré je sprevádzané zahrievaním a ionizáciou plynu. V polárnych oblastiach sa oblačné systémy často objavujú počas mezopauzy v lete a obsadzujú veľká plocha , ale majú nevýznamný vertikálny vývoj. Takéto nočné žiariace oblaky často odhaľujú veľké vlnové pohyby vzduchu v mezosfére. Zloženie týchto oblakov, zdroje vlhkosti a kondenzačných jadier, dynamika a vzťahy s meteorologickými faktormi ešte nie sú dostatočne prebádané. Termosféra je vrstva atmosféry, v ktorej teplota neustále stúpa. Jeho výkon môže dosiahnuť 600 km. Tlak a teda aj hustota plynu s nadmorskou výškou neustále klesá. V blízkosti zemského povrchu obsahuje 1 m3 vzduchu cca. 2,5 x 1025 molekúl, vo výške cca. 100 km, v spodných vrstvách termosféry - približne 1019, vo výške 200 km, v ionosfére - 5 * 10 15 a podľa výpočtov vo výške cca. 850 km - približne 1012 molekúl. V medziplanetárnom priestore je koncentrácia molekúl 10 8-10 9 na 1 m3. V nadmorskej výške cca. 100 km je počet molekúl malý a zriedka sa navzájom zrážajú. Priemerná vzdialenosť, ktorú chaoticky sa pohybujúca molekula prekoná pred zrážkou s inou podobnou molekulou, sa nazýva jej stredná voľná dráha. Vrstva, v ktorej sa táto hodnota zväčší natoľko, že možno zanedbať pravdepodobnosť medzimolekulových alebo medziatómových zrážok, sa nachádza na hranici medzi termosférou a nadložnou škrupinou (exosférou) a nazýva sa tepelná pauza. Termopauza je približne 650 km od zemského povrchu. Pri určitej teplote závisí rýchlosť molekuly od jej hmotnosti: ľahšie molekuly sa pohybujú rýchlejšie ako ťažšie. V spodnej atmosfére, kde je voľná dráha veľmi krátka, nie je badateľná separácia plynov podľa ich molekulovej hmotnosti, ale nad 100 km je výrazná. Navyše vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka sa molekuly kyslíka rozpadajú na atómy, ktorých hmotnosť je polovičná ako hmotnosť molekuly. Preto, ako sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atómový kyslík nadobúda čoraz väčší význam v zložení atmosféry a vo výške cca. Jeho hlavnou zložkou sa stáva 200 km. Vyššie, vo vzdialenosti približne 1200 km od povrchu Zeme, prevládajú ľahké plyny – hélium a vodík. Vonkajší obal atmosféry sa skladá z nich. Táto separácia podľa hmotnosti, nazývaná difúzna stratifikácia, je podobná separácii zmesí pomocou centrifúgy. Exosféra je vonkajšia vrstva atmosféry, ktorá vzniká na základe zmien teploty a vlastností neutrálneho plynu. Molekuly a atómy v exosfére rotujú okolo Zeme po balistických dráhach pod vplyvom gravitácie. Niektoré z týchto dráh sú parabolické a pripomínajú trajektórie projektilov. Molekuly sa môžu otáčať okolo Zeme a na eliptických dráhach, ako sú satelity. Niektoré molekuly, najmä vodík a hélium, majú otvorené trajektórie a smerujú do vesmíru (obr. 2).
SLNEČNÉ POZEMSKÉ PREPOJENIA A ICH VPLYV NA ATMOSFÉRU
Atmosférické prílivy a odlivy. Príťažlivosť Slnka a Mesiaca spôsobuje príliv a odliv v atmosfére, podobný zemskému a morskému prílivu. Atmosférické prílivy a odlivy majú však významný rozdiel: atmosféra reaguje najsilnejšie na príťažlivosť Slnka, zatiaľ čo zemská kôra a oceán reagujú najsilnejšie na príťažlivosť Mesiaca. Vysvetľuje to skutočnosť, že atmosféra je ohrievaná Slnkom a okrem gravitácie dochádza k silnému tepelnému prílivu. Vo všeobecnosti sú mechanizmy vzniku atmosférického a morského prílivu a odlivu podobné, s tým rozdielom, že na predpovedanie reakcie vzduchu na gravitačné a tepelné vplyvy je potrebné brať do úvahy jeho stlačiteľnosť a rozloženie teplôt. Nie je celkom jasné, prečo polodenné (12-hodinové) slnečné prílivy v atmosfére prevládajú nad dennými slnečnými a poldennými mesačnými prílivmi, hoci hnacie sily posledných dvoch procesov sú oveľa silnejšie. Predtým sa verilo, že v atmosfére vzniká rezonancia, ktorá zosilňuje oscilácie s periódou 12 hodín. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet však naznačujú absenciu teplotných dôvodov pre takúto rezonanciu. Pri riešení tohto problému je pravdepodobne potrebné vziať do úvahy všetky hydrodynamické a tepelné vlastnosti atmosféry. Na zemskom povrchu v blízkosti rovníka, kde je vplyv slapových výkyvov maximálny, poskytuje zmenu atmosférického tlaku o 0,1 %. Rýchlosť prílivového vetra je cca. 0,3 km/h. Zložitou tepelnou štruktúrou atmosféry (najmä prítomnosťou minimálnej teploty v mezopauze) dochádza k zosilneniu prílivových prúdov vzduchu a napríklad vo výške 70 km je ich rýchlosť približne 160-krát vyššia ako rýchlosť prúdenia vzduchu. zemského povrchu, čo má dôležité geofyzikálne dôsledky. Predpokladá sa, že v spodnej časti ionosféry (vrstva E) slapové výkyvy posúvajú ionizovaný plyn vertikálne v magnetickom poli Zeme, a preto tu vznikajú elektrické prúdy. Tieto neustále vznikajúce sústavy prúdov na zemskom povrchu vznikajú poruchami v magnetickom poli. Denné zmeny magnetického poľa sú v pomerne dobrej zhode s vypočítanými hodnotami, čo poskytuje presvedčivý dôkaz v prospech teórie slapových mechanizmov „atmosférického dynama“. Elektrické prúdy vznikajúce v spodnej časti ionosféry (vrstva E) musia niekam putovať, a preto musí byť okruh uzavretý. Analógia s dynamom je úplná, ak nadchádzajúci pohyb považujeme za prácu motora. Predpokladá sa, že k spätnej cirkulácii elektrického prúdu dochádza vo vyššej vrstve ionosféry (F) a tento protiprúd môže vysvetľovať niektoré zvláštne črty tejto vrstvy. Nakoniec, prílivový efekt by mal tiež generovať horizontálne toky vo vrstve E a teda vo vrstve F.
Ionosféra. Pokúšajú sa vysvetliť mechanizmus výskytu polárnej žiary vedci 19. storočia. navrhol, že v atmosfére existuje zóna s elektricky nabitými časticami. V 20. storočí boli experimentálne získané presvedčivé dôkazy o existencii vrstvy, ktorá odráža rádiové vlny, vo výškach 85 až 400 km. Dnes je známe, že jeho elektrické vlastnosti sú výsledkom ionizácie atmosférického plynu. Preto sa táto vrstva zvyčajne nazýva ionosféra. Účinok na rádiové vlny nastáva najmä v dôsledku prítomnosti voľných elektrónov v ionosfére, aj keď mechanizmus šírenia rádiových vĺn je spojený s prítomnosťou veľkých iónov. O posledné menované je záujem aj pri štúdiu chemické vlastnosti atmosfére, pretože sú aktívnejšie ako neutrálne atómy a molekuly. Chemické reakcie prebiehajúce v ionosfére hrajú dôležitú úlohu v jej energetickej a elektrickej rovnováhe.
Normálna ionosféra. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet a satelitov poskytli množstvo nové informácie, čo naznačuje, že k ionizácii atmosféry dochádza pod vplyvom širokospektrálneho slnečného žiarenia. Jeho hlavná časť (viac ako 90 %) je sústredená vo viditeľnej časti spektra. Ultrafialové žiarenie, ktoré má kratšiu vlnovú dĺžku a vyššiu energiu ako fialové svetelné lúče, je emitované vodíkom vo vnútornej atmosfére Slnka (chromosféra) a röntgenové žiarenie, ktoré má ešte vyššiu energiu, je emitované plynmi vo vonkajšom obale Slnka. (koróna). Normálny (priemerný) stav ionosféry je spôsobený konštantným silným žiarením. V normálnej ionosfére dochádza v dôsledku dennej rotácie Zeme a sezónnych rozdielov v uhle dopadu slnečných lúčov na poludnie k pravidelným zmenám, ale dochádza aj k nepredvídateľným a náhlym zmenám stavu ionosféry.
Poruchy v ionosfére. Ako je známe, na Slnku sa vyskytujú silné cyklicky sa opakujúce poruchy, ktoré dosahujú maximum každých 11 rokov. Pozorovania v rámci programu International Geophysical Year (IGY) sa zhodovali s obdobím najvyššej slnečnej aktivity za celé obdobie systematických meteorologických pozorovaní, t.j. zo začiatku 18. storočia. Počas obdobia vysokej aktivity sa jas niektorých oblastí na Slnku niekoľkonásobne zvyšuje a vysielajú silné impulzy ultrafialového a röntgenového žiarenia. Takéto javy sa nazývajú slnečné erupcie. Trvajú od niekoľkých minút do jednej až dvoch hodín. Počas erupcie dochádza k erupcii slnečného plynu (väčšinou protónov a elektrónov) a elementárne častice sa rútia do vesmíru. Elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie zo Slnka počas takýchto erupcií má silný vplyv na zemskú atmosféru. Počiatočná reakcia je pozorovaná 8 minút po vzplanutí, keď Zem dosiahne intenzívne ultrafialové a röntgenové žiarenie. V dôsledku toho sa ionizácia prudko zvyšuje; Röntgenové lúče prenikajú atmosférou až k spodnej hranici ionosféry; počet elektrónov v týchto vrstvách narastá natoľko, že rádiové signály sú takmer úplne absorbované („zhasnuté“). Dodatočná absorpcia žiarenia spôsobuje zahrievanie plynu, čo prispieva k rozvoju vetrov. Ionizovaný plyn je elektrický vodič a pri jeho pohybe v magnetickom poli Zeme dochádza k dynamoefektu a vzniká elektrický prúd. Takéto prúdy môžu zase spôsobiť citeľné poruchy v magnetickom poli a prejaviť sa vo forme magnetických búrok. Táto počiatočná fáza trvá len krátky čas, ktorý zodpovedá trvaniu slnečnej erupcie. Počas silných erupcií na Slnku sa prúd zrýchlených častíc rúti do vesmíru. Keď je nasmerovaný k Zemi, začína sa druhá fáza, ktorá má veľký vplyv na stav atmosféry. Mnohé prírodné javy, z ktorých najznámejšie sú polárne žiary, naznačujú, že na Zem dopadá značný počet nabitých častíc (pozri tiež AURORAURAL). Procesy oddeľovania týchto častíc od Slnka, ich trajektórie v medziplanetárnom priestore a mechanizmy interakcie s magnetickým poľom Zeme a magnetosférou však ešte nie sú dostatočne preštudované. Problém sa skomplikoval po tom, čo v roku 1958 objavil James Van Allen škrupiny pozostávajúce z nabitých častíc, ktoré drží geomagnetické pole. Tieto častice sa pohybujú z jednej pologule na druhú a otáčajú sa v špirálach okolo magnetických siločiar. V blízkosti Zeme sa vo výške závislej od tvaru siločiar a energie častíc nachádzajú „body odrazu“, v ktorých častice menia smer pohybu na opačný (obr. 3). Pretože sila magnetického poľa so vzdialenosťou od Zeme klesá, dráhy, po ktorých sa tieto častice pohybujú, sú trochu skreslené: elektróny sú vychyľované na východ a protóny na západ. Preto sú distribuované vo forme pásov po celej zemeguli.
Niektoré dôsledky zahrievania atmosféry Slnkom. Slnečná energia ovplyvňuje celú atmosféru. Pásy tvorené nabitými časticami v magnetickom poli Zeme a rotujúce okolo neho už boli spomenuté vyššie. Najbližšie k zemskému povrchu sa tieto pásy približujú v subpolárnych oblastiach (pozri obr. 3), kde sú pozorované polárne žiary. Obrázok 1 ukazuje, že v aurorálnych oblastiach v Kanade sú teploty termosféry výrazne vyššie ako v juhozápadných Spojených štátoch. Je pravdepodobné, že zachytené častice uvoľnia časť svojej energie do atmosféry, najmä pri zrážke s molekulami plynu v blízkosti bodov odrazu, a opustia svoje predchádzajúce dráhy. Takto sa zahrievajú vysoké vrstvy atmosféry v polárnej zóne. Ďalší dôležitý objav sa uskutočnilo pri štúdiu obežných dráh umelých satelitov. Luigi Iacchia, astronóm zo Smithsonian Astrophysical Observatory, sa domnieva, že mierne odchýlky na týchto dráhach sú spôsobené zmenami v hustote atmosféry, keď ju ohrieva Slnko. Navrhol existenciu maximálnej hustoty elektrónov vo výške viac ako 200 km v ionosfére, ktorá nezodpovedá slnečnému poludniu, ale vplyvom trecích síl sa oproti nej oneskorí asi o dve hodiny. V tomto čase sú hodnoty hustoty atmosféry typické pre nadmorskú výšku 600 km na úrovni cca. 950 km. Okrem toho maximálna hustota elektrónov podlieha nepravidelným výkyvom v dôsledku krátkodobých zábleskov ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. L. Iacchia tiež objavil krátkodobé kolísanie hustoty vzduchu, zodpovedajúce slnečným erupciám a poruchám magnetického poľa. Tieto javy sa vysvetľujú vnikaním častíc slnečného pôvodu do zemskej atmosféry a zahrievaním tých vrstiev, kde obiehajú satelity.
ATMOSFÉRICKÁ ELEKTRINA
V povrchovej vrstve atmosféry je malá časť molekúl vystavená ionizácii pod vplyvom kozmického žiarenia, žiarenia z rádioaktívnych hornín a produktov rozpadu rádia (hlavne radónu) v samotnom vzduchu. Počas ionizácie atóm stráca elektrón a získava kladný náboj. Voľný elektrón sa rýchlo spojí s iným atómom a vytvorí záporne nabitý ión. Takéto spárované pozitívne a negatívne ióny majú molekulovú veľkosť. Molekuly v atmosfére majú tendenciu sa zhlukovať okolo týchto iónov. Niekoľko molekúl kombinovaných s iónom tvorí komplex, ktorý sa zvyčajne nazýva „ľahký ión“. Atmosféra obsahuje aj komplexy molekúl, v meteorológii známe ako kondenzačné jadrá, okolo ktorých, keď je vzduch nasýtený vlhkosťou, začína proces kondenzácie. Tieto jadrá sú častice soli a prachu, ako aj znečisťujúce látky vstupujúce do ovzdušia z priemyselných a iných zdrojov. Ľahké ióny sa často viažu na takéto jadrá a vytvárajú „ťažké ióny“. Pod vplyvom elektrického poľa sa ľahké a ťažké ióny presúvajú z jednej oblasti atmosféry do druhej a prenášajú elektrické náboje. Hoci atmosféra nie je všeobecne považovaná za elektricky vodivú, má určitú vodivosť. Preto nabité teleso ponechané vo vzduchu pomaly stráca svoj náboj. Atmosférická vodivosť sa zvyšuje s nadmorskou výškou v dôsledku zvýšenej intenzity kozmického žiarenia, zníženej straty iónov pri nižšom tlaku (a teda dlhšej strednej voľnej dráhy) a menšieho počtu ťažkých jadier. Atmosférická vodivosť dosahuje maximálnu hodnotu vo výške cca. 50 km, tzv „úroveň kompenzácie“. Je známe, že medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je konštantný potenciálny rozdiel niekoľko stoviek kilovoltov, t.j. konštantné elektrické pole. Ukázalo sa, že potenciálny rozdiel medzi určitým bodom nachádzajúcim sa vo vzduchu vo výške niekoľkých metrov a povrchom Zeme je veľmi veľký – viac ako 100 V. Atmosféra má kladný náboj a zemský povrch je nabitý záporne. . Keďže elektrické pole je oblasť, v ktorej každom bode je určitá hodnota potenciálu, môžeme hovoriť o potenciálnom gradiente. Za jasného počasia je intenzita elektrického poľa atmosféry takmer konštantná. V dôsledku rozdielov v elektrickej vodivosti vzduchu v povrchovej vrstve podlieha potenciálový gradient denným výkyvom, ktorých priebeh sa v jednotlivých miestach výrazne líši. Pri absencii miestnych zdrojov znečistenia ovzdušia – nad oceánmi, vysoko v horách alebo v polárnych oblastiach – je denná variácia gradientu potenciálu za jasného počasia rovnaká. Veľkosť gradientu závisí od univerzálneho alebo greenwichského priemeru času (UT) a dosahuje maximum o 19 hodinách. E. Appleton naznačil, že táto maximálna elektrická vodivosť sa pravdepodobne zhoduje s najväčšou búrkovou aktivitou na planetárnom meradle. Údery bleskov počas búrok nesú na zemský povrch záporný náboj, keďže základne najaktívnejších oblakov typu cumulonimbus majú výrazný záporný náboj. Vrcholy búrkových oblakov majú kladný náboj, ktorý podľa výpočtov Holzera a Saxona pri búrkach odteká z ich vrchov. Bez neustáleho dopĺňania by bol náboj na zemskom povrchu neutralizovaný atmosférickou vodivosťou. Predpoklad, že potenciálny rozdiel medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je udržiavaný búrkami, je podporený štatistickými údajmi. Napríklad maximálny počet búrok sa pozoruje v údolí rieky. Amazonky. Najčastejšie sa tam búrky vyskytujú na konci dňa, t.j. OK. 19:00 Greenwichský čas, kedy je potenciálny gradient kdekoľvek na svete maximálny. Okrem toho sezónne variácie v tvare denných variačných kriviek potenciálneho gradientu sú tiež v úplnom súlade s údajmi o globálnom rozložení búrok. Niektorí vedci tvrdia, že zdroj elektrického poľa Zeme môže byť vonkajšieho pôvodu, pretože sa predpokladá, že elektrické polia existujú v ionosfére a magnetosfére. Táto okolnosť pravdepodobne vysvetľuje výskyt veľmi úzkych pretiahnutých foriem polárnych žiaroviek, podobných kulisám a oblúkom
(pozri tiež SVETLÁ AURORA). V dôsledku prítomnosti potenciálneho gradientu a vodivosti atmosféry sa nabité častice začínajú pohybovať medzi „kompenzačnou úrovňou“ a zemským povrchom: kladne nabité ióny smerom k zemskému povrchu a záporne nabité smerom nahor. Sila tohto prúdu je cca. 1800 A. Hoci sa táto hodnota zdá byť veľká, treba mať na pamäti, že je rozložená po celom povrchu Zeme. Sila prúdu v stĺpci vzduchu so základnou plochou 1 m2 je len 4 * 10 -12 A. Na druhej strane sila prúdu pri výboji blesku môže dosiahnuť niekoľko ampérov, aj keď, samozrejme, napr. výboj má krátke trvanie - od zlomku sekundy po celú sekundu alebo o niečo viac s opakovanými výbojmi. Blesk je veľmi zaujímavý nielen ako svojrázny prírodný úkaz. Umožňuje pozorovať elektrický výboj v plynnom prostredí pri napätí niekoľko stoviek miliónov voltov a vzdialenosti medzi elektródami niekoľko kilometrov. V roku 1750 B. Franklin navrhol Kráľovskej spoločnosti v Londýne uskutočniť experiment so železnou tyčou namontovanou na izolačnom podstavci a namontovanou na vysokej veži. Očakával, že keď sa búrkový mrak približuje k veži, náboj opačného znamenia sa sústredí na hornom konci pôvodne neutrálnej tyče a náboj rovnakého znamenia ako na základni oblaku sa koncentruje na spodnom konci. . Ak sa intenzita elektrického poľa pri výboji blesku dostatočne zvýši, náboj z horného konca tyče bude čiastočne prúdiť do vzduchu a tyč získa náboj rovnakého znamienka ako základňa oblaku. Experiment navrhnutý Franklinom sa neuskutočnil v Anglicku, ale v roku 1752 ho vykonal v Marly pri Paríži francúzsky fyzik Jean d'Alembert sklenená fľaša(ktorý slúžil ako izolant) železná tyč dlhá 12 m, ale na vežu ju neumiestnila. 10. mája jeho asistent oznámil, že keď bol nad barom búrkový mrak, objavili sa iskry, keď k nemu priviedli uzemnený drôt. Samotný Franklin, ktorý nevedel o úspešnom experimente uskutočnenom vo Francúzsku, v júni toho istého roku uskutočnil svoj slávny experiment s šarkanom a pozoroval elektrické iskry na konci drôtu, ktorý bol k nemu priviazaný. Nasledujúci rok, keď študoval náboje zozbierané z tyče, Franklin zistil, že základne búrkových oblakov boli zvyčajne negatívne nabité. Podrobnejšie štúdie blesku boli možné na konci 19. storočia. vďaka zdokonaleniu fotografických metód, najmä po vynájdení prístroja s rotačnými šošovkami, ktorý umožnil zaznamenávať rýchlo sa rozvíjajúce procesy. Tento typ kamery bol široko používaný pri štúdiu iskrových výbojov. Zistilo sa, že existuje niekoľko druhov bleskov, pričom najbežnejšie sú čiarové, rovinné (v oblakoch) a guľové (vzduchové výboje). Lineárny blesk je iskrový výboj medzi oblakom a zemským povrchom, ktorý sleduje kanál s vetvami smerujúcimi nadol. Ploché blesky sa vyskytujú v búrkovom oblaku a objavujú sa ako záblesky rozptýleného svetla. Vzduchové výboje guľového blesku, vychádzajúce z búrkového mraku, sú často smerované horizontálne a nedosahujú zemský povrch.
Výboj blesku zvyčajne pozostáva z troch alebo viacerých opakovaných výbojov - impulzov sledujúcich rovnakú dráhu. Intervaly medzi po sebe nasledujúcimi impulzmi sú veľmi krátke, od 1/100 do 1/10 s (to spôsobuje blikanie blesku). Vo všeobecnosti trvá blesk približne sekundu alebo menej. Možno opísať typický proces vývoja blesku nasledujúcim spôsobom. Najprv sa zhora na zemský povrch vyrúti slabo svietiaci vodiaci výboj. Keď ho dosiahne, jasne žiariaci spätný alebo hlavný výboj prechádza zo zeme nahor cez kanál, ktorý položil vodca. Vedúci výboj sa spravidla pohybuje cik-cak. Rýchlosť jeho šírenia sa pohybuje od sto do niekoľkých stoviek kilometrov za sekundu. Na svojej ceste ionizuje molekuly vzduchu a vytvára kanál so zvýšenou vodivosťou, cez ktorý sa spätný výboj pohybuje nahor rýchlosťou približne stokrát väčšou ako je rýchlosť vedúceho výboja. Veľkosť kanála je ťažké určiť, ale priemer vodiaceho výboja sa odhaduje na 1-10 m a priemer spätného výboja je niekoľko centimetrov. Výboje blesku vytvárajú rádiové rušenie vyžarovaním rádiových vĺn v širokom rozsahu – od 30 kHz po ultra nízke frekvencie. Najväčšia emisia rádiových vĺn je pravdepodobne v rozsahu od 5 do 10 kHz. Takéto nízkofrekvenčné rádiové rušenie sa „koncentruje“ v priestore medzi spodnou hranicou ionosféry a zemským povrchom a môže sa šíriť do vzdialeností tisícok kilometrov od zdroja.
ZMENY V ATMOSFÉRE
Vplyv meteorov a meteoritov. Hoci meteorické roje niekedy vytvárajú dramatické zobrazenie svetla, jednotlivé meteory vidno len zriedka. Oveľa početnejšie sú neviditeľné meteory, príliš malé na to, aby boli viditeľné, keď sa absorbujú do atmosféry. Niektoré z najmenších meteorov sa pravdepodobne vôbec nezohrievajú, ale sú zachytené iba atmosférou. Tieto malé častice s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do desať tisícin milimetra sa nazývajú mikrometeority. Množstvo meteorického materiálu vstupujúceho do atmosféry každý deň sa pohybuje od 100 do 10 000 ton, pričom väčšina tohto materiálu pochádza z mikrometeoritov. Keďže meteorická hmota čiastočne horí v atmosfére, jej zloženie plynu je doplnené stopami rôznych chemických prvkov. Napríklad skalné meteory vnášajú do atmosféry lítium. Spaľovanie kovových meteorov vedie k tvorbe drobných guľovitých železných, železo-niklových a iných kvapôčok, ktoré prechádzajú atmosférou a usadzujú sa na zemskom povrchu. Možno ich nájsť v Grónsku a Antarktíde, kde ľadové štíty zostávajú roky takmer nezmenené. Oceánológovia ich nachádzajú v sedimentoch dna oceánov. Väčšina meteorických častíc vstupujúcich do atmosféry sa usadí približne do 30 dní. Niektorí vedci sa domnievajú, že tento kozmický prach hrá dôležitú úlohu pri vytváraní atmosférických javov, ako je dážď, pretože slúži ako kondenzačné jadrá pre vodnú paru. Preto sa predpokladá, že zrážky štatisticky súvisia s veľkými meteorickými rojmi. Niektorí odborníci sa však domnievajú, že vzhľadom na to, že celková zásoba meteorického materiálu je mnohonásobne väčšia ako pri najväčšom meteorickom roji, možno zanedbať zmenu celkového množstva tohto materiálu v dôsledku jedného takéhoto dažďa. Niet však pochýb o tom, že najväčšie mikrometeority a samozrejme viditeľné meteority zanechávajú dlhé stopy po ionizácii vo vysokých vrstvách atmosféry, najmä v ionosfére. Takéto stopy môžu byť použité na diaľkovú rádiovú komunikáciu, pretože odrážajú vysokofrekvenčné rádiové vlny. Energia meteorov vstupujúcich do atmosféry sa vynakladá hlavne a možno úplne na jej zahrievanie. Toto je jedna z vedľajších zložiek tepelnej rovnováhy atmosféry.
Oxid uhličitý priemyselného pôvodu. V období karbónu bola na Zemi rozšírená drevinová vegetácia. Veľká časť oxidu uhličitého absorbovaného rastlinami sa v tom čase nahromadila v uhoľných ložiskách a ropných sedimentoch. Človek sa naučil využívať obrovské zásoby týchto minerálov ako zdroj energie a teraz rýchlo vracia oxid uhličitý do kolobehu látok. Fosílny stav je pravdepodobne cca. 4*10 13 ton uhlíka. Za posledné storočie ľudstvo spálilo toľko fosílnych palív, že približne 4*10 11 ton uhlíka sa znovu dostalo do atmosféry. V súčasnosti je cca. 2 * 10 12 ton uhlíka a v najbližších sto rokoch v dôsledku spaľovania fosílnych palív sa toto číslo môže zdvojnásobiť. Nie všetok uhlík však zostane v atmosfére: časť sa rozpustí vo vodách oceánu, časť pohltí rastliny a časť sa viaže v procese zvetrávania hornín. Zatiaľ nie je možné predpovedať, koľko oxidu uhličitého bude obsiahnutých v atmosfére, ani aký presne to bude mať vplyv na globálnu klímu. Predpokladá sa však, že akékoľvek zvýšenie jeho obsahu spôsobí otepľovanie, aj keď vôbec nie je potrebné, aby akékoľvek oteplenie výrazne ovplyvňovalo klímu. Koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére podľa výsledkov meraní citeľne stúpa, aj keď pomalým tempom. Klimatické údaje pre Svalbard a stanicu Little America na Rossovom ľadovom šelfe v Antarktíde naznačujú nárast priemerných ročných teplôt o 5 °C a 2,5 °C, v uvedenom poradí, za približne 50-ročné obdobie.
Vystavenie kozmickému žiareniu. Pri interakcii vysokoenergetického kozmického žiarenia s jednotlivými zložkami atmosféry vznikajú rádioaktívne izotopy. Medzi nimi vyniká izotop uhlíka 14C, ktorý sa hromadí v rastlinných a živočíšnych tkanivách. Meraním rádioaktivity organických látok, ktoré si dlho nevymieňali uhlík s okolím, možno určiť ich vek. Rádiokarbónová metóda sa etablovala ako najspoľahlivejší spôsob datovania fosílnych organizmov a predmetov hmotnej kultúry, ktorých vek nepresahuje 50 tisíc rokov. Iné rádioaktívne izotopy s dlhým polčasom rozpadu možno použiť na datovanie materiálov starých stovky tisíc rokov, ak sa podarí vyriešiť základnú výzvu merania extrémne nízkych úrovní rádioaktivity.
(pozri aj RÁDIOkarbonová zoznamka).
VZNIK ATMOSFÉRY ZEME
História vzniku atmosféry ešte nie je úplne spoľahlivo zrekonštruovaná. Napriek tomu boli identifikované niektoré pravdepodobné zmeny v jeho zložení. Tvorba atmosféry začala hneď po sformovaní Zeme. Existujú celkom dobré dôvody domnievať sa, že v procese vývoja Zeme a jej získavania blízkymi moderné veľkosti a masy takmer úplne stratil svoju pôvodnú atmosféru. Predpokladá sa, že v ranom štádiu bola Zem v roztavenom stave a cca. Pred 4,5 miliardami rokov sa sformoval do pevného telesa. Tento míľnik sa považuje za začiatok geologickej chronológie. Odvtedy došlo k pomalému vývoju atmosféry. Niektoré geologické procesy, ako napríklad vylievanie lávy pri sopečných erupciách, boli sprevádzané uvoľňovaním plynov z útrob Zeme. Pravdepodobne medzi ne patril dusík, čpavok, metán, vodná para, oxid uhoľnatý a oxid. Vplyvom slnečného ultrafialového žiarenia sa vodná para rozložila na vodík a kyslík, no uvoľnený kyslík reagoval s oxidom uhoľnatým za vzniku oxidu uhličitého. Amoniak sa rozkladá na dusík a vodík. Počas procesu difúzie vodík stúpal a opúšťal atmosféru a ťažší dusík sa nedokázal odparovať a postupne sa hromadil, stal sa jeho hlavnou zložkou, hoci časť z neho bola viazaná pri chemických reakciách. Vplyvom ultrafialových lúčov a elektrických výbojov vstúpila zmes plynov, ktoré sa pravdepodobne nachádzali v pôvodnej atmosfére Zeme, do chemických reakcií, ktoré viedli k tvorbe organických látok, najmä aminokyselín. V dôsledku toho mohol život vzniknúť v atmosfére zásadne odlišnej od tej modernej. S príchodom primitívnych rastlín sa začal proces fotosyntézy (pozri aj FOTOSYNTÉZA), sprevádzaný uvoľňovaním voľného kyslíka. Tento plyn, najmä po difúzii do vyšších vrstiev atmosféry, začal chrániť jej spodné vrstvy a povrch Zeme pred životu nebezpečným ultrafialovým a röntgenovým žiarením. Odhaduje sa, že prítomnosť iba 0,00004 moderného objemu kyslíka by mohla viesť k vytvoreniu vrstvy s polovičnou koncentráciou ozónu, ktorá napriek tomu poskytovala veľmi významnú ochranu pred ultrafialovým žiarením. Je tiež pravdepodobné, že primárna atmosféra obsahovala veľa oxidu uhličitého. Spotreboval sa pri fotosyntéze a jeho koncentrácia musela klesať s vývojom sveta rastlín a tiež v dôsledku absorpcie počas určitých geologických procesov. Keďže skleníkový efekt súvisí s prítomnosťou oxidu uhličitého v atmosfére, niektorí vedci sa domnievajú, že kolísanie jeho koncentrácie je jedným z dôležitých dôvodov takých rozsiahlych klimatických zmien v histórii Zeme, ako je napr. doby ľadové. Hélium prítomné v modernej atmosfére je pravdepodobne z veľkej časti produktom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a rádia. Tieto rádioaktívne prvky emitujú častice alfa, ktoré sú jadrami atómov hélia. Keďže počas rádioaktívneho rozpadu nevzniká ani nestráca žiadny elektrický náboj, na každú alfa časticu pripadajú dva elektróny. V dôsledku toho sa s nimi spája a vytvára neutrálne atómy hélia. Rádioaktívne prvky obsahujú minerály rozptýlené v horninách, takže značná časť hélia vzniknutého v dôsledku rádioaktívneho rozpadu sa v nich zadržiava a veľmi pomaly uniká do atmosféry. Určité množstvo hélia stúpa v dôsledku difúzie smerom nahor do exosféry, ale vďaka neustálemu prílevu zo zemského povrchu je objem tohto plynu v atmosfére konštantný. Na základe spektrálnej analýzy hviezdneho svetla a štúdia meteoritov je možné odhadnúť relatívne zastúpenie rôznych chemických prvkov vo vesmíre. Koncentrácia neónu vo vesmíre je asi desaťmiliardkrát vyššia ako na Zemi, kryptónu desaťmiliónkrát a xenónu miliónkrát. Z toho vyplýva, že koncentrácia týchto inertných plynov, ktoré sa pôvodne nachádzali v zemskej atmosfére a počas chemických reakcií sa nedopĺňali, výrazne klesla, pravdepodobne aj v štádiu straty primárnej atmosféry Zeme. Výnimkou je inertný plyn argón, keďže vo forme izotopu 40Ar vzniká ešte pri rádioaktívnom rozpade izotopu draslíka.
OPTICKÉ JAMY
Rozmanitosť optických javov v atmosfére je spôsobená rôznymi dôvodmi. Medzi najbežnejšie javy patria blesky (pozri vyššie) a veľmi efektné severné a južné polárne žiary (pozri tiež AURORA). Okrem toho sú zaujímavé najmä dúha, gal, parhelium (falošné slnko) a oblúky, koróna, halo a Brockenovci, fatamorgány, ohne svätého Elma, svetelné oblaky, zelené a súmračné lúče. Dúha je najkrajší atmosférický úkaz. Zvyčajne ide o obrovský oblúk pozostávajúci z viacfarebných pruhov, ktorý sa pozoruje, keď Slnko osvetľuje iba časť oblohy a vzduch je nasýtený kvapkami vody, napríklad počas dažďa. Viacfarebné oblúky sú usporiadané v spektrálnej sekvencii (červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová), ale farby nie sú takmer nikdy čisté, pretože pruhy sa navzájom prekrývajú. Fyzikálne vlastnosti dúh sa spravidla výrazne líšia, a preto vzhľad sú veľmi rôznorodé. Ich spoločným znakom je, že stred oblúka sa vždy nachádza na priamke vedenej od Slnka k pozorovateľovi. Hlavná dúha je oblúk pozostávajúci z najjasnejších farieb - červenej zvonka a fialovej zvnútra. Niekedy je viditeľný iba jeden oblúk, ale často sa na vonkajšej strane hlavnej dúhy objaví bočný oblúk. Nemá také jasné farby ako prvý a červené a fialové pruhy v ňom menia miesta: červený sa nachádza zvnútra. Vznik hlavnej dúhy sa vysvetľuje dvojitým lomom (pozri aj OPTIKA) a jednoduchým vnútorným odrazom slnečných lúčov (pozri obr. 5). Vniknutím do kvapky vody (A) sa lúč svetla láme a rozkladá, ako keby prechádzal hranolom. Potom dosiahne protiľahlý povrch kvapky (B), odrazí sa od nej a kvapku opustí vonku (C). V tomto prípade sa svetelný lúč druhýkrát láme, kým sa dostane k pozorovateľovi. Počiatočný biely lúč sa rozloží na lúče rôznych farieb s uhlom divergencie 2°. Pri vzniku sekundárnej dúhy dochádza k dvojitému lomu a dvojitému odrazu slnečných lúčov (pozri obr. 6). V tomto prípade sa svetlo láme, preniká do kvapky cez jej spodnú časť (A) a odráža sa od nej vnútorný povrch kvapká najskôr v bode B, potom v bode C. V bode D sa svetlo láme a kvapka odchádza smerom k pozorovateľovi.
Pri východe a západe slnka pozorovateľ vidí dúhu vo forme oblúka rovnajúceho sa polovici kruhu, pretože os dúhy je rovnobežná s horizontom. Ak je Slnko vyššie nad obzorom, oblúk dúhy je menší ako polovica obvodu. Keď Slnko vystúpi nad 42° nad obzor, dúha zmizne. Všade, okrem vysokých zemepisných šírok, sa dúha nemôže objaviť na poludnie, keď je Slnko príliš vysoko. Je zaujímavé odhadnúť vzdialenosť k dúhe. Hoci sa viacfarebný oblúk zdá byť umiestnený v rovnakej rovine, je to ilúzia. V skutočnosti má dúha obrovskú hĺbku a možno si ju predstaviť ako povrch dutého kužeľa, na vrchole ktorého sa nachádza pozorovateľ. Os kužeľa spája Slnko, pozorovateľa a stred dúhy. Pozorovateľ vyzerá akoby pozdĺž povrchu tohto kužeľa. Žiadni dvaja ľudia nikdy nemôžu vidieť presne tú istú dúhu. Samozrejme, môžete pozorovať v podstate rovnaký efekt, ale dve dúhy zaujímajú rôzne polohy a sú tvorené rôznymi kvapôčkami vody. Keď dážď alebo spŕška vytvorí dúhu, úplný optický efekt sa dosiahne kombinovaným účinkom všetkých kvapiek vody prechádzajúcich povrchom dúhového kužeľa s pozorovateľom na vrchole. Úloha každej kvapky je pominuteľná. Povrch dúhového kužeľa pozostáva z niekoľkých vrstiev. Keď ich rýchlo prekročíte a prejdete sériou kritických bodov, každá kvapka okamžite rozloží slnečný lúč na celé spektrum v presne definovanom poradí – od červenej po Fialová. Mnoho kvapiek pretína povrch kužeľa rovnakým spôsobom, takže dúha sa pozorovateľovi javí ako súvislá pozdĺž aj naprieč jeho oblúka. Halo sú biele alebo dúhové svetelné oblúky a kruhy okolo disku Slnka alebo Mesiaca. Vznikajú v dôsledku lomu alebo odrazu svetla ľadovými alebo snehovými kryštálmi v atmosfére. Kryštály, ktoré tvoria halo, sa nachádzajú na povrchu imaginárneho kužeľa s osou smerujúcou od pozorovateľa (z vrcholu kužeľa) k Slnku. Za určitých podmienok môže byť atmosféra nasýtená malými kryštálmi, ktorých mnohé tváre zvierajú pravý uhol s rovinou prechádzajúcou Slnkom, pozorovateľom a týmito kryštálmi. Takéto tváre odrážajú prichádzajúce svetelné lúče s odchýlkou 22° a vytvárajú halo, ktoré je zvnútra červenkasté, ale môže pozostávať aj zo všetkých farieb spektra. Menej časté je halo s uhlovým polomerom 46°, umiestnené sústredne okolo 22° halo. Jeho vnútorná strana má tiež červenkastý odtieň. Dôvodom je aj lom svetla, ktorý sa v tomto prípade vyskytuje na hranách kryštálov zvierajúcich pravé uhly. Šírka prstenca takéhoto halo presahuje 2,5°. 46-stupňové aj 22-stupňové halo majú tendenciu byť najjasnejšie v hornej a dolnej časti prstenca. Zriedkavé 90-stupňové halo je slabo svietiaci, takmer bezfarebný prstenec, ktorý má spoločný stred s dvoma ďalšími halo. Ak je farebný, bude mať na vonkajšej strane prsteňa červenú farbu. Mechanizmus výskytu tohto typu halo nie je úplne objasnený (obr. 7).
Parhelia a oblúky. Parhelický kruh (alebo kruh falošných sĺnk) je biely prstenec so stredom v zenitovom bode, ktorý prechádza cez Slnko rovnobežne s horizontom. Dôvodom jeho vzniku je odraz slnečného žiarenia od okrajov povrchov ľadových kryštálikov. Ak sú kryštály dostatočne rovnomerne rozložené vo vzduchu, je viditeľný celý kruh. Parhelia alebo falošné slnká sú jasne svietiace škvrny pripomínajúce Slnko, ktoré sa tvoria v priesečníkoch parhelického kruhu so svätožiarmi s uhlovými polomermi 22°, 46° a 90°. Najčastejšie sa vyskytujúce a najjasnejšie parhélium sa tvorí na priesečníku s 22-stupňovým halo, zvyčajne zafarbené takmer v každej farbe dúhy. Falošné slnká na priesečníkoch so 46- a 90-stupňovými haló sú pozorované oveľa menej často. Parheliá, ktoré sa vyskytujú na priesečníkoch s 90-stupňovými halo, sa nazývajú parantélia alebo falošné protislnká. Niekedy je viditeľné aj antelium (proti slnku) - jasná škvrna umiestnená na prstenci parhelia presne oproti Slnku. Predpokladá sa, že príčinou tohto javu je dvojitý vnútorný odraz slnečného svetla. Odrazený lúč sleduje rovnakú dráhu ako dopadajúci lúč, ale v opačnom smere. Oblúk blízko zenitu, niekedy nesprávne nazývaný horný tangentový oblúk 46-stupňového halo, je oblúk 90° alebo menej so stredom v zenite, ktorý sa nachádza približne 46° nad Slnkom. Je zriedka viditeľná a len na niekoľko minút, má jasné farby, pričom červená farba je obmedzená na vonkajšiu stranu oblúka. Oblúk blízko zenitu je pozoruhodný svojou farbou, jasom a jasnými obrysmi. Ďalším zaujímavým a veľmi zriedkavým optickým efektom typu halo je Lowitzov oblúk. Vznikajú ako pokračovanie parhélia v priesečníku s 22-stupňovým halo, vybiehajú z vonkajšej strany halo a sú mierne konkávne smerom k Slnku. Stĺpce belavého svetla, ako rôzne kríže, sú niekedy viditeľné za úsvitu alebo súmraku, najmä v polárnych oblastiach a môžu sprevádzať Slnko aj Mesiac. Občas sú pozorované lunárne halo a iné efekty podobné tým, ktoré sú opísané vyššie, pričom najbežnejšie mesačné halo (prstenec okolo Mesiaca) má uhlový polomer 22°. Rovnako ako falošné slnká môžu vzniknúť falošné mesiace. Koróny alebo koruny sú malé sústredné farebné prstence okolo Slnka, Mesiaca alebo iných jasných objektov, ktoré sú z času na čas pozorované, keď je zdroj svetla za priesvitnými mrakmi. Polomer koróny je menší ako polomer halo a je cca. 1-5° je modrý alebo fialový prstenec najbližšie k Slnku. Koróna nastane, keď sa svetlo rozptýli malými kvapôčkami vody a vytvorí sa oblak. Niekedy sa koróna javí ako svetelná škvrna (alebo halo) obklopujúca Slnko (alebo Mesiac), ktorá končí červenkastým prstencom. V iných prípadoch sú mimo halo viditeľné aspoň dva sústredné krúžky väčšieho priemeru, veľmi slabo sfarbené. Tento jav sprevádzajú dúhové mraky. Niekedy majú okraje veľmi vysokých oblakov jasné farby.
Gloria (svätožiara). Za zvláštnych podmienok dochádza k neobvyklým atmosférickým javom. Ak je Slnko za pozorovateľom a jeho tieň sa premieta na blízke oblaky alebo clonu hmly, pri určitom stave atmosféry okolo tieňa hlavy človeka môžete vidieť farebný svetelný kruh - halo. Typicky sa takéto halo vytvára odrazom svetla z kvapiek rosy na trávnatom trávniku. Glórie sa tiež pomerne často nachádzajú okolo tieňa vrhaného lietadlom na oblaky pod nimi.
Ghosts of Brocken. V niektorých oblastiach zemegule, keď tieň pozorovateľa nachádzajúceho sa na kopci pri východe alebo západe slnka za ním dopadne na oblaky nachádzajúce sa v krátkej vzdialenosti, odhalí sa pozoruhodný efekt: tieň nadobudne kolosálne rozmery. K tomu dochádza v dôsledku odrazu a lomu svetla malými kvapôčkami vody v hmle. Opísaný jav sa nazýva „Ghost of Brocken“ podľa vrcholu v pohorí Harz v Nemecku.
Mirages- optický efekt spôsobený lomom svetla pri prechode vrstvami vzduchu rôznej hustoty a vyjadrený vo vzhľade virtuálneho obrazu. V tomto prípade sa vzdialené predmety môžu javiť ako zdvihnuté alebo znížené vzhľadom na ich skutočnú polohu a môžu byť tiež zdeformované a nadobúdať nepravidelné fantastické tvary. Zázraky sú často pozorované v horúcom podnebí, napríklad nad piesočnatými pláňami. Podradné fatamorgány sú bežné, keď sú vzdialené, takmer Jemný povrch Púšť nadobúda vzhľad otvorenej vody, najmä ak sa na ňu pozeráte z malej nadmorskej výšky alebo sa jednoducho nachádza nad vrstvou ohriateho vzduchu. Táto ilúzia sa zvyčajne vyskytuje na vyhriatej asfaltovej ceste, ktorá ďaleko vpredu vyzerá ako vodná plocha. V skutočnosti je tento povrch odrazom oblohy. Pod úrovňou očí sa v tejto „vode“ môžu objaviť predmety, zvyčajne hore nohami. Nad zohriatym zemským povrchom sa vytvára „koláč vzduchovej vrstvy“, pričom vrstva najbližšie k zemi je najhorúcejšia a taká riedka, že svetelné vlny, ktoré cez ňu prechádzajú, sú skreslené, pretože rýchlosť ich šírenia sa mení v závislosti od hustoty prostredia. . Horné fatamorgány sú menej bežné a malebnejšie ako spodné. Vzdialené objekty (často sa nachádzajú za morským horizontom) sa na oblohe objavujú prevrátené a niekedy sa hore objaví aj vzpriamený obraz toho istého objektu. Tento jav je typický v chladných oblastiach, najmä pri výraznej teplotnej inverzii, keď je nad chladnejšou vrstvou teplejšia vrstva vzduchu. Tento optický efekt sa prejavuje ako výsledok zložitých vzorov šírenia čela svetelných vĺn vo vrstvách vzduchu s nehomogénnou hustotou. Najmä v polárnych oblastiach sa z času na čas vyskytujú veľmi nezvyčajné fatamorgány. Keď sa fatamorgány vyskytnú na súši, stromy a iné zložky krajiny sú hore nohami. Vo všetkých prípadoch sú objekty viditeľné jasnejšie v horných fatamorgánach ako v dolných. Keď je hranica dvoch vzdušných hmôt vertikálna rovina, niekedy sa pozorujú bočné fatamorgány.
Oheň svätého Elma. Niektoré optické javy v atmosfére (napríklad žiara a najbežnejší meteorologický jav – blesky) majú elektrický charakter. Oveľa menej bežné sú svetlá sv. Elma - svietiace bledomodré alebo fialové kefy s dĺžkou od 30 cm do 1 m alebo viac, zvyčajne na vrcholoch stožiarov alebo na koncoch nádvorí lodí na mori. Niekedy sa zdá, že celá takeláž lode je pokrytá fosforom a žiari. St. Elmo's Fire sa niekedy objavuje na vrcholkoch hôr, ako aj na vežiach a ostré rohy vysoké budovy. Tento jav predstavuje kefové elektrické výboje na koncoch elektrických vodičov, keď sa intenzita elektrického poľa v atmosfére okolo nich výrazne zvyšuje. Will-o'-the-wisps sú slabo modrastá alebo zelenkavá žiara, ktorá sa niekedy pozoruje v močiaroch, cintorínoch a kryptách. Často vyzerajú ako plameň sviečky zdvihnutý asi 30 cm nad zemou, ticho horí, nevydáva žiadne teplo a chvíľu sa vznáša nad predmetom. Svetlo sa zdá byť úplne nepolapiteľné a keď sa pozorovateľ priblíži, zdá sa, že sa presunie na iné miesto. Dôvodom tohto javu je rozklad organických zvyškov a samovznietenie močiarneho plynu metánu (CH4) alebo fosfínu (PH3). Will-o'-the-wisps majú rôzne tvary, niekedy až guľovité. Zelený lúč - záblesk smaragdovo zeleného slnečného svetla v momente, keď posledný lúč Slnka zmizne za obzorom. Červená zložka slnečného svetla zmizne ako prvá, všetky ostatné nasledujú v poradí a posledná zostáva smaragdovo zelená. K tomuto javu dochádza len vtedy, keď nad horizontom zostane len samotný okraj slnečného disku, inak dochádza k miešaniu farieb. Súmračné lúče sú rozbiehajúce sa lúče slnečného svetla, ktoré sa stávajú viditeľnými vďaka osvetleniu prachu vo vysokých vrstvách atmosféry. Tiene oblakov tvoria tmavé pruhy a medzi nimi sa šíria lúče. Tento efekt nastáva, keď je Slnko nízko nad obzorom pred úsvitom alebo po západe slnka.
Zemská atmosféra je plynný obal planéty. Dolná hranica atmosféry prechádza blízko zemského povrchu (hydrosféra a zemská kôra) a horná hranica je oblasť v kontakte s kozmickým priestorom (122 km). Atmosféra obsahuje veľa rôznych prvkov. Hlavné sú: 78% dusík, 20% kyslík, 1% argón, oxid uhličitý, neónové gálium, vodík atď. Zaujímavosti Môžete si ho pozrieť na konci článku alebo kliknutím na.
Atmosféra má jasne definované vrstvy vzduchu. Vrstvy vzduchu sa od seba líšia teplotou, rozdielom plynov a ich hustotou a. Treba si uvedomiť, že vrstvy stratosféry a troposféry chránia Zem pred slnečným žiarením. Vo vyšších vrstvách môže živý organizmus dostať smrteľnú dávku ultrafialového slnečného spektra. Ak chcete rýchlo prejsť na požadovanú vrstvu atmosféry, kliknite na príslušnú vrstvu:
Troposféra a tropopauza
Troposféra - teplota, tlak, nadmorská výška
Horná hranica je približne 8 - 10 km. V miernych zemepisných šírkach je to 16 - 18 km a v polárnych šírkach 10 - 12 km. Troposféra- Toto je spodná hlavná vrstva atmosféry. Táto vrstva obsahuje viac ako 80 % celkovej hmotnosti atmosférického vzduchu a takmer 90 % všetkej vodnej pary. Práve v troposfére vzniká konvekcia a turbulencia, vznikajú a vznikajú cyklóny. Teplota klesá s rastúcou nadmorskou výškou. Gradient: 0,65°/100 m Ohriata zem a voda ohrievajú okolitý vzduch. Ohriaty vzduch stúpa, ochladzuje sa a vytvára oblaky. Teplota v horných okrajoch vrstvy môže dosiahnuť – 50/70 °C.
Práve v tejto vrstve dochádza k zmenám klimatických poveternostných podmienok. Dolná hranica troposféry je tzv prízemie, keďže má veľa prchavých mikroorganizmov a prachu. Rýchlosť vetra sa zvyšuje s rastúcou výškou v tejto vrstve.
Tropopauza
Ide o prechodnú vrstvu troposféry do stratosféry. Tu sa závislosť poklesu teploty s rastúcou nadmorskou výškou zastaví. Tropopauza je minimálna výška, kde vertikálny teplotný gradient klesne na 0,2°C/100 m Výška tropopauzy závisí od silných klimatických javov ako sú cyklóny. Výška tropopauzy klesá nad cyklónmi a zvyšuje sa nad anticyklónmi.
Stratosféra a stratopauza
Výška vrstvy stratosféry je približne 11 až 50 km. K miernej zmene teploty dochádza vo výške 11 - 25 km. V nadmorskej výške 25 - 40 km sa pozoruje inverzia teploty, z 56,5 stúpne na 0,8°C. Od 40 km do 55 km sa teplota drží na 0°C. Táto oblasť sa nazýva - Stratopauza.
V stratosfére sa pozoruje vplyv slnečného žiarenia na molekuly plynu, ktoré disociujú na atómy. V tejto vrstve nie je takmer žiadna vodná para. Moderné nadzvukové komerčné lietadlá lietajú vďaka stabilným letovým podmienkam vo výškach až 20 km. Výškové meteorologické balóny stúpajú do výšky 40 km. Sú tu stabilné vzdušné prúdy, ich rýchlosť dosahuje 300 km/h. Tiež koncentrované v tejto vrstve ozón, vrstva, ktorá pohlcuje ultrafialové lúče.
Mezosféra a mezopauza - zloženie, reakcie, teplota
Vrstva mezosféry začína približne vo výške 50 km a končí vo výške 80 - 90 km. Teploty klesajú so stúpajúcou nadmorskou výškou približne o 0,25-0,3°C/100 m. Hlavným energetickým efektom je tu sálavá výmena tepla. Komplexné fotochemické procesy zahŕňajúce voľné radikály (má 1 alebo 2 nepárové elektróny), pretože implementujú žiara atmosféru.
Takmer všetky meteory zhoria v mezosfére. Vedci pomenovali túto zónu - Ignorosféra. Túto zónu je ťažké preskúmať, pretože aerodynamické letectvo je tu veľmi zlé kvôli hustote vzduchu, ktorá je 1000-krát menšia ako na Zemi. A pre vypúšťanie umelých satelitov je hustota stále veľmi vysoká. Výskum sa vykonáva pomocou meteorologických rakiet, ale to je zvrátenosť. Mezopauza prechodová vrstva medzi mezosférou a termosférou. Má teplotu najmenej -90°C.
Línia Karman
Vrecková linka nazývaná hranica medzi zemskou atmosférou a vesmírom. Podľa Medzinárodnej leteckej federácie (FAI) je výška tejto hranice 100 km. Táto definícia bola daná na počesť amerického vedca Theodora Von Karmana. Zistil, že približne v tejto výške je hustota atmosféry taká nízka, že aerodynamické letectvo tu nie je možné, pretože rýchlosť lietadla musí byť vyššia. úniková rýchlosť. V takej výške stráca pojem zvuková bariéra zmysel. Tu na spravovanie lietadla je možné len vďaka reaktívnym silám.
Termosféra a termopauza
Horná hranica tejto vrstvy je približne 800 km. Teplota stúpa približne do nadmorskej výšky 300 km, kde dosahuje asi 1500 K. Nad teplotou zostáva nezmenená. V tejto vrstve sa vyskytuje Polárne svetlá- Vzniká v dôsledku pôsobenia slnečného žiarenia na vzduch. Tento proces sa nazýva aj ionizácia vzdušného kyslíka.
Kvôli nízkej riedkosti vzduchu sú lety nad líniou Karman možné len po balistických trajektóriách. Všetky obežné lety s ľudskou posádkou (okrem letov na Mesiac) prebiehajú v tejto vrstve atmosféry.
Exosféra - hustota, teplota, výška
Výška exosféry je nad 700 km. Tu je plyn veľmi riedky a proces prebieha rozptyl— únik častíc do medziplanetárneho priestoru. Rýchlosť takýchto častíc môže dosiahnuť 11,2 km/s. Zvýšenie slnečnej aktivity vedie k rozšíreniu hrúbky tejto vrstvy.
- Plynový plášť neletí do vesmíru kvôli gravitácii. Vzduch sa skladá z častíc, ktoré majú svoju vlastnú hmotnosť. Z gravitačného zákona môžeme usúdiť, že každý objekt s hmotnosťou je priťahovaný k Zemi.
- Buys-Ballotov zákon hovorí, že ak ste na severnej pologuli a stojíte chrbtom k vetru, potom bude oblasť vysokého tlaku vpravo a nízky tlak vľavo. Na južnej pologuli bude všetko naopak.
Priestor je naplnený energiou. Energia vypĺňa priestor nerovnomerne.
Existujú miesta jeho koncentrácie a vypúšťania. Takto môžete odhadnúť hustotu.
Planéta je usporiadaný systém s maximálnou hustotou hmoty v strede a postupným poklesom koncentrácie smerom k periférii. Interakčné sily určujú stav hmoty, formu, v ktorej existuje. Fyzika popisuje súhrnný stav látok: tuhá látka, kvapalina, plyn atď.
Atmosféra je plynné prostredie obklopujúce planétu.
Atmosféra Zeme umožňuje voľný pohyb a prepúšťa svetlo, čím vytvára priestor, v ktorom sa darí životu.
Oblasť od povrchu zeme do nadmorskej výšky približne 16 kilometrov (od rovníka k pólom je hodnota menšia, závisí aj od ročného obdobia) sa nazýva troposféra. Troposféra je vrstva, v ktorej je sústredených asi 80 % všetkého atmosférického vzduchu a takmer všetka vodná para. Tu prebiehajú procesy, ktoré formujú počasie. Tlak a teplota klesajú s nadmorskou výškou. Dôvodom poklesu teploty vzduchu je adiabatický proces počas expanzie, plyn sa ochladzuje.
Vrstva atmosféry, siahajúca od výšky 85 km do vzdialenosti 600 km od Zeme, sa nazýva termosféra.
Termosféra je prvá, ktorá sa stretáva so slnečným žiarením, vrátane takzvaného vákuového ultrafialového žiarenia.
Vákuové UV je zadržiavané vzduchom, čím sa táto vrstva atmosféry zahrieva na obrovské teploty.
Keďže je tu však extrémne nízky tlak, tento zdanlivo horúci plyn nemá na objekty taký účinok ako v podmienkach na povrchu zeme. Naopak predmety umiestnené v takomto prostredí vychladnú.
Vo výške 100 km prechádza konvenčná čiara „Karmanova čiara“, ktorá sa považuje za začiatok vesmíru.
Polárne žiary sa vyskytujú v termosfére. V tejto vrstve atmosféry slnečný vietor interaguje s magnetickým poľom planéty.
Poslednou vrstvou atmosféry je exosféra, vonkajší obal, ktorý siaha tisíce kilometrov.
Exosféra je prakticky prázdne miesto, avšak počet atómov, ktoré sa tu potulujú, je rádovo väčší ako v medziplanetárnom priestore.
Muž dýcha vzduch. Normálny tlak je 760 milimetrov ortuti. Vo výške 10 000 m je tlak asi 200 mm. rt. čl. V takej výške sa asi človek dokáže aspoň krátkodobo nadýchnuť, ale to si vyžaduje prípravu.Štát bude jednoznačne nefunkčný.
Plynné zloženie atmosféry: 78 % dusíka, 21 % kyslíka, asi percento argónu, zvyšok tvorí zmes plynov, ktorá predstavuje najmenšiu časť z celkového množstva.
Dusík v atmosfére je obsiahnutý v oveľa vyššej koncentrácii (78 %) ako ostatné plyny. Asi pred tromi miliónmi rokov sa v dôsledku objavenia sa zelených rastlín, a teda aj fotosyntézy, začal do atmosféry uvoľňovať kyslík vo veľkých množstvách. Keď sa amoniakovo-vodíková atmosféra okysličila molekulárnym kyslíkom, objavilo sa obrovské množstvo dusíka. V súčasnosti sa tento plyn uvoľňuje do atmosféry počas života mikroorganizmov, pretože tento chemický prvok je neoddeliteľnou súčasťou bielkovín rastlinného a živočíšneho pôvodu. Atmosférický vzduch sa obohacuje o dusík počas denitrifikácie dusičnanov a niektorých zlúčenín obsahujúcich dusík. V horných vrstvách atmosféry prechádza dusík oxidáciou ozónom na oxid dusnatý. Voľný dusík vstupuje do chemických reakcií iba za špeciálnych podmienok, napríklad pri výboji blesku. Dusík sa podieľa na prirodzenom kolobehu látok a na regulácii koncentrácie molekulárneho kyslíka v atmosfére, čím zabraňuje jeho nadmernému hromadeniu.
Kyslík je po dusíku na druhom mieste v percentuálnom vyjadrení objemového obsahu v atmosférickom vzduchu (20,85 %). Dramatické zmeny v zložení atmosféry nastali po objavení sa živých organizmov na Zemi, najmä rastlín, ktoré v dôsledku fotosyntézy obohacujú vzduch kyslíkom a absorbujú oxid uhličitý. V počiatočných štádiách vývoja zemskej atmosféry sa uvoľnený kyslík vynakladal na oxidáciu amoniaku, uhľovodíkov a železa. Keď sa toto obdobie skončilo, obsah kyslíka vo vzduchu sa postupne zvyšoval. Atmosféra starovekej planéty začala nadobúdať charakterové rysy moderné. Získanie oxidačných vlastností atmosférou určilo vzhľad zmien v litosfére a biosfére. Kyslík obsiahnutý v atmosfére je nevyhnutný pre priebeh takých dôležitých procesov pre živé organizmy, ako je dýchanie, rozklad a spaľovanie. Bez tohto chemického prvku je teda život nemožný. V súčasnosti sa takmer všetok voľný kyslík dostáva do atmosféry vďaka fotosyntéze v rastlinných bunkách.
Dôležitou zložkou vzduchu je oxid uhličitý, ktorý je v atmosfére obsiahnutý v malom množstve (0,03 %). Jeho koncentrácia závisí od aktivity sopiek, chemických procesov v zemských obaloch (minerálne pramene, pôdy, produkty rozpadu). Z priemyselných podnikov sa do atmosféry uvoľňuje aj veľké množstvo oxidu uhličitého. Väčšina tejto zlúčeniny sa však dostáva do atmosféry v dôsledku biosyntézy a rozkladu organickej hmoty v biosfére našej planéty. Oxid uhličitý sa považuje za ohrievač Zeme, pretože dobre prenáša slnečné žiarenie na povrch planéty a zadržiava teplo, ktoré z neho vyžaruje.
Obsah ostatných plynov v atmosfére je zanedbateľný. Inertné plyny, ako neón, argón, xenón, sa dostávajú do atmosféry v dôsledku sopečných erupcií a rozpadu niektorých rádioaktívnych prvkov. Vedci sa domnievajú, že zemská atmosféra obsahuje také malé množstvo vzácnych plynov v dôsledku ich neustáleho rozptylu vo vesmíre.
Pary a častice
Atmosférický vzduch obsahuje okrem plynov vodnú paru a pevné častice vo forme aerosólu. Koncentrácia vodnej pary vo vzduchu sa zvyšuje v dôsledku vyparovania vody z povrchu Zeme. Jeho obsah sa v rôznych oblastiach líši a môže sa meniť aj v priebehu roka. Z vodnej pary vznikajú zrážky a oblaky. Je to vďaka obsahu vodnej pary, že atmosféra zadržiava asi 60 % tepla zo zemského povrchu.
Častice v atmosférickom vzduchu sú prach kozmického a vulkanického pôvodu, kryštály soli, dym, mikroorganizmy, peľ rastlinných organizmov atď. Suspendované častice znižujú slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch a tiež urýchľujú kondenzáciu vodnej pary a tvorbu oblakov.
Súvisiace materiály:
Presná veľkosť atmosféry nie je známa, pretože jej horná hranica nie je jasne viditeľná. Štruktúra atmosféry však bola dostatočne preštudovaná na to, aby si každý mohol urobiť predstavu o tom, ako je štruktúrovaný plynný obal našej planéty.
Vedci, ktorí študujú fyziku atmosféry, ju definujú ako oblasť okolo Zeme, ktorá rotuje s planétou. FAI uvádza nasledovné definícia:
- Hranica medzi priestorom a atmosférou prebieha pozdĺž línie Karman. Táto čiara je podľa definície tej istej organizácie nadmorská výška nachádzajúca sa v nadmorskej výške 100 km.
Všetko nad touto čiarou je vesmír. Atmosféra sa postupne presúva do medziplanetárneho priestoru, preto existujú rôzne predstavy o jej veľkosti.
So spodnou hranicou atmosféry je všetko oveľa jednoduchšie - prechádza po povrchu zemská kôra a vodný povrch Zeme – hydrosféra. V tomto prípade by sa dalo povedať, že hranica splýva so zemou a vodnými plochami, keďže častice tam sú aj rozpustené častice vzduchu.
Aké vrstvy atmosféry sú zahrnuté do veľkosti Zeme?
Zaujímavosť: v zime je nižšia, v lete vyššia.
Práve v tejto vrstve vznikajú turbulencie, anticyklóny a cyklóny a vznikajú oblaky. Práve táto sféra je zodpovedná za tvorbu počasia, nachádza sa v nej približne 80 % všetkých vzdušných hmôt.
Tropauza je vrstva, v ktorej teplota s výškou neklesá. Nad tropopauzou, v nadmorskej výške nad 11 a do 50 km sa nachádza. V stratosfére sa nachádza vrstva ozónu, o ktorej je známe, že chráni planétu pred ultrafialovým žiarením. Vzduch v tejto vrstve je riedky, čo vysvetľuje charakteristický fialový odtieň oblohy. Rýchlosť prúdenia vzduchu tu môže dosiahnuť 300 km/h. Medzi stratosférou a mezosférou je stratopauza – hraničná sféra, v ktorej nastáva teplotné maximum.
Ďalšia vrstva je . Rozprestiera sa do výšok 85-90 kilometrov. Farba oblohy v mezosfére je čierna, takže hviezdy možno pozorovať aj ráno a popoludní. Prebiehajú tam najzložitejšie fotochemické procesy, pri ktorých dochádza k atmosférickej žiare.
Medzi mezosférou a ďalšou vrstvou je mezopauza. Je definovaná ako prechodná vrstva, v ktorej je pozorované teplotné minimum. Vyššie, vo výške 100 kilometrov nad morom, je línia Karman. Nad touto čiarou sa nachádza termosféra (hraničná nadmorská výška 800 km) a exosféra, ktorá sa tiež nazýva „disperzná zóna“. Vo výške približne 2-3 tisíc kilometrov prechádza do blízkovesmírneho vákua.
Vzhľadom na to, že horná vrstva atmosféry nie je jasne viditeľná, jej presnú veľkosť nie je možné vypočítať. Okrem toho v rozdielne krajiny Existujú organizácie, ktoré majú na túto tému rôzne názory. Treba poznamenať, že Karmanova línia možno považovať za hranicu zemskej atmosféry iba podmienečne, pretože rôzne zdroje používajú rôzne hraničné značky. V niektorých zdrojoch teda nájdete informácie, že horná hranica prechádza v nadmorskej výške 2500-3000 km.
NASA používa na výpočty značku 122 kilometrov. Nie je to tak dávno, čo sa uskutočnili experimenty, ktoré objasnili hranicu, ktorá sa nachádza vo výške približne 118 km.