stringtranslate.com

Атмосфера Земли

Синий свет рассеивается больше, чем другие длины волн, газами в атмосфере, окружающими Землю в видимом синем слое в стратосфере , над облаками тропосферы , если смотреть из космоса на борту МКС на высоте 335 км (208 миль). ) ( Луна видна в виде полумесяца на дальнем плане). [1]

Атмосфера Земли состоит из слоя газовой смеси , окружающей поверхность планеты (как суши, так и океанов ), известной под общим названием воздух , с переменным количеством взвешенных аэрозолей и твердых частиц (которые создают такие погодные особенности, как облака и дымка ), все удерживается гравитацией Земли . Атмосфера служит защитным буфером между поверхностью Земли и космическим пространством , защищает поверхность от большинства метеороидов и ультрафиолетового солнечного излучения , сохраняет тепло и уменьшает суточные колебания температуры (экстремальные температуры между днем ​​и ночью ) за счет удержания тепла ( парниковый эффект ), перераспределяет тепло и влагу между различными регионами посредством воздушных потоков и обеспечивает химические и климатические условия, позволяющие жизни существовать и развиваться на Земле.

По мольной доле (т. е. по количеству молекул ) сухой воздух содержит 78,08% азота , 20,95% кислорода , 0,93% аргона , 0,03% углекислого газа и небольшое количество других малых газов . [2] Воздух также содержит различное количество водяного пара : в среднем около 1% на уровне моря и 0,4% во всей атмосфере. Состав воздуха, температура и атмосферное давление меняются в зависимости от высоты . В атмосфере воздух, пригодный для фотосинтеза наземных растений и дыхания наземных животных, находится только в пределах 12 километров (7,5 миль) от земли. [3]

Ранняя атмосфера Земли состояла из сросшихся газов солнечной туманности , но со временем атмосфера значительно изменилась под влиянием многих факторов, таких как вулканизм , ударные явления , выветривание и эволюция жизни (особенно фотоавтотрофов ). В последнее время человеческая деятельность также способствовала атмосферным изменениям , таким как изменение климата (в основном из-за вырубки лесов и глобального потепления , связанного с ископаемым топливом ), истощение озонового слоя и кислотных отложений .

Атмосфера имеет массу около 5,15 × 1018  кг, [4] три четверти из которых находятся в пределах примерно 11 км (6,8 миль; 36 000 футов) от поверхности. Атмосфера становится тоньше с увеличением высоты, без четкой границы между атмосферой и космическим пространством . Линия Кармана длиной100 км (62 мили) или 1,57% радиуса Земли часто используется в качестве границы между атмосферой и космическим пространством. Атмосферные эффекты становятся заметными во время входа космического корабля в атмосферу на высоте около 120 км (75 миль). В атмосфере можно выделить несколько слоев на основе таких характеристик, как температура и состав, а именно тропосфера , стратосфера , мезосфера , термосфера (формально ионосфера ) и экзосфера .

Изучение атмосферы Земли и ее процессов называется атмосферной наукой (аэрологией) и включает в себя несколько подобластей, таких как климатология и физика атмосферы . Первыми пионерами в этой области являются Леон Тейссенк де Борт и Ришар Ассманн . [5] Изучение исторической атмосферы называется палеоклиматологией .

Состав

Состав атмосферы Земли по молекулярному составу, без учета водяного пара. Нижний круг представляет собой примеси газов, которые вместе составляют около 0,0434% атмосферы (0,0442% при концентрациях в августе 2021 года [6] [7] ). Цифры в основном относятся к 2000 году, а CO 2 и метан — к 2019 году и не представляют собой какой-либо отдельный источник. [8]

Тремя основными составляющими атмосферы Земли являются азот , кислород и аргон . Водяной пар составляет примерно 0,25% атмосферы по массе. Концентрация водяного пара (парникового газа) значительно варьируется от примерно 10 частей на миллион по мольной доле в самых холодных частях атмосферы до целых 5% по мольной доле в горячих, влажных воздушных массах, а концентрации других атмосферных газов обычно указаны в пересчете на сухой воздух (без водяного пара). [9] : 8  Остальные газы часто называют микроэлементами, [10] среди которых есть и другие парниковые газы , в основном диоксид углерода, метан, закись азота и озон. Помимо аргона, также присутствуют другие благородные газы : неон , гелий , криптон и ксенон . Отфильтрованный воздух содержит следы многих других химических соединений . Многие вещества природного происхождения могут присутствовать в небольших количествах, изменяющихся локально и сезонно, в виде аэрозолей в нефильтрованной пробе воздуха, включая пыль минерального и органического состава, пыльцу и споры , морские брызги и вулканический пепел . Различные промышленные загрязнители также могут присутствовать в виде газов или аэрозолей, например, хлор (элементарный или в соединениях), соединения фтора и пары элементарной ртути . Соединения серы, такие как сероводород и диоксид серы (SO 2 ), могут быть получены из природных источников или в результате промышленного загрязнения воздуха.

Объемная доля основных составляющих атмосферы Земли в зависимости от высоты на основе модели атмосферы MSIS-E-90; модель работает только выше 85 км

Средняя молекулярная масса сухого воздуха, которую можно использовать для расчета плотности или для преобразования мольной доли в массовую долю, составляет около 28,946 [16] или 28,96 [17] [18]  г/моль. Оно уменьшается, когда воздух влажный.

Относительная концентрация газов остается постоянной примерно до высоты 10 000 м (33 000 футов). [19]

Стратификация

Атмосфера Земли. Нижние четыре слоя атмосферы в трех измерениях, если смотреть по диагонали сверху экзобазы. Слои нарисованы в масштабе, объекты внутри слоев не в масштабе. Полярные сияния, показанные на дне термосферы, могут образовываться на любой высоте внутри этого слоя.

В общем, давление и плотность воздуха уменьшаются с высотой в атмосфере. Однако температура имеет более сложный профиль с высотой и в некоторых регионах может оставаться относительно постоянной или даже увеличиваться с высотой (см. раздел «Температуры»). Поскольку общий характер профиля температуры/высоты, или градиента , является постоянным и измеримым с помощью зондирования с помощью зонда , поведение температуры обеспечивает полезный показатель для различения слоев атмосферы. Таким образом, атмосферу Земли можно разделить (называемую атмосферной стратификацией) на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. [20] Высоты пяти слоев:

Экзосфера

Экзосфера — это самый внешний слой атмосферы Земли (хотя он настолько разрежен, что некоторые ученые считают его частью межпланетного пространства, а не частью атмосферы). Она простирается от термопаузы (также известной как «экзобаза») в верхней части термосферы до плохо определенной границы с солнечным ветром и межпланетной средой . Высота экзобазы варьируется от примерно 500 километров (310 миль; 1 600 000 футов) до примерно 1 000 километров (620 миль) во время более высокой поступающей солнечной радиации. [24]

Верхний предел варьируется в зависимости от определения. Различные авторитетные источники считают, что оно заканчивается примерно на высоте 10 000 километров (6 200 миль) [25] или примерно 190 000 километров (120 000 миль) — примерно на полпути к Луне, где влияние земной гравитации примерно такое же, как радиационное давление солнечного света. [24] Геокорона , видимая в дальнем ультрафиолете (вызванная нейтральным водородом), простирается как минимум на 100 000 километров (62 000 миль). [24]

Этот слой в основном состоит из водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ, находящихся ближе к экзобазе, с чрезвычайно низкой плотностью. Атомы и молекулы расположены настолько далеко друг от друга, что могут путешествовать на сотни километров, не сталкиваясь друг с другом. Таким образом, экзосфера больше не ведет себя как газ, и частицы постоянно уходят в космос . Эти свободно движущиеся частицы следуют баллистическим траекториям и могут мигрировать в магнитосферу или солнечный ветер и из них . Каждую секунду Земля теряет около 3 кг водорода, 50 г гелия и гораздо меньшее количество других составляющих. [26]

Экзосфера находится слишком высоко над Землей, чтобы были возможны метеорологические явления. Однако полярные сияния Земли — северное сияние (северное сияние) и полярное сияние (южное сияние) — иногда возникают в нижней части экзосферы, где они переходят в термосферу. В экзосфере находится множество искусственных спутников , вращающихся вокруг Земли.

Термосфера

Термосфера — второй по высоте слой атмосферы Земли. Он простирается от мезопаузы (которая отделяет его от мезосферы) на высоте около 80 км (50 миль; 260 000 футов) до термопаузы в диапазоне высот 500–1000 км (310–620 миль; 1 600 000–3 300 000 футов). ). Высота термопаузы значительно меняется из-за изменения солнечной активности. [22] Поскольку термопауза находится на нижней границе экзосферы, ее также называют экзобазой . Нижняя часть термосферы, на высоте от 80 до 550 километров (от 50 до 342 миль) над поверхностью Земли, содержит ионосферу .

Температура термосферы постепенно увеличивается с высотой и может достигать 1500 °C (2700 °F), хотя молекулы газа находятся так далеко друг от друга, что ее температура в обычном смысле не имеет большого значения. Воздух настолько разрежен, что отдельная молекула ( например, кислорода ) проходит в среднем 1 километр (0,62 мили; 3300 футов) между столкновениями с другими молекулами. [27] Хотя в термосфере содержится большое количество молекул с высокой энергией, при прямом контакте с ней человек не будет чувствовать себя горячим, поскольку ее плотность слишком мала, чтобы проводить значительное количество энергии к коже или от нее.

Этот слой совершенно безоблачен и не содержит водяного пара. Однако в термосфере иногда наблюдаются негидрометеорологические явления, такие как северное и южное сияния . Международная космическая станция вращается в этом слое на высоте от 350 до 420 км (от 220 до 260 миль). Именно в этом слое находятся многие спутники, вращающиеся вокруг Земли.

Мезосфера

Послесвечение тропосферы (оранжевый), стратосферы (синий) и мезосферы (темный), в котором начинается вход в атмосферу , оставляя следы дыма, как в данном случае при входе в атмосферу космического корабля .

Мезосфера — третий по высоте слой атмосферы Земли, занимающий область над стратосферой и под термосферой. Он простирается от стратопаузы на высоте около 50 км (31 миль; 160 000 футов) до мезопаузы на высоте 80–85 км (50–53 миль; 260 000–280 000 футов) над уровнем моря.

С увеличением высоты температура падает до мезопаузы , которая отмечает верхнюю часть среднего слоя атмосферы. Это самое холодное место на Земле, средняя температура которого составляет около -85  ° C (-120  ° F ; 190  К ). [28] [29]

Чуть ниже мезопаузы воздух настолько холоден, что даже очень скудный водяной пар на этой высоте может конденсироваться в полярно-мезосферные серебристые облака из частиц льда. Это самые высокие облака в атмосфере, и их можно увидеть невооруженным глазом, если от них отражается солнечный свет примерно через час или два после захода солнца или, аналогично, перед восходом солнца. Их легче всего увидеть, когда Солнце находится на расстоянии от 4 до 16 градусов ниже горизонта. Вызванные молнией разряды, известные как переходные световые события (TLE), иногда образуются в мезосфере над тропосферными грозовыми облаками . Мезосфера также является слоем, где большинство метеоров сгорает при входе в атмосферу. Он находится слишком высоко над Землей, чтобы быть доступным для реактивных самолетов и воздушных шаров, и слишком низко, чтобы можно было использовать орбитальные космические корабли. Доступ к мезосфере в основном осуществляется с помощью зондирующих ракет и самолетов с ракетными двигателями .

Стратосфера

Стратосфера — второй нижний слой атмосферы Земли. Оно лежит над тропосферой и отделено от нее тропопаузой . Этот слой простирается от верхней части тропосферы на высоте примерно 12 км (7,5 миль; 39 000 футов) над поверхностью Земли до стратопаузы на высоте примерно от 50 до 55 км (от 31 до 34 миль; от 164 000 до 180 000 футов).

Атмосферное давление в верхней части стратосферы составляет примерно 1/1000 давления на уровне моря . Он содержит озоновый слой — часть земной атмосферы, содержащую относительно высокие концентрации этого газа. Стратосфера определяет слой, в котором температура повышается с увеличением высоты. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетового излучения (УФ) Солнца озоновым слоем, что ограничивает турбулентность и перемешивание. Хотя температура в тропопаузе может составлять -60 ° C (-76 ° F; 210 К), верхняя часть стратосферы намного теплее и может достигать 0 ° C. [30]

Профиль температуры стратосферы создает очень стабильные атмосферные условия, поэтому в стратосфере отсутствует вызывающая погоду турбулентность воздуха, которая так распространена в тропосфере. Следовательно, стратосфера почти полностью свободна от облаков и других форм погоды. Однако в нижней части этого слоя атмосферы, где воздух наиболее холодный, иногда можно увидеть полярные стратосферные или перламутровые облака . Стратосфера — это самый высокий слой, до которого можно добраться с помощью реактивного самолета .

Тропосфера

Изображение тропосферы Земли с различными типами облаков на малых и больших высотах, отбрасывающими тени. Солнечный свет отражается от океана после того, как на закате он фильтруется в красноватый свет, проходя через большую часть тропосферы. Вышележащую стратосферу можно увидеть на горизонте как полосу характерного свечения голубого рассеянного солнечного света.

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы Земли. Он простирается от поверхности Земли на среднюю высоту около 12 км (7,5 миль; 39 000 футов), хотя эта высота варьируется от примерно 9 км (5,6 миль; 30 000 футов) на географических полюсах до 17 км (11 миль; 56 000 футов). на экваторе , [23] с некоторыми изменениями из-за погоды. Тропосфера ограничена сверху тропопаузой — границей, отмеченной в большинстве мест температурной инверсией (т. е. слоем относительно теплого воздуха над более холодным), а в других — зоной, изотермической по высоте. [31] [32]

Хотя изменения действительно происходят, температура обычно снижается с увеличением высоты в тропосфере, поскольку тропосфера в основном нагревается за счет передачи энергии от поверхности. Таким образом, самая нижняя часть тропосферы (т.е. поверхность Земли) обычно является самой теплой частью тропосферы. Это способствует вертикальному перемешиванию (отсюда и происхождение его названия от греческого слова τρόπος, тропос , что означает «поворот»). Тропосфера содержит около 80% массы атмосферы Земли. [33] Тропосфера плотнее всех вышележащих слоев, потому что больший атмосферный вес находится на вершине тропосферы и вызывает ее наиболее сильное сжатие. Пятьдесят процентов общей массы атмосферы расположено в нижних 5,6 км (3,5 мили; 18 000 футов) тропосферы.

Почти весь водяной пар или влага атмосферы находится в тропосфере, поэтому именно в этом слое происходит большая часть погодных условий на Земле. В нем присутствуют в основном все типы родов облаков, связанных с погодой, порождаемые активной ветровой циркуляцией, хотя очень высокие кучево-дождевые грозовые облака могут проникать в тропопаузу снизу и подниматься в нижнюю часть стратосферы. Большая часть обычной авиационной деятельности происходит в тропосфере, и это единственный слой, доступный для винтовых самолетов .

Другие слои

Внутри пяти основных слоев, указанных выше, которые в значительной степени определяются температурой, несколько вторичных слоев можно отличить по другим свойствам:

Выше этой высоты лежит гетеросфера, которая включает экзосферу и большую часть термосферы. Здесь химический состав меняется с высотой. Это связано с тем, что расстояние, на которое частицы могут перемещаться, не сталкиваясь друг с другом, велико по сравнению с размером движений, вызывающих смешивание. Это позволяет газам расслаиваться по молекулярной массе, при этом более тяжелые, такие как кислород и азот, присутствуют только у дна гетеросферы. Верхняя часть гетеросферы почти полностью состоит из водорода, самого легкого элемента. [35]

Средняя температура атмосферы у поверхности Земли составляет 14 ° C (57 ° F; 287 К) [36] или 15 ° C (59 ° F; 288 К) [37] в зависимости от ссылки. [38] [39] [40]

Физические свойства

Сравнение графика стандартной атмосферы США 1962 года, определяющего геометрическую высоту в зависимости от плотности воздуха , давления , скорости звука и температуры , с приблизительными высотами различных объектов. [41]

Давление и толщина

Среднее атмосферное давление на уровне моря определяется Международным стандартом атмосферы как 101325 паскалей (760,00  Торр ; 14,6959  фунтов на квадратный дюйм ; 760,00  мм рт. ст. ). Иногда ее называют единицей стандартной атмосферы (атм) . Общая масса атмосферы составляет 5,1480×10 18 кг (1,135×10 19 фунтов), [42] примерно на 2,5% меньше, чем можно было бы предположить, исходя из среднего давления на уровне моря и площади Земли в 51 007,2 мегага, причем эта часть вытеснена гористой местностью Земли. Атмосферное давление — это общий вес воздуха над единицей площади в точке измерения давления. Таким образом, давление воздуха варьируется в зависимости от местоположения и погоды .

Если бы вся масса атмосферы имела однородную плотность, равную плотности на уровне моря (около 1,2 кг на м 3 ) от уровня моря вверх, она резко прекратилась бы на высоте 8,50 км (27 900 футов).

Атмосферное давление на самом деле уменьшается экспоненциально с высотой, падая вдвое каждые 5,6 км (18 000 футов) или на коэффициент 1/ е (0,368) каждые 7,64 км (25 100 футов) (это называется высотой шкалы ) - для высот выше примерно до 70 км (43 миль; 230 000 футов). Однако более точно атмосфера моделируется с помощью специального уравнения для каждого слоя, которое учитывает градиенты температуры, молекулярный состав, солнечное излучение и гравитацию. На высоте более 100 км атмосфера может уже плохо перемешаться. Тогда каждый химический вид имеет свою собственную масштабную высоту.

Таким образом, масса атмосферы Земли распределяется примерно следующим образом: [43]

Для сравнения, вершина Эвереста находится на высоте 8848 м (29 029 футов); коммерческие авиалайнеры обычно совершают рейсы на расстояние от 10 до 13 км (от 33 000 до 43 000 футов), где более низкая плотность и температура воздуха улучшают экономию топлива; метеозонды достигают высоты 30,4 км (100 000 футов) и выше; а самый высокий полет X-15 в 1963 году достиг 108,0 км (354 300 футов).

Даже выше линии Кармана все еще происходят значительные атмосферные эффекты, такие как полярные сияния . Метеоры начинают светиться в этой области, хотя более крупные из них могут не сгореть, пока не проникнут глубже. Различные слои ионосферы Земли , важные для распространения ВЧ-радиосигналов , начинаются на глубине менее 100 км и простираются за пределы 500 км. Для сравнения, Международная космическая станция и космический челнок обычно вращаются на высоте 350–400 км в пределах F-слоя ионосферы, где они сталкиваются с достаточным атмосферным сопротивлением , чтобы требовать перезагрузок каждые несколько месяцев. В противном случае произойдет распад орбиты, что приведет к возврату к Земля. В зависимости от солнечной активности спутники могут испытывать заметное сопротивление атмосферы на высотах до 700–800 км.

Температура

Тенденции температуры в двух толстых слоях атмосферы, измеренные в период с января 1979 года по декабрь 2005 года с помощью микроволновых зондов и усовершенствованных микроволновых зондов на метеорологических спутниках NOAA . Приборы регистрируют микроволны, излучаемые молекулами кислорода в атмосфере. Источник: [44]

Деление атмосферы на слои главным образом по температуре обсуждалось выше. Температура снижается с высотой, начиная с уровня моря, но изменения этой тенденции начинаются выше 11 км, где температура стабилизируется на большом вертикальном расстоянии через остальную часть тропосферы. В стратосфере , начиная примерно с высоты 20 км, температура увеличивается с высотой из-за нагрева внутри озонового слоя, вызванного захватом значительного ультрафиолетового излучения Солнца диоксидом кислорода и озоном в этой области. Еще одна область повышения температуры с высотой возникает на очень больших высотах, в метко названной термосфере выше 90 км.

Скорость звука

Поскольку в идеальном газе постоянного состава скорость звука зависит только от температуры, а не от давления или плотности, скорость звука в атмосфере с высотой принимает вид сложного температурного профиля (см. иллюстрацию справа), а не отражает высотные изменения плотности или давления.

Плотность и масса

Зависимость температуры и плотности массы от высоты из стандартной модели атмосферы NRLMSISE-00 (восемь пунктирных линий в каждом «десятилетии» относятся к восьми кубам 8, 27, 64, ..., 729)

Плотность воздуха на уровне моря около 1,2 кг/м 3 (1,2 г/л, 0,0012 г/см 3 ). Плотность не измеряется напрямую, а рассчитывается на основе измерений температуры, давления и влажности с использованием уравнения состояния воздуха (разновидность закона идеального газа ). Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это изменение можно приблизительно смоделировать с помощью барометрической формулы . Для прогнозирования распада спутников на орбитах используются более сложные модели.

Средняя масса атмосферы составляет около 5 квадриллионов (5 × 1015 ) тонн или 1/1 200 000 массы Земли. По данным Американского национального центра атмосферных исследований , «общая средняя масса атмосферы составляет 5,1480 × 1018  кг с годовым диапазоном по водяному пару 1,2 или 1,5 × 1015  кг, в зависимости от того, используются ли данные о приземном давлении или водяном пару; несколько меньше предыдущей оценки. Средняя масса водяного пара оценивается как 1,27 × 1016  кг и масса сухого воздуха как 5,1352 ±0,0003 × 10.18  кг».

Табличные свойства

Таблица физических и тепловых свойств воздуха при атмосферном давлении: [45] [46]

Оптические свойства

Солнечное излучение (или солнечный свет) — это энергия, которую Земля получает от Солнца . Земля также излучает радиацию обратно в космос, но на более длинных волнах, которые люди не могут видеть. Часть приходящей и излучаемой радиации поглощается или отражается атмосферой. [47] [48] В мае 2017 года было обнаружено, что вспышки света, мерцающие от орбитального спутника на расстоянии миллиона миль, оказались отраженным светом от кристаллов льда в атмосфере. [49] [50]

Рассеяние

Когда свет проходит через атмосферу Земли, фотоны взаимодействуют с ним посредством рассеяния . Если свет не взаимодействует с атмосферой, он называется прямым излучением и представляет собой то, что вы видите, если смотрите прямо на Солнце. Косвенное излучение – это свет, рассеянный в атмосфере. Например, в пасмурный день, когда вы не можете видеть свою тень, до вас не доходит прямое излучение, оно все рассеяно. Другой пример: из-за явления, называемого рэлеевским рассеянием , более короткие (синие) длины волн рассеиваются легче, чем более длинные (красные) волны. Вот почему небо выглядит голубым; вы видите рассеянный синий свет. Вот почему закаты красные. Поскольку Солнце находится близко к горизонту, солнечные лучи проходят через большую часть атмосферы, чем обычно, прежде чем достичь ваших глаз. Большая часть синего света рассеялась, оставив красный свет на закате.

Поглощение

Приблизительный график пропускания (или непрозрачности) атмосферы Земли для электромагнитного излучения различных длин волн, включая видимый свет.

Разные молекулы поглощают разные длины волн излучения. Например, O 2 и O 3 поглощают почти все излучение с длиной волны менее 300 нанометров . Вода (H 2 O) поглощает многие длины волн выше 700 нм. Когда молекула поглощает фотон, это увеличивает энергию молекулы. Это нагревает атмосферу, но она также охлаждается за счет излучения, как описано ниже.

Комбинированные спектры поглощения газов в атмосфере оставляют «окна» низкой непрозрачности , позволяющие пропускать только определенные полосы света. Оптическое окно простирается от примерно 300 нм ( ультрафиолет -C) до диапазона, который может видеть человек, видимого спектра (обычно называемого светом), примерно 400–700 нм, и продолжается до инфракрасного диапазона примерно до 1100 нм. Существуют также инфракрасные и радиоокна , которые передают некоторые инфракрасные и радиоволны на более длинных волнах. Например, радиоокно простирается от примерно одного сантиметра до примерно одиннадцатиметровых волн.

Эмиссия

Эмиссия – это противоположность поглощения, когда объект излучает излучение. Объекты имеют тенденцию излучать количество и длину волны излучения в зависимости от их кривых излучения « черного тела », поэтому более горячие объекты имеют тенденцию излучать больше излучения с более короткими длинами волн. Более холодные объекты излучают меньше излучения и имеют более длинные волны. Например, температура Солнца составляет примерно 6000  К (5730  °C ; 10340  °F ), пик его излучения около 500 нм и виден человеческому глазу. Температура Земли составляет примерно 290 К (17 ° C; 62 ° F), поэтому ее пиковое излучение достигает около 10 000 нм, и оно слишком длинное, чтобы его можно было увидеть людьми.

Из-за своей температуры атмосфера излучает инфракрасное излучение. Например, в ясные ночи поверхность Земли остывает быстрее, чем в пасмурные ночи. Это связано с тем, что облака (H 2 O) являются сильными поглотителями и излучателями инфракрасного излучения. Именно поэтому на возвышенностях ночью становится холоднее.

Парниковый эффект напрямую связан с эффектом поглощения и выбросов. Некоторые газы в атмосфере поглощают и излучают инфракрасное излучение, но не взаимодействуют с солнечным светом в видимом спектре. Типичными примерами являются CO 2 и H 2 O.

Показатель преломления

Искажающее влияние атмосферной рефракции на форму солнца на горизонте

Показатель преломления воздуха близок к 1, но чуть больше его. Систематические изменения показателя преломления могут привести к искривлению световых лучей на длинных оптических путях. Одним из примеров является то, что при некоторых обстоятельствах наблюдатели на борту кораблей могут видеть другие суда прямо за горизонтом , потому что свет преломляется в том же направлении, что и кривизна поверхности Земли.

Показатель преломления воздуха зависит от температуры, [51] вызывая эффекты рефракции при большом температурном градиенте. Примером таких эффектов является мираж .

Тираж

Идеализированный вид трех пар крупных циркуляционных ячеек.

Атмосферная циркуляция — это крупномасштабное движение воздуха через тропосферу и средство (вместе с циркуляцией океана ), с помощью которого тепло распределяется вокруг Земли. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется из года в год, но основная структура остается достаточно постоянной, поскольку определяется скоростью вращения Земли и разницей солнечной радиации между экватором и полюсами.

Эволюция атмосферы Земли

Самая ранняя атмосфера

Первая атмосфера, во время гадейского эона Ранней Земли , состояла из газов солнечной туманности , в первую очередь из водорода , и, вероятно, из простых гидридов , таких как те, которые сейчас обнаружены в газовых гигантах ( Юпитер и Сатурн ), в частности, из водяного пара , метана и аммиака. . В эту раннюю эпоху столкновение при формировании Луны и многочисленные столкновения с крупными метеоритами нагрели атмосферу, вытеснив наиболее летучие газы. Столкновение с Тейей , в частности, расплавило и выбросило большие части мантии и коры Земли , а также выделило значительное количество пара , который в конечном итоге остыл и конденсировался, образуя океанскую воду в конце Гадея. [52] : 10 

Вторая атмосфера

Увеличивающееся затвердевание земной коры в конце Гадея перекрыло большую часть адвективной передачи тепла к поверхности, что привело к охлаждению атмосферы, в результате чего большая часть водяного пара из воздуха конденсировалась и выпала в осадок в суперокеан . Дальнейшее выделение газа в результате вулканизма , дополненное газами, принесенными огромными астероидами во время поздней тяжелой бомбардировки , создало последующую архейскую атмосферу, которая состояла в основном из азота плюс углекислый газ , метан и инертные газы . [52] Большая часть выбросов углекислого газа растворялась в воде и реагировала с такими металлами, как кальций и магний, во время выветривания горных пород с образованием карбонатов , которые откладывались в виде отложений . Связанные с водой отложения были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад. [53]

Около 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основной компонент тогдашней стабильной «второй атмосферы». Влияние эволюции жизни в истории атмосферы приходится учитывать довольно скоро, поскольку намеки на самые ранние формы жизни появились еще 3,5 миллиарда лет назад. [54] Как Земля в то время поддерживала климат, достаточно теплый для жидкой воды и жизни, если раннее Солнце излучало солнечное излучение на 30% меньше, чем сегодня, является загадкой, известной как « парадокс слабого молодого Солнца ».

Однако геологические данные показывают непрерывную относительно теплую поверхность во время всех ранних температурных рекордов Земли – за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В позднем неоархее начала развиваться кислородсодержащая атмосфера, по-видимому, в результате миллиардного фотосинтеза цианобактерий (см. Великое событие оксигенации ), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода ( пропорции соотношений изотопов ) убедительно свидетельствует об условиях, аналогичных нынешним, и о том, что фундаментальные особенности углеродного цикла были установлены еще 4 миллиарда лет назад.

Древние отложения в Габоне , датируемые примерно 2,15–2,08 миллиарда лет назад, свидетельствуют о динамической эволюции оксигенации Земли. Эти колебания оксигенации, вероятно, были вызваны изменением изотопа углерода в Ломагунди. [55]

Третья атмосфера

Содержание кислорода в атмосфере за последний миллиард лет [56] [57]

Постоянное переустройство континентов в результате тектоники плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы путем переноса углекислого газа в крупные континентальные хранилища карбонатов и обратно. Свободный кислород не существовал в атмосфере примерно 2,4 миллиарда лет назад, во время Великого события оксигенации, и на его появление указывает конец образования полосчатого железа (что сигнализирует об истощении субстратов , которые могут реагировать с кислородом с образованием отложений железа ) во время ранний протерозойский эон.

До этого времени любой кислород , вырабатываемый в результате фотосинтеза цианобактерий, был бы легко удален путем окисления восстановителей на поверхности Земли, особенно двухвалентного железа , серы и атмосферного метана . Молекулы свободного кислорода не начали накапливаться в атмосфере до тех пор, пока скорость производства кислорода не стала превышать наличие материалов-восстановителей, удаляющих кислород. Эта точка означает переход от восстановительной атмосферы к окислительной . O 2 демонстрировал серьезные изменения в течение протерозоя, включая миллиардный период эвксинии , пока не достиг устойчивого состояния более 15% к концу докембрия . [58] Появление более устойчивых эукариотических фотоавтотрофов ( зеленых и красных водорослей ) привело к дальнейшему насыщению воздуха кислородом, особенно после окончания криогенного глобального оледенения , за которым последовало эволюционное радиационное событие в эдиакарский период , известное как Авалон. взрыв , во время которого впервые размножились сложные многоклеточные формы жизни (включая самых ранних книдарий , плакозой и билатерий ). Следующий временной промежуток от 539 миллионов лет назад до наших дней — это фанерозойский эон, в самый ранний период которого начала появляться кембрийская , более активно движущаяся жизнь многоклеточных животных и быстро диверсифицироваться в другом радиационном событии, называемом кембрийским взрывом , локомотив которого обмен веществ подпитывался повышением уровня кислорода.

Количество кислорода в атмосфере колебалось в течение последних 600 миллионов лет, достигнув пика около 30% около 280 миллионов лет назад в каменноугольный период, что значительно выше, чем сегодняшние 21%. Два основных процесса управляют изменениями в атмосфере: эволюция растений и их возрастающая роль в фиксации углерода и потребление кислорода быстро диверсифицирующейся фауной животных , а также растениями для фотодыхания и собственных метаболических потребностей в ночное время. Разрушение пирита и извержения вулканов выбрасывают в атмосферу серу, которая вступает в реакцию и, следовательно, уменьшает количество кислорода в атмосфере. Однако извержения вулканов также выделяют углекислый газ, который может стимулировать кислородный фотосинтез наземных и водных растений . Причина изменения количества кислорода в атмосфере точно не выяснена. Периоды с повышенным содержанием кислорода в атмосфере часто были связаны с более быстрым развитием животных.

Загрязнение воздуха

Анимация показывает накопление тропосферного CO 2 в Северном полушарии с максимумом примерно в мае. Максимум в вегетационном цикле приходится на конец лета. После пика растительности становится очевидным сокращение атмосферного CO 2 из-за фотосинтеза, особенно над бореальными лесами .

Загрязнение воздуха — это попадание в воздух химических веществ , твердых частиц или биологических материалов , которые причиняют вред или дискомфорт организмам. [59] Рост населения , индустриализация и автомобилизация человеческого общества значительно увеличили количество переносимых по воздуху загрязняющих веществ в атмосфере Земли, вызывая заметные проблемы, такие как смог , кислотные дожди и болезни, связанные с загрязнением . Истощение озонового слоя стратосферы , защищающего поверхность от вредного ионизирующего ультрафиолетового излучения , также вызвано загрязнением воздуха, главным образом хлорфторуглеродами и другими озоноразрушающими веществами.

С 1750 года деятельность человека, особенно после промышленной революции , привела к увеличению концентрации различных парниковых газов , в первую очередь углекислого газа, метана и закиси азота . Выбросы парниковых газов в сочетании с вырубкой лесов и разрушением водно -болотных угодий в результате лесозаготовок и освоения земель привели к наблюдаемому повышению глобальной температуры , при этом средние глобальные приземные температурыЗа десятилетие 2011–2020 годов на 1,1 °C выше, чем в 1850 году. [60] Это вызвало обеспокоенность по поводу антропогенного изменения климата , которое может иметь значительные последствия для окружающей среды , такие как повышение уровня моря , закисление океана , отступление ледников (которое угрожает водная безопасность ), увеличение числа экстремальных погодных явлений и лесных пожаров , экологический коллапс и массовое вымирание дикой природы .

Изображения из космоса

19 октября 2015 года НАСА запустило веб-сайт https://epic.gsfc.nasa.gov/, содержащий ежедневные изображения полностью освещенной солнечной стороны Земли. Изображения взяты из Обсерватории глубокого космического климата (DSCOVR) и показывают, как Земля вращается в течение дня. [61]

  • Верхняя атмосфера Земли на ночной стороне, проявляющаяся снизу в виде полос послесвечения, освещающих тропосферу оранжевым цветом с силуэтами облаков, а стратосферу - белым и синим. Далее мезосфера (розовая область) простирается до оранжевой и слабо зеленой линии самого низкого свечения атмосферы примерно на расстоянии ста километров на краю космоса и у нижнего края термосферы (невидимой). Продолжаем зеленые и красные полосы сияний, простирающиеся на несколько сотен километров.
    Верхняя атмосфера Земли на ночной стороне, проявляющаяся снизу в виде полос послесвечения , освещающих тропосферу оранжевым цветом с силуэтами облаков, а стратосферу - белым и синим. Далее мезосфера (розовая область) простирается до оранжевой и слабо зеленой линии самого низкого свечения атмосферы примерно на расстоянии ста километров на краю космоса и у нижнего края термосферы ( невидимой). Продолжаем зеленые и красные полосы сияний , простирающиеся на несколько сотен километров.
  • Лимбовый вид атмосферы Земли. Цвета примерно обозначают слои атмосферы.
    Лимбовый вид атмосферы Земли. Цвета примерно обозначают слои атмосферы.
  • На этом изображении изображена Луна в центре, а край Земли внизу переходит в тропосферу оранжевого цвета. Тропосфера резко заканчивается в тропопаузе, которая на изображении выглядит как резкая граница между оранжевой и синей атмосферой. Серебристо-голубые серебристые облака простираются далеко над тропосферой Земли.
    На этом изображении изображена Луна в центре, а край Земли внизу переходит в тропосферу оранжевого цвета. Тропосфера резко заканчивается в тропопаузе, которая на изображении выглядит как резкая граница между оранжевой и синей атмосферой. Серебристо-голубые серебристые облака простираются далеко над тропосферой Земли.
  • Атмосфера Земли, освещенная Солнцем во время затмения, наблюдаемого из глубокого космоса на борту Аполлона-12 в 1969 году.
    Атмосфера Земли, подсвеченная Солнцем во время затмения , наблюдаемого из глубокого космоса на борту Аполлона-12 в 1969 году.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Ворота к фотографиям Земли космонавтов" . НАСА . Проверено 29 января 2018 г.
  2. ^ аб Кокс, Артур Н., изд. (2000), Астрофизические величины Аллена (Четвертое изд.), AIP Press, стр. 258–259, ISBN 0-387-98746-0, который округляет N 2 и O 2 до четырех значащих цифр, не влияя на общую сумму, поскольку 0,004% было удалено из N 2 и добавлено к O 2 . В него входят 20 составляющих.
  3. ^ «Что такое... атмосфера Земли? - НАСА» . 13 мая 2024 г. Проверено 18 июня 2024 г.
  4. ^ Лиде, Дэвид Р. Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: CRC, 1996: 14–17.
  5. ^ Васкес, М.; Хансльмайер, А. (2006). «Историческое введение». Ультрафиолетовое излучение в Солнечной системе . Библиотека астрофизики и космических наук. Том. 331. Springer Science & Business Media. п. 17. Бибкод : 2005ASSL..331.....В. дои : 10.1007/1-4020-3730-9_1. ISBN 978-1-4020-3730-6.
  6. ^ ab «Тенденции в изменении содержания углекислого газа в атмосфере», Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA , 2019 г. , получено 31 мая 2019 г.
  7. ^ ab «Тенденции в атмосферном метане», Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA , 2019 г. , получено 31 мая 2019 г.
  8. ^ аб Хейнс, HM, изд. (2016–2017), Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.), CRC Press, стр. 14-3, ISBN 978-1-4987-5428-6, который цитирует «Астрофизические величины» Аллена , но включает только десять его крупнейших составляющих.
  9. ^ аб Уоллес, Джон М. и Питер В. Хоббс. Наука об атмосфере: вводный обзор, заархивировано 28 июля 2018 г. в Wayback Machine . Эльзевир. Второе издание, 2006 г. ISBN 978-0-12-732951-2 . Глава 1 
  10. ^ «Следы газов». Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинала 9 октября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 г.
  11. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (1976), Стандартная атмосфера США, 1976 (PDF) , стр. 3
  12. ^ Аллен, CW (1976), Астрофизические величины (Третье изд.), Athlone Press, стр. 119, ISBN 0-485-11150-0
  13. ^ Два недавних надежных источника, цитируемых здесь, имеют общий состав атмосферы, включая следовые молекулы, который превышает 100%. Это «Астрофизические величины» Аллена [2] (2000, 100,001241343%) и «Справочник CRC по химии и физике» [8] (2016–2017, 100,004667%), в котором цитируются «Астрофизические величины» Аллена . Оба используются в качестве ссылок в этой статье. Оба превышают 100%, поскольку их значения CO 2 были увеличены до 345 ppmv без изменения других их компонентов для компенсации. Ситуация усугубляется значением CO 2 за апрель 2019 года , которое составляет 413,32 ppmv. [6] Хотя и незначительное, значение CH 4 в январе 2019 года составляет 1866,1 ppbv (частей на миллиард). [7] Два старых надежных источника имеют состав сухой атмосферы, включая следовые молекулы, общая доля которых составляет менее 100%: Стандартная атмосфера США, 1976 год [11] (99,9997147%); и астрофизические величины [12] (1976, 99,9999357%).
  14. ^ «Жизненно важные признаки: углекислый газ». НАСА Климат . Апрель 2022 года . Проверено 16 мая 2022 г.
  15. ^ «Жизненно важные признаки: Метан». НАСА Климат . Апрель 2022 года . Проверено 2 февраля 2024 г.
  16. ^ Детлев Мёллер: Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht. Уолтер де Грюйтер, 2003, ISBN 3-11-016431-0 , S. 173. (Просмотреть в Google Книгах). 
  17. ^ Юнус Ченгель. Термодинамика и передача тепла .
  18. ^ «Воздух - молекулярный вес и состав». www.engineeringtoolbox.com . Проверено 27 апреля 2021 г.
  19. ^ «Состав воздуха». Инженерный набор инструментов . Проверено 4 июля 2017 г. Состав воздуха не меняется до высоты примерно 10 000 м.
  20. ^ Зелл, Холли (2 марта 2015 г.). «Верхняя атмосфера Земли». НАСА . Проверено 20 февраля 2017 г.
  21. ^ "Экзосфера - обзор" . УКАР. 2011. Архивировано из оригинала 17 мая 2017 года . Проверено 19 апреля 2015 г.
  22. ^ аб Рэнди Рассел (2008). «Термосфера» . Проверено 18 октября 2013 г.
  23. ^ ab «Высота тропопаузы». Das.uwyo.edu . Проверено 18 апреля 2012 г.
  24. ^ abc "Экзосфера - обзор" . УКАР. 2011. Архивировано из оригинала 17 мая 2017 года . Проверено 19 апреля 2015 г.
  25. ^ «Слои атмосферы Земли». 22 января 2013 г.
  26. ^ Дэвид К. Кэтлинг и Кевин Дж. Занле, Планетарная утечка воздуха, Scientific American, май 2009 г., стр. 26 (по состоянию на 25 июля 2012 г.)
  27. ^ Аренс, К. Дональд. Основы метеорологии . Опубликовано Томсоном Бруксом/Коулом, 2005 г.
  28. ^ Штаты, Роберт Дж.; Гарднер, Честер С. (январь 2000 г.). «Термическая структура региона мезопаузы (80–105 км) на 40 ° северной широты. Часть I: Сезонные колебания». Журнал атмосферных наук . 57 (1): 66–77. Бибкод : 2000JAtS...57...66S. doi : 10.1175/1520-0469(2000)057<0066:TSOTMR>2.0.CO;2 .
  29. ^ Джо Бухдал. «Информационная программа по атмосфере, климату и окружающей среде». Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинала 1 июля 2010 г. Проверено 18 апреля 2012 г.
  30. ^ Журнал атмосферных наук (1993). «стратопауза». Архивировано из оригинала 19 октября 2013 г. Проверено 18 октября 2013 г.
  31. ^ Барри, Р.Г.; Чорли, Р.Дж. (1971). Атмосфера, Погода и Климат . Лондон: Mentuen & Co Ltd., с. 65. ИСБН 9780416079401.
  32. ^ Тайсон, PD; Престон-Уайт, РА (2013). Погода и климат Южной Африки (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . п. 4.
  33. ^ «Тропосфера». Краткая энциклопедия науки и технологий . МакГроу-Хилл . 1984 г. Содержит около четырех пятых массы всей атмосферы.
  34. ^ «Гомосфера - Глоссарий AMS» . Amsglossary.allenpress.com. Архивировано из оригинала 14 сентября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 г.
  35. ↑ Энн Мари Хельменстайн, доктор философии (16 июня 2018 г.). «Четыре самых распространенных газа в атмосфере Земли».
  36. ^ «Атмосфера Земли». Архивировано из оригинала 14 июня 2009 г.
  37. ^ «НАСА - Информационный бюллетень о Земле» . Nssdc.gsfc.nasa.gov. Архивировано из оригинала 30 октября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 г.
  38. ^ «Глобальные аномалии приземной температуры». Архивировано из оригинала 3 марта 2009 г.
  39. ^ «Радиационный баланс Земли и океанические тепловые потоки». Архивировано из оригинала 3 марта 2005 г.
  40. ^ «Контрольный запуск проекта взаимного сравнения связанных моделей» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2008 г.
  41. ^ Геометрическая высота в зависимости от температуры, давления, плотности и скорости звука, полученная на основе Стандартной атмосферы США 1962 года.
  42. ^ Тренберт, Кевин Э.; Смит, Лесли (1 января 1970 г.). «Масса атмосферы: ограничение глобального анализа». Журнал климата . 18 (6): 864. Бибкод : 2005JCli...18..864T. CiteSeerX 10.1.1.727.6573 . дои : 10.1175/JCLI-3299.1. S2CID  16754900. 
  43. ^ Лутгенс, Фредерик К. и Эдвард Дж. Тарбак (1995) Атмосфера , Прентис Холл, 6-е изд., стр. 14–17, ISBN 0-13-350612-6 
  44. ^ «Тенденции атмосферной температуры, 1979–2005 гг.: Изображение дня». Earthobservatory.nasa.gov. 01.01.2000 . Проверено 10 июня 2014 г.
  45. ^ Холман, Джек П. (2002). Теплопередача (9-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Companies, Inc., стр. 600–606. ISBN 9780072406559. ОСЛК  46959719.
  46. ^ Бергман, Теодор Л.; Лавин, Адриенн С.; Инкропера, Фрэнк П.; ДеВитт, Дэвид П. (2007). Основы тепломассообмена (6-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley and Sons, Inc., стр. 941–950. ISBN 9780471457282. ОСЛК  62532755.
  47. ^ «Поглощение/отражение солнечного света». Понимание глобальных изменений . Проверено 13 июня 2023 г.
  48. ^ "Атмосферное окно". Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Проверено 13 июня 2023 г.
  49. ^ Сен-Флер, Николас (19 мая 2017 г.). «Наблюдение загадочных мерцаний на Земле на расстоянии в миллион миль». Нью-Йорк Таймс . Проверено 20 мая 2017 г.
  50. ^ Маршак, Александр; Варнаи, Тамаш; Костинский, Александр (15 мая 2017 г.). «Земной блеск, видимый из глубокого космоса: ориентированные кристаллы льда, обнаруженные с точки Лагранжа». Письма о геофизических исследованиях . 44 (10): 5197. Бибкод : 2017GeoRL..44.5197M. дои : 10.1002/2017GL073248. hdl : 11603/13118 . S2CID  109930589.
  51. ^ Эдлен, Бенгт (1966). «Показатель преломления воздуха». Метрология . 2 (2): 71–80. Бибкод : 1966Метро...2...71В. дои : 10.1088/0026-1394/2/2/002.
  52. ^ Аб Занле, К.; Шефер, Л .; Фегли, Б. (2010). «Ранние атмосферы Земли». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (10): а004895. doi : 10.1101/cshperspect.a004895. ПМЦ 2944365 . ПМИД  20573713. 
  53. ^ Б. Виндли: Развивающиеся континенты. Wiley Press, Нью-Йорк, 1984 г.
  54. ^ Дж. Шопф: Самая ранняя биосфера Земли: ее происхождение и эволюция. Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси, 1983 г.
  55. ^ Тимоти В. Лайонс, Кристофер Т. Рейнхард и Ной Дж. Планавски (2014). «Атмосферная оксигенация три миллиарда лет назад». Природа . 506 (7488): 307–15. Бибкод : 2014Natur.506..307L. дои : 10.1038/nature13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
  56. ^ Мартин, Дэниел; Маккенна, Хелен; Ливина, Валерия (2016). «Физиологическое воздействие глобальной дезоксигенации на человека». Журнал физиологических наук . 67 (1): 97–106. дои : 10.1007/s12576-016-0501-0. ISSN  1880-6546. ПМК 5138252 . ПМИД  27848144. 
  57. ^ График: Атмосферный кислород и CO2 в зависимости от времени.
  58. ^ Кристофер Р. Скотезе, Назад к истории Земли: сводная диаграмма докембрия, Палеомарский проект
  59. ^ Начиная с [1] Загрязнение - определение из онлайн-словаря Merriam-Webster.
  60. ^ МГЭИК (2021). «Резюме для политиков» (PDF) . МГЭИК AR6 WG1 . стр. 4–5. Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2021 г. Проверено 20 ноября 2021 г.
  61. ^ Нортон, Карен (19 октября 2015 г.). «Ежедневные виды Земли доступны на новом веб-сайте НАСА». НАСА . Проверено 21 октября 2015 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с атмосферой Земли .
В Wikiquote есть цитаты, связанные с Air .