Атмосфера (от древнегреческого ἀτμός ( atmós ) «пар, пар» и σφαῖρα ( sphaîra ) «сфера») [1] — это слой газов , который окутывает астрономический объект и удерживается на месте гравитацией объекта . Планета сохраняет атмосферу, когда гравитация велика, а температура атмосферы низкая . Звездная атмосфера — это внешняя область звезды, которая включает слои над непрозрачной фотосферой ; звезды с низкой температурой могут иметь внешние атмосферы, содержащие сложные молекулы .
Атмосфера Земли состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%), углекислого газа (0,04%) и следовых газов. [2] Большинство организмов используют кислород для дыхания ; молнии и бактерии осуществляют фиксацию азота , которая производит аммиак , который используется для производства нуклеотидов и аминокислот ; растения , водоросли и цианобактерии используют углекислый газ для фотосинтеза . Слоистый состав атмосферы минимизирует вредное воздействие солнечного света , ультрафиолетового излучения, солнечного ветра и космических лучей и, таким образом, защищает организмы от генетических повреждений. Текущий состав атмосферы Земли является продуктом миллиардов лет биохимической модификации палеоатмосферы живыми организмами. [3]
Атмосферы — это облака газа, связанные с астрономической фокальной точкой достаточно доминирующей массы и поглощающие ее , добавляя к ее массе, возможно, вырываясь из нее или коллапсируя в нее. Из-за последнего такие планетарные ядра могут развиваться из межзвездных молекулярных облаков или протопланетных дисков в каменистые астрономические объекты с атмосферами различной толщины, газовые гиганты или фьюзоры .
Состав и толщина изначально определяются химическим составом и температурой звездной туманности, но могут также определяться процессами, происходящими внутри астрономического тела при выделении газов из другой атмосферы.
Атмосферы планет Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа , азота , аргона и кислорода . [4]
Состав атмосферы Земли определяется побочными продуктами жизни, которую она поддерживает. Сухой воздух (смесь газов) из атмосферы Земли содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа и следы водорода, гелия и других «благородных» газов (по объему), но обычно также присутствует переменное количество водяного пара, в среднем около 1% на уровне моря. [5]
Низкие температуры и более высокая гравитация гигантских планет Солнечной системы — Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна — позволяют им легче удерживать газы с низкой молекулярной массой . Эти планеты имеют водородно-гелиевые атмосферы со следовыми количествами более сложных соединений.
Два спутника внешних планет обладают значительными атмосферами. Титан , спутник Сатурна, и Тритон , спутник Нептуна, имеют атмосферы, в основном состоящие из азота . [6] [7] Когда Плутон находится в части своей орбиты, ближайшей к Солнцу, у него есть атмосфера из азота и метана, похожая на атмосферу Тритона, но эти газы замерзают, когда он находится дальше от Солнца.
Другие тела в Солнечной системе имеют чрезвычайно тонкие атмосферы, не находящиеся в равновесии. К ним относятся Луна ( газообразный натрий ), Меркурий (газообразный натрий), Европа (кислород), Ио ( сера ) и Энцелад ( водяной пар ).
Первая экзопланета, состав атмосферы которой был определен, — это HD 209458b , газовый гигант с близкой орбитой вокруг звезды в созвездии Пегаса . Ее атмосфера нагрета до температур более 1000 К и неуклонно улетучивается в космос. В раздутой атмосфере планеты были обнаружены водород, кислород, углерод и сера. [8]
Атмосфера Земли состоит из слоев с различными свойствами, такими как определенный газовый состав, температура и давление.
Тропосфера — самый нижний слой атмосферы. Он простирается от поверхности планеты до нижней части стратосферы . Тропосфера содержит 75–80% массы атмосферы, [9] и является атмосферным слоем, в котором происходит погода; высота тропосферы колеблется от 17 км на экваторе до 7,0 км на полюсах.
Стратосфера простирается от верхней части тропосферы до нижней части мезосферы и содержит озоновый слой на высоте от 15 км до 35 км. Это атмосферный слой, который поглощает большую часть ультрафиолетового излучения , которое Земля получает от Солнца .
Мезосфера имеет толщину от 50 до 85 км и является слоем, в котором большинство метеоров сгорают , прежде чем достигнуть поверхности.
Термосфера простирается от высоты 85 км до основания экзосферы на высоте 690 км и содержит ионосферу , где солнечное излучение ионизирует атмосферу. Плотность ионосферы больше на коротких расстояниях от поверхности планеты в дневное время и уменьшается по мере того, как ионосфера поднимается ночью, тем самым позволяя большему диапазону радиочастот проходить большие расстояния.
Экзосфера начинается на расстоянии 690–1000 км от поверхности и простирается примерно до 10 000 км, где она взаимодействует с магнитосферой Земли .
Атмосферное давление — это сила (на единицу площади), перпендикулярная единице площади поверхности планеты, определяемая весом вертикального столба атмосферных газов. В указанной атмосферной модели атмосферное давление , вес массы газа, уменьшается на большой высоте из-за уменьшения массы газа над точкой барометрического измерения. Единицы измерения давления воздуха основаны на стандартной атмосфере (атм), которая составляет 101 325 Па (эквивалентно 760 Торр или 14,696 фунтов на квадратный дюйм). Высота, на которой атмосферное давление уменьшается в e раз ( иррациональное число, равное 2,71828), называется высотой шкалы ( H ). Для атмосферы с однородной температурой высота шкалы пропорциональна температуре атмосферы и обратно пропорциональна произведению средней молекулярной массы сухого воздуха и локального ускорения силы тяжести в точке барометрического измерения.
Поверхностная гравитация значительно различается среди планет. Например, большая гравитационная сила гигантской планеты Юпитер удерживает легкие газы, такие как водород и гелий , которые вылетают из объектов с меньшей гравитацией. Во-вторых, расстояние от Солнца определяет энергию, доступную для нагрева атмосферного газа до точки, где некоторая доля теплового движения его молекул превышает скорость убегания планеты , позволяя им вырваться из гравитационного захвата планеты. Таким образом, далекие и холодные Титан , Тритон и Плутон способны удерживать свои атмосферы, несмотря на их относительно низкую гравитацию.
Поскольку совокупность молекул газа может двигаться в широком диапазоне скоростей, всегда найдутся достаточно быстрые, чтобы вызвать медленную утечку газа в космос. Более легкие молекулы движутся быстрее, чем более тяжелые, с той же тепловой кинетической энергией , и поэтому газы с низким молекулярным весом теряются быстрее, чем газы с высоким молекулярным весом. Считается, что Венера и Марс могли потерять большую часть своей воды, когда после фотодиссоциации на водород и кислород под действием солнечного ультрафиолетового излучения водород вырвался наружу. Магнитное поле Земли помогает предотвратить это, так как, как правило, солнечный ветер значительно усиливает вырыв водорода. Однако за последние 3 миллиарда лет Земля могла потерять газы через магнитные полярные области из-за полярной активности, включая чистые 2% ее атмосферного кислорода. [10] Чистый эффект, принимая во внимание наиболее важные процессы вырывания, заключается в том, что собственное магнитное поле не защищает планету от вырывания из атмосферы и что для некоторых намагниченностей наличие магнитного поля работает на увеличение скорости вырывания. [11]
Другими механизмами, которые могут вызвать истощение атмосферы, являются распыление, вызванное солнечным ветром , ударная эрозия, выветривание и секвестрация (иногда называемая «замораживанием») в реголите и полярных шапках .
Атмосферы оказывают драматическое воздействие на поверхности скалистых тел. Объекты, не имеющие атмосферы или имеющие только экзосферу, имеют ландшафт, покрытый кратерами . Без атмосферы планета не имеет защиты от метеороидов , и все они сталкиваются с поверхностью как метеориты и создают кратеры.
Для планет со значительной атмосферой большинство метеороидов сгорают как метеоры до того, как ударяются о поверхность планеты. Когда метеороиды все же падают, последствия часто стираются действием ветра. [12]
Ветровая эрозия является существенным фактором в формировании рельефа каменистых планет с атмосферой и со временем может стереть последствия как кратеров, так и вулканов . Кроме того, поскольку жидкости не могут существовать без давления, атмосфера позволяет жидкости присутствовать на поверхности, что приводит к образованию озер , рек и океанов . Известно, что на поверхности Земли и Титана есть жидкости, а рельеф планеты предполагает, что на поверхности Марса в прошлом была жидкость.
Циркуляция атмосферы происходит из-за температурных различий, когда конвекция становится более эффективным переносчиком тепла, чем тепловое излучение . На планетах, где основным источником тепла является солнечное излучение, избыточное тепло в тропиках переносится в более высокие широты. Когда планета генерирует значительное количество тепла внутри, как это происходит в случае Юпитера , конвекция в атмосфере может переносить тепловую энергию из более высокотемпературных недр на поверхность.
С точки зрения планетарного геолога , атмосфера формирует поверхность планеты. Ветер поднимает пыль и другие частицы, которые, сталкиваясь с рельефом, разрушают рельеф и оставляют отложения ( эоловые процессы). Мороз и осадки , зависящие от состава атмосферы, также влияют на рельеф. Изменения климата могут влиять на геологическую историю планеты. И наоборот, изучение поверхности Земли приводит к пониманию атмосферы и климата других планет.
Для метеоролога состав атмосферы Земли является фактором, влияющим на климат и его изменения.
Для биолога или палеонтолога состав атмосферы Земли тесно связан с появлением жизни и ее эволюцией .
