Як працює атмосфера Землі
Наскільки широка атмосфера Землі? Ви маєте ідею? До 10 км? 1000 км? Чому атмосферний тиск зменшується з висотою? Що породжує атмосферний тиск? Чому температура падає з висотою? Чому існують райони, де температура підвищується у верхніх шарах атмосфери? Як людина зруйнувала озоновий шар і чому це важливо? Як формується північне/південне полярне сяйво? Ось ряд питань, на які ми відповімо у цій статті.
Атмосфера Землі унікальна в нашій Сонячній системі, враховуючи те, що жодна інша планета не має суміші газів, вологості та тепла, яку ми знаходимо на Землі. Це унікальне поєднання дозволяє існувати життя.
Порівняно з радіусом Землі довжиною близько 6400 км, атмосфера Землі - це лише надзвичайно тонкий шар. .
І що ще цікавіше, понад 99% атмосфери Землі знаходиться в перші 30 км . Саме цей тонкий шар газу забезпечує неймовірний захист від космічного випромінювання.
Обмін енергією, що відбувається між земною поверхнею та атмосферою, а також міжпланетним простором та атмосферою, визначається під назвою погода.
Склад атмосфери
На додаток до газів, які ви можете побачити, згаданих на малюнку вище, атмосфера має ряд змінні компоненти: водяна пара, аерозолі та озоновий шар .
Водяна пара
Водяна пара є джерелом усіх хмар і, отже, опадів. Але вони також мають іншу важливу роль - поглинання тепла, відбитого Землею, а також частини сонячної енергії. Отже, водяна пара має "приховане тепло", яке поглинається або виділяється залежно від умов. Ця енергія породжує, наприклад, бурі.
Динаміки атмосфери Землі достатньо, щоб утримувати незліченні частинки, зважені в повітрі: сольові частинки, що виникають в результаті руху хвиль, дрібні уламки грунту, дим від пожеж, пилок, мікроорганізми, що піднімаються у атмосфері вітру, вулканічний попіл тощо. Всі вони широко відомі як "Аерозоль".
Аерозолі більше присутні в нижчих шарах атмосфери, ближче до земної поверхні. Аерозолі важливі з метеорологічної точки зору, оскільки вони функціонують як поверхні, на яких може конденсуватися водяна пара, що є важливим аспектом з точки зору утворення хмар. З іншого боку, аерозолі можуть поглинати і відбивати сонячне випромінювання.
Озон - це молекула, що складається з 3 атомів кисню. Озон відрізняється від кисню, яким ми дихаємо (молекули складаються з 2 атомів кисню).
Озон має низьку присутність в атмосфері, представляючи 3 з 10 мільйонів молекул. Він переважно присутній у стратосфері, шарі атмосфери, що простягається на 10-50 км від поверхні Землі.
Озон утворюється з поєднання молекул кисню (що складається з 2 атомів) та атомів кисню, що виник в результаті розбиття молекули кисню (O2) під дією ультрафіолетового випромінювання, випромінюваного Сонцем. Озон, у свою чергу, поглинає частину шкідливого сонячного ультрафіолетового випромінювання. Людина, не знаючи спочатку, розріджує озоновий шар, виділяючи в атмосферу хлорфторуглероди (ХФУ), що використовуються переважно як охолоджуючий розчин у кондиціонерах та холодильному обладнанні. Ці речовини, які тим часом були заборонені (Монреальський протокол, 1987), мають потенціал руйнування молекул озону, тим самим розріджуючи озоновий шар.
Де атмосфера Землі починається і закінчується?
Важко сказати. Не існує чіткої межі, яка б обмежувала атмосферу з космічного простору; атмосфера стає дедалі рідше, аж до того місця, коли між нею та міжпланетним простором не може бути різниці.
Ми знаємо, що атмосфера стає дедалі рідше, коли ми віддаляємось від земної поверхні. Половина маси атмосфери знаходиться на відстані до 5,6 км від земної поверхні. Близько 90% атмосфери простягається на висоту лише 16 км!
На більш ніж 100 км лише 0,00003% усіх газів, що складають атмосферу. Насправді на 100 км над землею атмосфера настільки розріджена, що щільність повітря нижча, ніж у найдосконалішому вакуумі, який ми можемо створити в лабораторії! На 600 км відстань між 2 атомами/частинками, враховуючи середній розподіл, становить близько 10 км.
Зміна тиску в атмосфері Землі
Атмосферний тиск - це просто вага атмосферного повітря в контексті гравітації Землі. Звичайно, через розрідження атмосфери в міру збільшення висоти атмосферний тиск зменшується з висотою.
Зміни температури в атмосфері Землі
Чому повітря холодніше, чим більша висота? По мірі наближення до Сонця не повинно бути тепліше.?
Як відомо, тепле повітря піднімається вгору. У кімнаті, в літній місяць, буде невелика різниця між нижнім та верхнім повітрям. Тому вентилятор, встановлений на стелі, корисний для видалення гарячого повітря з приміщення. Але чому тоді так холодно на вершині гори?
Ми можемо уявити Землю як великий радіатор; чим далі ви від нього йдете, тим холодніше воно відчувається.
Але чим обігрівається «радіатор»? Сонячне світло. Вчені називають це світло "випромінюванням". Цей потік фотонів нагріває поверхню Землі та забезпечує умови, необхідні для життя на Землі.
Сонячне світло
Сонячне випромінювання рухається через космос на Землю і проходить через атмосферу. Але атмосфера не дуже добре утримує тепло від Сонця. Це тому, що, як я вже говорив вище, повітря на більших висотах має меншу щільність, оскільки частинки газу розширюються і втрачають енергію.
Нарешті, сонячна радіація вражає земну поверхню, і вона поглинає тепло. Ліси та океани особливо добре поглинають сонячне тепло. Інші ділянки земної поверхні, наприклад, покриті снігом, частіше відображають випромінювання.
Чим далі ви відходите від рівня моря, тим далі ви віддаляєтесь від «радіатора», який тримає нас у звиці до звичних нам температур. На вершині гір може бути настільки холодно, що людина може померти за кілька хвилин, якщо у неї немає необхідних захисних засобів.
Повітря на великій висоті не має здатності «утримувати» випромінювання Сонця, яке проходить через верхні шари атмосфери, не нагріваючи його.
У космосі багато сонячної радіації, і космонавти носять спеціальні костюми, щоб захиститися від неї. Але в космосі немає повітря, а це означає, що насправді немає чого «підтримувати» тепло Сонця.
Але. сюрприз! Температура не знижується безперервно з висотою!
Те, що я сказав вище, є в принципі правдою. Але це не справедливо для всієї поверхні атмосфери. Французький дослідник Леон Філіп Тейсеренк де Борт використав дані з більш ніж 200 метеорологічних аеростатів, щоб показати, що температура тримається близько 8-12 км.
Але піднімаючись по шарах атмосфери, ми помічаємо зони інверсії температури. Щоб не використовувати занадто багато слів, проаналізуйте зображення нижче з розвитком температури залежно від висоти. Варто згадати, що в районі з найвищою концентрацією озону температура підвищується, враховуючи, що ця зона характеризується високою швидкістю поглинання сонячного ультрафіолетового випромінювання.
Четвертий шар атмосфери, термосфера, містить лише частку маси атмосфери, що надзвичайно розріджується. Але температура в цій області знову підвищується - і може досягати температури до 1000 o C, завдяки поглинанню сонячної радіації високої енергії атомами кисню та азоту. Але ці високі температури не порівнянні з температурами, що відчуваються в земній корі. Температура визначається середньою швидкістю руху молекул; як гази в термосфері рухаються з великою швидкістю - температура висока.
Іоносфера - це шар, якого ви не бачите на малюнку вище, який знаходиться між 80 і 400 км. Цей шар характеризується електричним зарядом; молекули азоту та атоми кисню бомбардуються сонячним випромінюванням високої енергії, атоми в процесі втрачають електрони (і атоми стають «іонами», звідси і назва шару), а електрони вільно подорожують у вигляді електричного струму.
Хоча іонізація відбувається між 1000 і 50 км, найвища щільність позитивно заряджених електронів та іонів становить від 80 до 400 км.
Північне сяйво
Іоносфера - це зона атмосфери, де відбувається одне з найбільш вражаючих явищ: північне сяйво (північна півкуля) та південне сяйво (південна півкуля). Поява полярних сяйв суворо корелює з діяльністю Сонця (сонячного вітру) і, географічно, з магнітними полюсами Землі. Частинки високої енергії, генеровані Сонцем, протони та електрони, захоплюються магнітним полем Землі і спрямовуються на магнітні полюси. Оскільки сонячні вітри співвідносяться з активністю сонячних плям, поява полярних сяйв стає більш численною, коли сонячних плям стає більше.
Джерела: книга Лютгенса Тарбака «Атмосфера»
Чому повітря холодніше, чим вище вгору
Ви можете коментувати використання облікового запису на сайті, FB, Twitter або Google або як відвідувач (без реєстрації). Для відвідувачів коментарі помірні (схвалено адміністратором).