Атмосфера (от древнегреческого ἀτμός ( atmós ) «пар, пар» и σφαῖρα ( sphaîra ) «сфера») [1] представляет собой слой газа или слоев газов, которые окутывают планету и удерживаются на месте под действием силы тяжести . планетарного тела. Планета сохраняет атмосферу, когда гравитация велика, а температура атмосферы низкая. Звездная атмосфера — это внешняя область звезды, включающая слои над непрозрачной фотосферой ; Звезды с низкой температурой могут иметь внешнюю атмосферу, содержащую сложные молекулы .
Атмосфера Земли состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), аргона (0,9 %), углекислого газа (0,04 %) и примесей газов. [2] Большинство организмов используют кислород для дыхания ; молния и бактерии осуществляют фиксацию азота , в результате чего образуется аммиак , используемый для производства нуклеотидов и аминокислот ; растения , водоросли и цианобактерии используют углекислый газ для фотосинтеза . Слоистый состав атмосферы сводит к минимуму вредное воздействие солнечного света , ультрафиолетового излучения, солнечного ветра и космических лучей и тем самым защищает организмы от генетических повреждений. Современный состав атмосферы Земли является продуктом миллиардов лет биохимической модификации палеоатмосферы живыми организмами. [3]
Состав газов в атмосфере может влиять на цвет и непрозрачность неба планеты. [4] [5]
Начальный газовый состав атмосферы определяется химией и температурой местной солнечной туманности , из которой образовалась планета , и последующим выходом некоторых газов из недр самой атмосферы. Первоначальная атмосфера планет возникла из вращающегося газового диска, который сжался сам на себя, а затем разделился на ряд разнесенных колец из газа и материи, которые позже конденсировались, образуя планеты Солнечной системы . Атмосферы планет Венера и Марс состоят в основном из углекислого газа и азота , аргона и кислорода . [6]
Состав атмосферы Земли определяется побочными продуктами жизни, которую она поддерживает. Сухой воздух (смесь газов) атмосферы Земли содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа, а также следы водорода, гелия и других «благородных» газов (по объему), но в целом переменную величину. также присутствует количество водяного пара, в среднем около 1% на уровне моря. [7]
Низкие температуры и более высокая гравитация планет-гигантов Солнечной системы — Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна — позволяют им легче удерживать газы с низкими молекулярными массами . Эти планеты имеют водородно-гелиевую атмосферу со следами более сложных соединений.
Два спутника внешних планет обладают значительной атмосферой. Титан , спутник Сатурна, и Тритон , спутник Нептуна, имеют атмосферу в основном из азота . В той части своей орбиты, которая ближе всего к Солнцу, Плутон имеет атмосферу из азота и метана, похожую на атмосферу Тритона, но эти газы замерзают, когда Плутон находится дальше от Солнца.
Другие тела Солнечной системы имеют очень тонкую атмосферу и не находятся в равновесии. К ним относятся Луна ( газ натрий ), Меркурий (газ натрий), Европа (кислород), Ио ( сера ) и Энцелад ( водяной пар ).
Первой экзопланетой, состав атмосферы которой был определен, является HD 209458b , газовый гигант с близкой орбитой вокруг звезды в созвездии Пегаса . Его атмосфера раскалена до температуры более 1000 К и постепенно уходит в космос. В раздутой атмосфере планеты обнаружены водород, кислород, углерод и сера. [8]
Атмосфера Земли состоит из слоев с различными свойствами, такими как специфический газовый состав, температура и давление.
Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Оно простирается от поверхности планеты до нижней части стратосферы . Тропосфера содержит 75–80 % массы атмосферы [9] и является атмосферным слоем, в котором возникает 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 до 35 км . Именно атмосферный слой поглощает большую часть ультрафиолетового излучения , которое Земля получает от Солнца.
Мезосфера имеет размеры от 50 до 85 км и представляет собой слой, в котором большинство метеоров сгорает, прежде чем достичь поверхности .
Термосфера простирается от высоты 85 км до основания экзосферы на высоте 690 км и содержит ионосферу , где солнечное излучение ионизирует атмосферу. Плотность ионосферы выше на небольших расстояниях от поверхности планеты в дневное время и уменьшается по мере подъема ионосферы в ночное время, что позволяет более широкому диапазону радиочастот преодолевать большие расстояния.
Экзосфера начинается на высоте от 690 до 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 модели атмосферы атмосферное давление , вес массы газа, уменьшается на большой высоте из-за уменьшения массы газа над точкой барометрического измерения. Единицы давления воздуха основаны на стандартной атмосфере (атм), которая составляет 101 325 Па (что эквивалентно 760 Торр или 14,696 фунтов на квадратный дюйм ). Высота, на которой атмосферное давление падает в е раз ( иррациональное число, равное 2,71828), называется масштабной высотой ( H ). Для атмосферы с однородной температурой высота шкалы пропорциональна температуре атмосферы и обратно пропорциональна произведению средней молекулярной массы сухого воздуха и местного ускорения силы тяжести в точке барометрического измерения.
Поверхностная гравитация значительно различается на разных планетах. Например, большая гравитационная сила планеты-гиганта Юпитера удерживает легкие газы, такие как водород и гелий , которые выходят из объектов с более низкой гравитацией. Во-вторых, расстояние от Солнца определяет энергию, доступную для нагрева атмосферного газа до такой степени, что некоторая часть теплового движения его молекул превышает скорость убегания планеты , что позволяет им вырваться из гравитационного захвата планеты. Таким образом, далекие и холодные Титан , Тритон и Плутон способны сохранять свою атмосферу, несмотря на свою относительно низкую гравитацию.
Поскольку совокупность молекул газа может двигаться в широком диапазоне скоростей, всегда найдутся такие, которые будут достаточно быстрыми, чтобы вызвать медленную утечку газа в космос. Более легкие молекулы движутся быстрее, чем более тяжелые, с той же тепловой кинетической энергией , поэтому газы с низкой молекулярной массой теряются быстрее, чем газы с высокой молекулярной массой. Считается, что Венера и Марс, возможно, потеряли большую часть своей воды, когда после фотодиссоциации на водород и кислород под действием солнечного ультрафиолетового излучения водород улетучился. Магнитное поле Земли помогает предотвратить это, поскольку обычно солнечный ветер значительно усиливает утечку водорода. Однако за последние 3 миллиарда лет Земля, возможно, потеряла газы через магнитные полярные регионы из-за активности полярных сияний, включая чистые 2% атмосферного кислорода. [10] Конечный эффект, принимая во внимание наиболее важные процессы ухода, заключается в том, что собственное магнитное поле не защищает планету от выхода из атмосферы и что для некоторых намагниченностей наличие магнитного поля увеличивает скорость выхода. [11]
Другими механизмами, которые могут вызвать истощение атмосферы, являются распыление, вызванное солнечным ветром , ударная эрозия, выветривание и секвестрация — иногда называемая «замерзанием» — в реголите и полярных шапках .
Атмосфера оказывает драматическое воздействие на поверхность скалистых тел. Объекты, не имеющие атмосферы или имеющие только экзосферу, имеют поверхность, покрытую кратерами . Без атмосферы планета не имеет защиты от метеороидов , и все они сталкиваются с поверхностью в виде метеоритов и создают кратеры.
Большинство метеороидов сгорают как метеоры , прежде чем упасть на поверхность планеты. Когда метеороиды действительно падают, последствия часто стираются под действием ветра. [12]
Ветровая эрозия является важным фактором формирования рельефа скалистых планет с атмосферами 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, в результате чего образуются озера , реки и океаны . Известно, что на поверхности Земли и Титана есть жидкости, а рельеф планеты позволяет предположить, что в прошлом на поверхности Марса была жидкость.
Основная статья: Внеземная атмосфера
Циркуляция атмосферы происходит за счет температурных разностей, когда конвекция становится более эффективным переносчиком тепла, чем тепловое излучение . На планетах, где основным источником тепла является солнечная радиация, избыточное тепло в тропиках переносится в более высокие широты. Когда планета генерирует значительное количество тепла внутри себя, как в случае с Юпитером , конвекция в атмосфере может переносить тепловую энергию из недр с более высокой температурой на поверхность.
С точки зрения планетарного геолога , атмосфера формирует поверхность планеты. Ветер подхватывает пыль и другие частицы, которые при столкновении с местностью размывают рельеф и оставляют отложения ( эоловые процессы). На рельеф также влияют морозы и осадки , которые зависят от состава атмосферы. Изменения климата могут повлиять 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 вариации.
Для биолога или палеонтолога состав атмосферы Земли тесно зависит от появления жизни и ее эволюции .
