История возникновения и развития атмосферы земли. Появление атмосферы на земле. Атмосфера Земли: краткая история возникновения

АТМОСФЕРА

Атмосфера – воздушная оболочка Земли (самая внешняя из земных оболочек), находящаяся в непрерывном взаимодействии с остальными оболочками нашей планеты, постоянно испытывающая влияние космоса и прежде всего влияние Солнца. Масса атмосферы равна одной миллионной массы Земли.

Нижняя граница атмосферы совпадает с земной поверхностью. Резко выраженной верхней границы атмосфера не имеет: она постепенно переходит в межпланетное пространство. Условно за верхнюю границу атмосферы принимают 2–3 тыс. км над поверхность Земли. Теоретические расчеты показывают, что земное притяжение может удержать отдельные частицы воздуха, принимающие участие в движении Земли, на высоте 42 000 км на экваторе и 28 000 км на полюсах. Еще недавно считали, что на большом расстоянии от земной поверхности атмосфера состоит из редких частиц газов, почти не сталкивающихся с собой и удерживаемых притяжением Земли. Последние исследования свидетельствуют, что плотность частиц в верхних слоях атмосферы значительно больше, чем предполагалось, что частицы имеют электрические заряды и удерживаются в основном не притяжением Земли, а ее магнитным полем. Расстояние на котором геомагнитное поле способно не только удерживать, но и захватывать частицы из межпланетного пространства, очень велико (до 90 000 км).

Изучение атмосферы ведется как визуально, так и с помощью многочисленных специальных приборов. Важные данные о высоких слоях атмосферы получают при запуске специальных метеорологических и геофизических ракет (до 800 км), а также искусственных спутников Земли (до 2000км).

Состав атмосферы

Чистый и сухой воздух представляет собой механическую смесь нескольких газов. Основные из них: азот-78%, кислород-21%, аргон-1%, углекислый газ. Содержание остальных газов (неона, гелия, криптона, ксенона, аммиака, водорода, озона) ничтожно мало.

Количество углекислого газа а атмосфере изменяется от 0,02 до 0,032%, его больше над промышленными районами, меньше над океанами, над поверхностью, покрытой снегом и льдом.

Водяной пар попадает в атмосферу в количестве от 0 до 4% по объему. Он попадает в атмосферу в результате испарения влаги с земной поверхности, и поэтому содержание его с высотой уменьшается: 90% всего водяного пара содержится в нижнем пятикилометровом слое атмосферы, выше 10-12 км водяного пара очень мало. Значение водяного пара в круговороте тепла и влаги в атмосфере огромно.

Происхождение атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в четырёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера(около четырех с половиной миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера(около трех с половиной миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее в процессе утечки легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство и химических реакций, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов образовалась третичная атмосфера, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Образование большого количества N 2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным О 2 , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3,8 млрд лет назад. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений - аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончанию данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами.

Углекислый газ

В слое атмосферы от поверхности Земли до 60 км присутствует озон (О 3) – трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода и перераспределения его атомов. В нижних слоях атмосферы озон появляется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление некоторых органических веществ), в более высоких слоях он образуется под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, которую поглощает. Концентрация озона особенно велика на высоте 22–26 км. Общее количество озона в атмосфере незначительно: при температуре 0С в условиях нормального давления у поверхности Земли весь озон поместится в слое толщиной 3 мм. Содержание озона больше в атмосфере полярных широт, чем экваториальных, весной оно увеличивается, осенью уменьшается. Озон полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца, губительную для живого. Он задерживает также тепловое излучение Земли, предохраняя ее поверхность от охлаждения.

Кроме газовых составных частей, в атмосфере всегда находятся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различного происхождения, разнообразные по форме, размерам, химическому составу и физическим свойствам (дым, пыль) – аэрозоли.. С поверхности Земли в атмосферу попадают частицы почвы, продукты выветривания горных пород, вулканическая пыль, морская соль, дым, органические частицы (микроорганизмы, споры, пыльца).

Из межпланетного пространства в земную атмосферу попадает космическая пыль. В слое атмосферы до высоты 100 км содержится более 28 млн. т космической пыли, медленно выпадающей на поверхность.

Есть точка зрения, что основную массу пыли упаковывают в особую форму организмы в морях.

Аэрозольные частицы играют большую роль в развитии ряда атмосферных процессов. Многие из них являются ядрами конденсаций, необходимыми для образования тумана и облаков. С заряженными аэрозолями связаны явления атмосферного электричества.

До высоты около 100 км состав атмосферы постоянен. Атмосфера состоит в основном из молекулярного азота и молекулярного кислорода, в нижнем слое количество примесей с высотой заметно уменьшается. Выше 100 км молекулы кислорода, а затем и азота (выше 220 км) расщепляются под воздействием ультрафиолетовой радиации. В слое от 100 до 500 км атомарный кислород преобладает. На высоте от 500 до 2000 км атмосфера состоит в основном из легкого инертного газа – гелия, свыше 2000 км – из атомарного водорода.

Ионизация атмосферы

Атмосфера содержит заряженные частицы – ионы и благодаря их присутствию не является идеальным изолятором, а обладает способностью проводить электричество. Ионы образуютмя в атмосфере под воздействием ионизаторов, сообщающих атомам энергию, достаточную для удаления электрона из оболочки атома. Отделившийся электрон почти мгновенно присоединяется к другому атому. В результате первый атом из нейтрального превращается в положительно заряженный, а второй приобретает отрицательный заряд. Такие ионы существуют недолго, к ним присоединяются молекулы окружающего воздуха, образуя так называемые легкие ионы. Легкие ионы присоединяются к аэрозолям, отдают им свой заряд и образуют более крупные ионы – тяжелые.

Ионизаторами атмосферы являются: ультрафиолетовое излучение Солнца, космическое излучение, излучение радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере. Ультрафиолетовые лучи не оказывают ионизирующего воздействия на нижние слои атмосферы – их влияние является основным в верхних слоях атмосферы. Радиоактивность большинства горных пород очень мала, их ионизирующее действие уже на высоте нескольких сотен метров равно нулю (за исключением месторождений радиоактивных элементов, радиоактивных источников и т.д.). Особенно велико значение космического излучения. При очень большой проникающей способности космические лучи пронизывают всю толщу атмосферы и проникают вглубь океанов и земной коры. Интенсивность космических лучей очень мало колеблется во времени. Их ионизирующее действие наименьшее на экваторе и наибольшее около 20º широты; с высотой интенсивность ионизации за счет космических лучей возрастает, достигая максимума на высоте 12–18 км.

Ионизация атмосферы характеризуется концентрацией ионов (содержанием их в 1 куб см); от концентрации и подвижности легких ионов зависит электропроводность атмосферы. С высотой концентрация ионов увеличивается. На высоте 3–4 км она составляет до 1000 пар ионов, максимальные величины достигает на высоте 100–250 км. Соответственно растет и электропроводность атмосферы. Так как в чистом воздухе больше легких ионов, он обладает большей проводимостью, чем запыленный.

В результате совокупного действия зарядов, содержащихся в атмосфере, и заряда земной поверхности создается электрическое поле атмосферы. По отношению к земной поверхности атмосфера заряжена положительно. Между атмосферой и земной поверхностью возникают токи положительных (от земной поверхности) и отрицательных (к земной поверхности) ионов. По электрическому составу в атмосфере выделяется нейтросфера (до высоты 80 км) – слой с нейтральным составом и ионосфера (свыше 80 км) – слои ионизированные.

Строение атмосферы

Атмосферу делят на пять сфер, различающихся между собой прежде всего по температуре. Сферы разделены переходными слоями – паузами.

Тропосфера – нижний слой атмосферы, содержащий около ¾ всей ее массы. В тропосфере находится почти весь водяной пар атмосферы. Верхняя граница ее достигает наибольшей высоты – 17 км – на экваторе и снижается к полюсам до 8–10 км. В умеренных широтах средняя высота тропосферы – 10–12 км. Колебания верхней границы тропосферы зависят от температуры: зимой эта граница выше, летом ниже; а в течение суток колебания е могут достигать нескольких километров.

Температура в тропосфере от земной поверхности до тропопаузы понижается в среднем на 0,6º на каждые 100 м. В тропосфере происходит непрерывное перемешивание воздуха, образуются облака, выпадают осадки. В горизонтальном переносе воздуха преобладают движения с запада на восток.

Нижний слой атмосферы, примыкающий непосредственно к земной поверхности называется приземным слоем. Физические процессы в этом слое под влиянием земной поверхности отличаются своеобразием. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток и в течение года.

Тропопауза – переходный слой от тропосферы к стратосфере. Высота тропопаузы и ее температура изменяются в зависимости от широты. От экватора к полюсам тропопауза снижается, причем это снижение происходит неравномерно: около 30–40º северной и южной широты наблюдается разрыв тропопаузы. В результате она как бы делится на две тропическую и полярную части, находящиеся на 35–40º одна над другой. Чем выше тропопауза, тем ниже ее температура. Исключение составляют полярные районы, где тропопауза низкая и холодная. Самая низкая температура, зарегистрированная в тропопаузе – 92º.

Стратосфера – отличается от тропосферы большой разреженностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара и сравнительно большим содержанием озона, достигающим максимума на высоте 22–26 км. Температура в стратосфере с высотой возрастает очень медленно. На нижней границе стратосферы над экватором температура очень весь год около –76º, в северной полярной области в январе –65º, в июле –42º. Различия в температуре вызывают перемещения воздуха. Скорость ветров в стратосфере достигает 340 км/ч.

В средней стратосфере возникают тонкие облака – перламутровые, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной воды.

В стратопаузе температура равна приблизительно 0º

Мезосфера – характеризуется значительными изменениями температуры с высотой. До высоты 60 км температура повышается и достигает +20º, на верхней границе сферы температура понижается до –75º. На высоте 75–80 км падение t сменяется новым повышением. Летом на этой высоте образуются блестящие, тонкие облака – серебристые, состоящие, вероятно из переохлажденного водяного пара. Движение серебристых облаков свидетельствует о большой изменчивости направления и скорости движения воздуха (от 60 до нескольких сотен км/ч), особенно заметно проявляющейся в периоды, переходные от одного сезона к другому.

В термосфере – (ионосфере) температура с высотой повышается, достигая на верхней границе +1000º. Скорости движения частичек газов огромны, но при крайней разряженности пространства их столкновения очень редки.

Наряду с нейтральными частицами в термосфере содержаться свободные электроны и ионы. В одном кубическом сантиметре объема их сотни и тысячи, а в слоях максимальной плотности – миллионы. Термосфера – сфера разряженного ионизированного газа, состоящая из серии слоев. Ионизированные слои, отражающие, поглощающие и преломляющие радиоволны, оказывают огромное влияние на радиосвязь. Слои ионизации хорошо выражены днем. Ионизация делает термосферу электропроводной и в ней текут мощные электрические токи. В термосфере в зависимости от солнечной активности сильно изменяются плотность (в сто раз) и температура (на сотни градусов). С деятельностью Солнца связано возникновение в термосфере полярных сияний.

Экзосфера – зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство.

На высоте около 2000-3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону , простирающуюся до высоты 20 000 км.

Солнечная радиация

Земля получает от Солнца 1,36 х 10 24 кал тепла в год. По сравнению с этим количеством энергии остальной приход лучистой энергии на поверхность Земли ничтожно мал. Та, лучистая энергия звезд составляет одну стомиллионную солнечной энергии, космическое излучение – две миллиардные доли, внутреннее тепло Земли у ее поверхности равно одной пятитысячной доли солнечного тепла.

Излучение Солнца – солнечная радиация – является основным источником энергии почти всех процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере и в верхних слоях атмосферы.

Со́лнечная радиа́ция - электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца.

Электромагнитная составляющая солнечной радиации распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации. Всего Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк - от радиоволн до рентгеновских лучей - однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

Существует также корпускулярная часть солнечной радиации, состоящая преимущественно из протонов, движущихся от Солнца со скоростями 300-1500 км/с. Во время солнечных вспышек образуются также частицы больших энергий (в основном протоны и электроны), образующие солнечную компоненту космических лучей.

Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной. Поэтому в ряде приложений термин «солнечная радиация» используют в узком смысле, имея в виду только её электромагнитную часть.

За единицу измерения интенсивности солнечной радиации принимают количество калорий тепла, поглощенного 1 см 2 абсолютно черной поверхности, перпендикулярной направлению солнечных лучей, за 1ин. (кал/см 2 х мин).

Поток лучистой энергии Солнца, достигающий земной атмосферы, отличается большим постоянством. Его интенсивность называю солнечной постоянной (I 0) и принимают в среднем равной 1,88 ккал/см 2 х мин.

Величина солнечной постоянной колеблется в зависимости от расстояния от Земли до Солнца и от солнечной активности. Колебания ее в течение года составляют 3,4–3,5%.

Если бы солнечные лучи всюду падали на земную поверхность отвесно, то при отсутствии атмосферы и при солнечной постоянной 1,88 ккал/см 2 х мин каждый квадратный сантиметр ее получал бы в год 1000 ккал. Благодаря Ому, что Земля шарообразна, это количество уменьшается в 4 раза, и 1 кв. см получает в среднем 250 ккал в год.

Количество солнечной радиации, получаемое поверхностью, зависит от угла падения лучей.

Максимальное количество радиации получает поверхность, перпендикулярная направлению солнечных лучей, потому что в этом случае вся энергия распределяется на площадку с сечением, равным сечению пучка лучей – a . При наклонном падении того же пучка лучей энергия распределяется на большую площадь (сечение b ) и единица поверхности получает меньшее ее количество. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше интенсивность солнечной радиации.

Зависимость интенсивности солнечной радиации от угла падения лучей выражаетмся формулой:

I 1 =I 0 sin h

I 1 во столько раз меньше I 0 во сколько раз сечение a меньшесечения b .

Угол падения солнечных лучей (высота Солнца) бывает равен 90º только на широтах между тропиками. На остальных широтах он всегда меньше 90º. Соответственно уменьшению угла падения лучей должна уменьшаться и интенсивность солнечной радиации, поступающей на поверхность в разных широтах. Так как в течение года и течение суток высота Солнца не остается постоянной, количество солнечного тепла, получаемого поверхностью, непрерывно изменяется.

На уровне моря 1013,25 гПа (около 760 мм ртутного столба). Средняя по глобусу температура воздуха у поверхности Земли 15°С, при этом температура изменяется примерно от 57°С в субтропических пустынях до -89°С в Антарктиде. Плотность воздуха и давление убывают с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.

Строение атмосферы . По вертикали атмосфера имеет слоистую структуру, определяемую главным образом особенностями вертикального распределения температуры (рисунок), которое зависит от географического положения, сезона, времени суток и так далее. Нижний слой атмосферы - тропосфера - характеризуется падением температуры с высотой (примерно на 6°С на 1 км), его высота от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в тропиках. Благодаря быстрому убыванию плотности воздуха с высотой в тропосфере находится около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой располагается стратосфера - слой, который характеризуется в общем повышением температуры с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. В нижней стратосфере до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой (так называемая изотермическая область) и нередко даже незначительно уменьшается. Выше температура возрастает из-за поглощения УФ-радиации Солнца озоном, вначале медленно, а с уровня 34-36 км - быстрее. Верхняя граница стратосферы - стратопауза - расположена на высоте 50-55 км, соответствующей максимуму температуры (260-270 К). Слой атмосферы, расположенный на высоте 55-85 км, где температура снова падает с высотой, называется мезосферой, на его верхней границе - мезопаузе - температура достигает летом 150-160 К, а зимой 200-230 К. Над мезопаузой начинается термосфера - слой, характеризующийся быстрым повышением температуры, достигающей на высоте 250 км значений 800-1200 К. В термосфере поглощается корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца, тормозятся и сгорают метеоры, поэтому она выполняет функцию защитного слоя Земли. Ещё выше находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Состав атмосферы . До высоты около 100 км атмосфера практически однородна по химическому составу и средняя молекулярная масса воздуха (около 29) в ней постоянна. Вблизи поверхности Земли атмосфера состоит из азота (около 78,1% по объёму) и кислорода (около 20,9%), а также содержит малые количества аргона, диоксида углерода (углекислого газа), неона и других постоянных и переменных компонентов (смотри Воздух).

Кроме того, атмосфера содержит небольшие количества озона, оксидов азота, аммиака, радона и др. Относительное содержание основных составляющих воздуха постоянно во времени и однородно в разных географических районах. Содержание водяного пара и озона переменно в пространстве и времени; несмотря на малое содержание, их роль в атмосферных процессах весьма существенна.

Выше 100-110 км происходит диссоциация молекул кислорода, углекислого газа и водяного пара, поэтому молекулярная масса воздуха уменьшается. На высоте около 1000 км начинают преобладать лёгкие газы - гелий и водород, а ещё выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Наиболее важная переменная компонента атмосферы - водяной пар, который поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путём транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара меняется у земной поверхности от 2,6% в тропиках до 0,2% в полярных широтах. С высотой оно быстро падает, убывая наполовину уже на высоте 1,5-2 км. В вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах содержится около 1,7 см «слоя осаждённой воды». При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града, снега.

Важной составляющей атмосферного воздуха является озон, сосредоточенный на 90% в стратосфере (между 10 и 50 км), около 10% его находится в тропосфере. Озон обеспечивает поглощение жёсткой УФ-радиации (с длиной волны менее 290 нм), и в этом - его защитная роль для биосферы. Значения общего содержания озона меняются в зависимости от широты и сезона в пределах от 0,22 до 0,45 см (толщина слоя озона при давлении р= 1 атм и температуре Т = 0°С). В озоновых дырах, наблюдаемых весной в Антарктике с начала 1980-х годов, содержание озона может падать до 0,07 см. Оно увеличивается от экватора к полюсам и имеет годовой ход с максимумом весной и минимумом осенью, причём амплитуда годового хода мала в тропиках и растёт к высоким широтам. Существенной переменной компонентой атмосферы является углекислый газ, содержание которого в атмосфере за последние 200 лет выросло на 35%, что объясняется в основном антропогенным фактором. Наблюдается его широтная и сезонная изменчивость, связанная с фотосинтезом растений и растворимостью в морской воде (согласно закону Генри, растворимость газа в воде уменьшается с ростом её температуры).

Важную роль в формировании климата планеты играет атмосферный аэрозоль - взвешенные в воздухе твёрдые и жидкие частицы размером от нескольких нм до десятков мкм. Различаются аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Аэрозоль образуется в процессе газофазных реакций из продуктов жизнедеятельности растений и хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, в результате подъёма пыли ветром с поверхности планеты, особенно с её пустынных регионов, а также образуется из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы. Большая часть аэрозоля сосредоточена в тропосфере, аэрозоль от вулканических извержений образует так называемый слой Юнге на высоте около 20 км. Наибольшее количество антропогенного аэрозоля попадает в атмосферу в результате работы автотранспорта и ТЭЦ, химических производств, сжигания топлива и др. Поэтому в некоторых районах состав атмосферы заметно отличается от обычного воздуха, что потребовало создания специальной службы наблюдений и контроля за уровнем загрязнения атмосферного воздуха.

Эволюция атмосферы . Современная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение: она образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли после завершения формирования планеты около 4,5 млрд. лет назад. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпевала значительные изменения своего состава под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) газов, преимущественно более лёгких, в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; фотохимических реакций в самой атмосфере под влиянием солнечного УФ-излучения; аккреции (захвата) материи межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а последние 3-4 миллиарда лет также с деятельностью биосферы. Значительная часть газов, составляющих современной атмосферы (азот, углекислый газ, водяной пар), возникла в ходе вулканической деятельности и интрузии, выносившей их из глубин Земли. Кислород появился в заметных количествах около 2 миллиардов лет тому назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

По данным о химическом составе карбонатных отложений получены оценки количества углекислого газа и кислорода в атмосфере геологического прошлого. На протяжении фанерозоя (последние 570 миллионов лет истории Земли) количество углекислого газа в атмосфере изменялось в широких пределах в соответствии с уровнем вулканической активности, температурой океана и уровнем фотосинтеза. Большую часть этого времени концентрация углекислого газа в атмосфере была значительно выше современной (до 10 раз). Количество кислорода в атмосфере фанерозоя существенно изменялось, причём преобладала тенденция к его увеличению. В атмосфере докембрия масса углекислого газа была, как правило, больше, а масса кислорода - меньше по сравнению с атмосферой фанерозоя. Колебания количества углекислого газа оказывали в прошлом существенное влияние на климат, усиливая парниковый эффект при росте концентрации углекислого газа, благодаря чему климат на протяжении основной части фанерозоя был гораздо теплее по сравнению с современной эпохой.

Атмосфера и жизнь . Без атмосферы Земля была бы мёртвой планетой. Органическая жизнь протекает в тесном взаимодействии с атмосферой и связанными с ней климатом и погодой. Незначительная по массе по сравнению с планетой в целом (примерно миллионная часть), атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение из атмосферных газов для жизнедеятельности организмов имеют кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. При поглощении углекислого газа фотосинтезирующими растениями создаётся органическое вещество, используемое как источник энергии подавляющим большинством живых существ, включая человека. Кислород необходим для существования аэробных организмов, для которых приток энергии обеспечивается реакциями окисления органического вещества. Азот, усваиваемый некоторыми микроорганизмами (азотофиксаторами), необходим для минерального питания растений. Озон, поглощающий жёсткое УФ-излучение Солнца, значительно ослабляет эту вредную для жизни часть солнечной радиации. Конденсация водяного пара в атмосфере, образование облаков и последующее выпадение атмосферных осадков поставляют на сушу воду, без которой невозможны никакие формы жизни. Жизнедеятельность организмов в гидросфере во многом определяется количеством и химическим составом атмосферных газов, растворённых в воде. Поскольку химический состав атмосферы существенно зависит от деятельности организмов, биосферу и атмосферу можно рассматривать как часть единой системы, поддержание и эволюция которой (смотри Биогеохимические циклы) имела большое значение для изменения состава атмосферы на протяжении истории Земли как планеты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы . Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для всех физических процессов в атмосфере. Главная особенность радиационного режима атмосферы - так называемый парниковый эффект: атмосфера достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но активно поглощает тепловое длинноволновое излучение земной поверхности, часть которого возвращается к поверхности в форме встречного излучения, компенсирующего радиационную потерю тепла земной поверхностью (смотри Атмосферное излучение). В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -18°С, в действительности она 15°С. Приходящая солнечная радиация частично (около 20%) поглощается в атмосферу (главным образом водяным паром, каплями воды, углекислым газом, озоном и аэрозолями), а также рассеивается (около 7%) на частицах аэрозоля и флуктуациях плотности (рэлеевское рассеяние). Суммарная радиация, достигая земной поверхности, частично (около 23%) отражается от неё. Коэффициент отражения определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, так называемое альбедо. В среднем альбедо Земли для интегрального потока солнечной радиации близко к 30%. Оно меняется от нескольких процентов (сухая почва и чернозём) до 70-90% для свежевыпавшего снега. Радиационный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой существенно зависит от альбедо и определяется эффективным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением атмосферы. Алгебраическая сумма потоков радиации, входящих в земную атмосферу из космического пространства и уходящих из неё обратно, называется радиационным балансом.

Преобразования солнечной радиации после её поглощения атмосферой и земной поверхностью определяют тепловой баланс Земли как планеты. Главный источник тепла для атмосферы - земная поверхность; теплота от неё передаётся не только в виде длинноволнового излучения, но и путём конвекции, а также выделяется при конденсации водяного пара. Доли этих притоков теплоты равны в среднем 20%, 7% и 23% соответственно. Сюда же добавляется около 20% теплоты за счёт поглощения прямой солнечной радиации. Поток солнечной радиации за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца (так называемая солнечная постоянная), равен 1367 Вт/м 2 , изменения составляют 1-2 Вт/м 2 в зависимости от цикла солнечной активности. При планетарном альбедо около 30% средний по времени глобальный приток солнечной энергии к планете составляет 239 Вт/м 2 . Поскольку Земля как планета испускает в космос в среднем такое же количество энергии, то, согласно закону Стефана - Больцмана, эффективная температура уходящего теплового длинноволнового излучения 255 К (-18°С). В то же время средняя температура земной поверхности составляет 15°С. Разница в 33°С возникает за счёт парникового эффекта.

Водный баланс атмосферы в целом соответствует равенству количества влаги, испарившейся с поверхности Земли, количеству осадков, выпадающих на земную поверхность. Атмосфера над океанами получает больше влаги от процессов испарения, чем над сушей, а теряет в виде осадков 90%. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосферу с океанов на континенты, равно объёму стока рек, впадающих в океаны.

Движение воздуха . Земля имеет шарообразную форму, поэтому к её высоким широтам приходит гораздо меньше солнечной радиации, чем к тропикам. Вследствие этого между широтами возникают большие температурные контрасты. На распределение температуры в существенной мере влияет также взаимное расположение океанов и континентов. Из-за большой массы океанических вод и высокой теплоёмкости воды сезонные колебания температуры поверхности океана значительно меньше, чем суши. В связи с этим в средних и высоких широтах температура воздуха над океанами летом заметно ниже, чем над континентами, а зимой - выше.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях земного шара вызывает неоднородное по пространству распределение атмосферного давления. На уровне моря распределение давления характеризуется относительно низкими значениями вблизи экватора, увеличением в субтропиках (пояса высокого давления) и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материками внетропических широт давление зимой обычно повышено, а летом понижено, что связано с распределением температуры. Под действием градиента давления воздух испытывает ускорение, направленное от областей с высоким давлением к областям с низким, что приводит к перемещению масс воздуха. На движущиеся воздушные массы действуют также отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), сила трения, убывающая с высотой, а при криволинейных траекториях и центробежная сила. Большое значение имеет турбулентное перемешивание воздуха (смотри Турбулентность в атмосфере).

С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений (общая циркуляция атмосферы). В меридиональной плоскости в среднем прослеживаются две или три ячейки меридиональной циркуляции. Вблизи экватора нагретый воздух поднимается и опускается в субтропиках, образуя ячейку Хэдли. Там же опускается воздух обратной ячейки Феррела. В высоких широтах часто прослеживается прямая полярная ячейка. Скорости меридиональной циркуляции порядка 1 м/с или меньше. Из-за действия силы Кориолиса в большей части атмосферы наблюдаются западные ветры со скоростями в средней тропосфере около 15 м/с. Существуют сравнительно устойчивые системы ветров. К ним относятся пассаты - ветры, дующие от поясов высокого давления в субтропиках к экватору с заметной восточной составляющей (с востока на запад). Достаточно устойчивы муссоны — воздушные течения, имеющие чётко выраженный сезонный характер: они дуют с океана на материк летом и в противоположном направлении зимой. Особенно регулярны муссоны Индийского океана. В средних широтах движение воздушных масс имеет в основном западное направление (с запада на восток). Это зона атмосферных фронтов, на которых возникают крупные вихри - циклоны и антициклоны, охватывающие многие сотни и даже тысячи километров. Циклоны возникают и в тропиках; здесь они отличаются меньшими размерами, но очень большими скоростями ветра, достигающего ураганной силы (33 м/с и более), так называемые тропические циклоны. В Атлантике и на востоке Тихого океана они называются ураганами, а на западе Тихого океана - тайфунами. В верхней тропосфере и нижней стратосфере в областях, разделяющих прямую ячейку меридиональной циркуляции Хэдли и обратную ячейку Феррела, часто наблюдаются сравнительно узкие, в сотни километров шириной, струйные течения с резко очерченными границами, в пределах которых ветер достигает 100-150 и даже 200 м/с.

Климат и погода . Различие в количестве солнечной радиации, приходящей на разных широтах к разнообразной по физическим свойствам земной поверхности, определяет многообразие климатов Земли. От экватора до тропических широт температура воздуха у земной поверхности в среднем 25-30°С и мало меняется в течение года. В экваториальном поясе обычно выпадает много осадков, что создаёт там условия избыточного увлажнения. В тропических поясах количество осадков уменьшается и в ряде областей становится очень малым. Здесь располагаются обширные пустыни Земли.

В субтропических и средних широтах температура воздуха значительно меняется в течение года, причём разница между температурами лета и зимы особенно велика в удалённых от океанов областях континентов. Так, в некоторых районах Восточной Сибири годовая амплитуда температуры воздуха достигает 65°С. Условия увлажнения в этих широтах весьма разнообразны, зависят в основном от режима общей циркуляции атмосферы и существенно меняются от года к году.

В полярных широтах температура остаётся низкой в течение всего года, даже при наличии её заметного сезонного хода. Это способствует широкому распространению ледового покрова на океанах и суше и многолетнемёрзлых пород, занимающих в России свыше 65% её площади, в основном в Сибири.

За последние десятилетия стали всё более заметны изменения глобального климата. Температура повышается больше в высоких широтах, чем в низких; больше зимой, чем летом; больше ночью, чем днём. За 20 век среднегодовая температура воздуха у земной поверхности в России выросла на 1,5-2°С, причём в отдельных районах Сибири наблюдается повышение на несколько градусов. Это связывается с усилением парникового эффекта вследствие роста концентрации малых газовых примесей.

Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности, она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Более всего погода меняется в зонах смены воздушных масс, обусловленных прохождением атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов, несущих осадки и усиление ветра. Данные для прогноза погоды собираются на наземных метеостанциях, морских и воздушных судах, с метеорологических спутников. Смотри также Метеорология.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере . При распространении электромагнитного излучения в атмосфере в результате рефракции, поглощения и рассеяния света воздухом и различными частицами (аэрозоль, кристаллы льда, капли воды) возникают разнообразные оптические явления: радуга, венцы, гало, мираж и др. Рассеяние света обусловливает видимую высоту небесного свода и голубой цвет неба. Дальность видимости предметов определяется условиями распространения света в атмосфере (смотри Атмосферная видимость). От прозрачности атмосферы на различных длинах волн зависят дальность связи и возможность обнаружения объектов приборами, в том числе возможность астрономических наблюдений с поверхности Земли. Для исследований оптической неоднородностей стратосферы и мезосферы важную роль играет явление сумерек. Например, фотографирование сумерек с космических аппаратов позволяет обнаруживать аэрозольные слои. Особенности распространения электромагнитного излучения в атмосфере определяют точность методов дистанционного зондирования её параметров. Все эти вопросы, как и многие другие, изучает атмосферная оптика. Рефракция и рассеяние радиоволн обусловливают возможности радиоприёма (смотри Распространение радиоволн).

Распространение звука в атмосфере зависит от пространственного распределения температуры и скорости ветра (смотри Атмосферная акустика). Оно представляет интерес для зондирования атмосферы дистанционными методами. Взрывы зарядов, запускаемых ракетами в верхнюю атмосфера, дали богатую информацию о системах ветров и ходе температуры в стратосфере и мезосфере. В устойчиво стратифицированной атмосфере, когда температура падает с высотой медленнее адиабатического градиента (9,8 К/км), возникают так называемые внутренние волны. Эти волны могут распространяться вверх в стратосферу и даже в мезосферу, где они затухают, способствуя усилению ветра и турбулентности.

Отрицательный заряд Земли и обусловленное им электрическое поле атмосфера вместе с электрически заряженными ионосферой и магнитосферой создают глобальную электрическую цепь. Важную роль при этом играет образование облаков и грозового электричества. Опасность грозовых разрядов вызвала необходимость разработки методов грозозащиты зданий, сооружений, линий электропередач и связи. Особую опасность это явление представляет для авиации. Грозовые разряды вызывают атмосферные радиопомехи, получившие название атмосфериков (смотри Свистящие атмосферики). Во время резкого увеличения напряжённости электрического поля наблюдаются светящиеся разряды, возникающие на остриях и острых углах предметов, выступающих над земной поверхностью, на отдельных вершинах в горах и др. (Эльма огни). Атмосфера всегда содержит сильно меняющееся в зависимости от конкретных условий количество лёгких и тяжёлых ионов, которые определяют электрическую проводимость атмосферы. Главные ионизаторы воздуха у земной поверхности - излучение радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере, а также космические лучи. Смотри также Атмосферное электричество.

Влияние человека на атмосферу. В течение последних столетий происходил рост концентрации парниковых газов в атмосфере вследствие хозяйственной деятельности человека. Процентное содержание углекислого газа возросло с 2,8-10 2 двести лет назад до 3,8-10 2 в 2005 году, содержание метана - с 0,7-10 1 примерно 300- 400 лет назад до 1,8-10 -4 в начале 21 века; около 20% в прирост парникового эффекта за последнее столетие дали фреоны, которых практически не было в атмосфере до середины 20 века. Эти вещества признаны разрушителями стратосферного озона, и их производство запрещено Монреальским протоколом 1987 года. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере вызван сжиганием всё возрастающих количеств угля, нефти, газа и других видов углеродного топлива, а также сведением лесов, в результате чего уменьшается поглощение углекислого газа путём фотосинтеза. Концентрация метана увеличивается с ростом добычи нефти и газа (за счёт его потерь), а также при расширении посевов риса и увеличении поголовья крупного рогатого скота. Всё это способствует потеплению климата.

Для изменения погоды разработаны методы активного воздействия на атмосферные процессы. Они применяются для защиты сельскохозяйственных растений от градобития путём рассеивания в грозовых облаках специальных реагентов. Существуют также методы рассеяния туманов в аэропортах, защиты растений от заморозков, воздействия на облака с целью увеличения осадков в нужных местах или для рассеяния облаков в моменты массовых мероприятий.

Изучение атмосферы . Сведения о физических процессах в атмосфере получают прежде всего из метеорологических наблюдений, которые проводятся глобальной сетью постоянно действующих метеорологических станций и постов, расположенных на всех континентах и на многих островах. Ежедневные наблюдения дают сведения о температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении и осадках, облачности, ветре и др. Наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями проводятся на актинометрических станциях. Большое значение для изучения атмосферы имеют сети аэрологических станций, на которых при помощи радиозондов выполняются метеорологические измерения до высоты 30-35 км. На ряде станций проводятся наблюдения за атмосферным озоном, электрическими явлениями в атмосфере, химическим составом воздуха.

Данные наземных станций дополняются наблюдениями на океанах, где действуют «суда погоды», постоянно находящиеся в определённых районах Мирового океана, а также метеорологическими сведениями, получаемыми с научно-исследовательских и других судов.

Всё больший объём сведений об атмосфере в последние десятилетия получают с помощью метеорологических спутников, на которых установлены приборы для фотографирования облаков и измерения потоков ультрафиолетовой, инфракрасной и микроволновой радиации Солнца. Спутники позволяют получать сведения о вертикальных профилях температуры, облачности и её водозапасе, элементах радиационного баланса атмосферы, о температуре поверхности океана и др. Используя измерения рефракции радиосигналов с системы навигационных спутников, удаётся определять в атмосфере вертикальные профили плотности, давления и температуры, а также влагосодержания. С помощью спутников стало возможным уточнить величину солнечной постоянной и планетарного альбедо Земли, строить карты радиационного баланса системы Земля - атмосферы, измерять содержание и изменчивость малых атмосферных примесей, решать многие другие задачи физики атмосферы и мониторинга окружающей среды.

Лит.: Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980; Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. 2-е изд. Л., 1984; Будыко М. И., Ронов А. Б., Яншин А. Л. История атмосферы. Л., 1985; Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М., 1986; Атмосфера: Справочник. Л., 1991; Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 5-е изд. М., 2001.

Г. С. Голицын, Н. А. Зайцева.

Пока еще не удалось достоверно установить историю образования атмосферы. Но уже удалось выявить кое-какие вероятные изменения ее состава.
Атмосфера стала зарождаться сразу после формирования Земли. В процессе эволюции она почти полностью утратила свою первоначальную атмосферу. На раннем этапе наша планета находилась в расплавленном состоянии. Твердое тело начало формироваться около четырех с половиной млрд лет тому назад. Это время и станет началом геологического летоисчисления.
Как раз именно в этот период и начинается медленная эволюция атмосферы.
Такие процессы как выброс лавы во время извержения вулканов, сопровождается неизбежным выбросом газов, таких как азот, метан, водяной пар и другие. При воздействии радиации солнца водяной пар разлагается на кислород и водород. Освободившийся кислород вступает в реакцию с оксидом углерода и образовывается углекислый газ. На азот и водород разлагается аммиак. В процессе диффузии водород поднимается вверх и покидает атмосферу. Азот, который намного тяжелее, не может улетучиться, и постепенно накапливался. Таким образом, азот становится основным компонентом.
В первичной атмосфере Земли наверняка содержались углекислый газ и водород, а между ними возможна реакция, ведущая к образованию болотного газа (метана) и водяного пара. Но основная масса воды, по современным представлениям (Виноградов, 1967), была дегазирована из магмы в течение первых сотен миллионов лет после образования атмосферы. Вода сразу же сильно усложнила характер взаимодействия между компонентами и самую структуру биогеносферы. Насыщение первичной атмосферы водяными парами, способность воды аккумулировать («медленно остывать») солнечную энергию заметно изменили термодинамические условия внутри биогеносферы и даже за ее пределами. Необходимо учитывать два момента; во-первых, с появлением воды значительно энергичнее стали протекать процессы выветривания, в результате которых «заряжаются» солнечной энергией геохимические аккумуляторы. Во-вторых, продукты выветривания (глины, например) вступали в соединения с большим количеством воды, и это повышало их энергетический барьер, т. е. минералы удалялись от того момента, при котором они могли бы отдать аккумулированную солнечную энергию. Чтобы выделить эту энергию, им нужно было сначала «подсохнуть». Осадочные породы обезвоживались, опускаясь в глубь земной коры в результате превращения глин в слюды (серицитизацня). Если раньше они разряжались где-то неподалеку от поверхности, то после появления на Земле воды геохимические аккумуляторы получили возможность за счет влаги уносить солнечную энергию в нижние горизонты биогеносферы и даже за ее пределы, к нижней границе земной коры. Там они отдавали накопленную энергию и тем самым обеспечивали температурный градиент земной коры.
Необходимо, однако, иметь в виду и следующее. При опускании осадочных пород процессу обезвоживания противостоит увеличение давления, которое препятствует освобождению энергии. Вероятно, что магматические очаги - результат бурного освобождения энергии - возникали при тектонических разрывах и т. п., т. е. когда давление ослабевало. Если учесть, что в ту пору форма Земли была менее устойчивой, чем сейчас, и смещение масс протекало более энергично, то во взаимодействии этих факторов с геохимической аккумуляцией можно увидеть причину предполагаемой бурной вулканической деятельности на заре геологической истории нашей планеты.
При воздействии ультрафиолетовых лучей, а также электрических разрядов. Смесь из газов вступала в химическую реакцию, после которых образовались органические вещества – аминокислоты. Таким образом, жизнь могла зародиться в атмосфере, которая отличается от современной атмосферы.
Когда на Земле появились примитивные растения, начал происходить процесс фотосинтеза. Который, как известно, сопровождается выделением свободного кислорода. После диффузии в верхние слои атмосферы этот газ стал защищать нижние слои и поверхность самой Земли от опасного рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
Можно предположить, что в первичной атмосфере было много углекислого газа, который расходовался в процессе фотосинтеза, по мере эволюции флоры. Ученые так же полагают, что колебания его концентрации повлияли на климатические изменения в ходе развития Земли.
В современной атмосфере присутствует гелий, который образовывается в результате радиоактивного распада тория, урана и радия. Эти частицы испускают альфа-частицы. Это ядра атомов гелия.
Так как в ходе радиоактивного распада не образуется электрический заряд и не исчезает, то на каждую альфа-частицу приходится по два электрона. Она соединяется с ними. В результате слияния образуются нейтральные атомы гелия.

Значительная часть гелия содержится в минералах, которые рассеяны в толщине горных пород и очень медленно улетучивается в атмосферу. Небольшое количество гелия из-за диффузии поднимается наверх в экзосферу. А так как от Земли идет постоянный приток, то объем этого газа в атмосфере остается неизменным.
Оценить относительное содержание разных химических элементов во Вселенной можно на основании спектрального анализа от света звезд, а так же от излучения метеоритов.
В космосе концентрация неона выше в десять миллиардов раз, чем на Земле. Криптона больше в десять миллионов раз, ксенона – в миллион раз.
Можно сделать вывод, что изначально концентрация этих газов в атмосфере Земли очень сильно снизилась и не пополнялась. Происходило это еще на этапе, когда Земля утратила свою первичную атмосферу. Исключением стал инертный газ аргон. Он в форме изотопа и сейчас образуется при радиоактивном распаде изотопа калия.

Атмосфера - газовая оболочка нашей планеты, которая вращается вместе с Землей. Газ, находящийся в атмосфере, называют воздухом. Атмосфера соприкасается с гидросферой и частично покрывает литосферу. А вот верхние границы определить трудно. Условно принято считать, что атмосфера простирается вверх приблизительно на три тысячи километров. Там она плавно перетекает в безвоздушное пространство.

Химический состав атмосферы Земли

Формирование химического состава атмосферы началось около четырех миллиардов лет назад. Изначально атмосфера состояла лишь из легких газов - гелия и водорода. По мнению ученых исходными предпосылками создания газовой оболочки вокруг Земли стали извержения вулканов, которые вместе с лавой выбрасывали огромное количество газов. В дальнейшем начался газообмен с водными пространствами, с живыми организмами, с продуктами их деятельности. Состав воздуха постепенно менялся и в современном виде зафиксировался несколько миллионов лет назад.

Главные же составляющие атмосферы это азот (около 79%) и кислород (20%). Оставшийся процент (1%) приходится на следующие газы: аргон, неон, гелий, метан, углекислый газ, водород, криптон, ксенон, озон, аммиак, двуокиси серы и азота, закись азота и окись углерода, входящих в этот один процент.

Кроме того, в воздухе содержится водяной пар и твердые частицы (пыльца растений, пыль, кристаллики соли, примеси аэрозолей).

В последнее время ученые отмечают не качественное, а количественное изменение некоторых ингредиентов воздуха. И причина тому - человек и его деятельность. Только за последние 100 лет содержание углекислого газа значительно возросло! Это чревато многими проблемами, самая глобальная из которых - изменение климата.

Формирование погоды и климата

Атмосфера играет важнейшую роль в формировании климата и погоды на Земле. Очень многое зависит от количества солнечных лучей, от характера подстилающей поверхности и атмосферной циркуляции.

Рассмотрим факторы по порядку.

1. Атмосфера пропускает тепло солнечных лучей и поглощает вредную радиацию. О том, что лучи Солнца падают на разные участки Земли под разными углами, знали еще древние греки. Само слово "климат" в переводе с древнегреческого означает "наклон". Так, на экваторе солнечные лучи падают практически отвесно, потому здесь очень жарко. Чем ближе к полюсам, тем больше угол наклона. И температура понижается.

2. Из-за неравномерного нагревания Земли в атмосфере формируются воздушные течения. Они классифицируются по своим размерам. Самые маленькие (десятки и сотни метров) - это местные ветра. Далее следуют муссоны и пассаты, циклоны и антициклоны, планетарные фронтальные зоны.

Все эти воздушные массы постоянно перемещаются. Некоторые из них довольно статичны. Например, пассаты, которые дуют от субтропиков по направлению к экватору. Движение других во многом зависит от атмосферного давления.

3. Атмосферное давление - еще один фактор, влияющий на формирование климата. Это давление воздуха на поверхность земли. Как известно, воздушные массы перемещаются с области с повышенным атмосферным давлением в сторону области, где это давление ниже.

Всего выделено 7 зон. Экватор - зона низкого давления. Далее, по обе стороны от экватора вплоть до тридцатых широт - область высокого давления. От 30° до 60° - опять низкое давление. А от 60° до полюсов - зона высокого давления. Между этими зонами и циркулируют воздушные массы. Те, что идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а те, что дуют с континентов - ясную и сухую погоду. В местах, где воздушные течения сталкиваются, образуются зоны атмосферного фронта, которые характеризуются осадками и ненастной, ветреной погодой.

Ученые доказали, что от атмосферного давления зависит даже самочувствие человека. По международным стандартам нормальное атмосферное давление - 760 мм рт. столба при температуре 0°C. Этот показатель рассчитан на те участки суши, которые находятся практически вровень с уровнем моря. С высотой давление понижается. Поэтому, например, для Санкт-Петербурга 760 мм рт.ст. - это норма. А вот для Москвы, которая расположена выше, нормальное давление - 748 мм рт.ст.

Давление меняется не только по вертикали, но и по горизонтали. Особенно это чувствуется при прохождении циклонов.

Строение атмосферы

Атмосфера напоминает слоеный пирог. И каждый слой имеет свои особенности.

. Тропосфера - самый близкий к Земле слой. "Толщина" этого слоя изменяется по мере удаления от экватора. Над экватором слой простирается ввысь на 16-18 км, в умеренных зонах - на 10-12км, на полюсах - на 8-10 км.

Именно здесь содержится 80% всей массы воздуха и 90% водяного пара. Здесь образуются облака, возникают циклоны и антициклоны. Температура воздуха зависит от высоты местности. В среднем она понижается на 0,65° C на каждые 100 метров.

. Тропопауза - переходный слой атмосферы. Его высота - от нескольких сотен метров до 1-2 км. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Так, например, над полюсами зимой -65° C. А над экватором в любое время года держится -70° C.

. Стратосфера - это слой, верхняя граница которого проходит на высоте 50-55 километров. Турбулентность здесь низкая, содержание водяного пара в воздухе - ничтожное. Зато очень много озона. Максимальная его концентрация - на высоте 20-25 км. В стратосфере температура воздуха начинает повышаться и достигает отметки +0,8° C. Это обусловлено тем, что озоновый слой взаимодействует с ультрафиолетовым излучением.

. Стратопауза - невысокий промежуточный слой между стратосферой и следующей за ней мезосферой.

. Мезосфера - верхняя граница этого слоя - 80-85 километров. Здесь происходят сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов. Именно они обеспечивают то нежное голубое сияние нашей планеты, которое видится из космоса.

В мезосфере сгорает большинство комет и метеоритов.

. Мезопауза - следующий промежуточный слой, температура воздуха в котором минимум -90°.

. Термосфера - нижняя граница начинается на высоте 80 - 90 км, а верхняя граница слоя проходит приблизительно по отметке 800 км. Температура воздуха возрастает. Она может варьироваться от +500° C до +1000° C. В течение суток температурные колебания составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разрежен, что понимание термина "температура" как мы его представляем, здесь не уместно.

. Ионосфера - объединяет мезосферу, мезопаузу и термосферу. Воздух здесь состоит в основном из молекул кислорода и азота, а также из квазинейтральной плазмы. Солнечные лучи, попадая в ионосферу сильно ионизируют молекулы воздуха. В нижнем слое (до 90 км) степень ионизация низкая. Чем выше, тем больше ионизация. Так, на высоте 100-110 км электроны концентрируются. Это способствует отражению коротких и средних радиоволн.

Самый важный слой ионосферы - верхний, который находится на высоте 150-400 км. Его особенность в том, что он отражает радиоволны, а это способствует передаче радиосигналов на значительные расстояния.

Именно в ионосфере происходят такое явление, как полярное сияние.

. Экзосфера - состоит из атомов кислорода, гелия и водорода. Газ в этом слое очень разрежен и нередко атомы водорода ускользают в космическое пространство. Поэтому этот слой и называют "зоной рассеивания".

Первым ученым, который предположил, что наша атмосфера имеет вес, был итальянец Э. Торричелли. Остап Бендер, например, в романе "Золотой теленок" сокрушался, что на каждого человека давит воздушный столб весом в 14 кг! Но великий комбинатор немного ошибался. Взрослый человек испытывает на себя давление в 13-15 тонн! Но мы не чувствуем этой тяжести, потому что атмосферное давление уравновешивается внутренним давлением человека. Вес нашей атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колоссальная, хотя это всего лишь миллионная часть веса нашей планеты.

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная атмосфера состояла из водорода и гелия, которые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М.И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что историю вторичной атмосферы можно разделить на два этапа: бескислородной атмосферы и кислородной атмосферы – на рубеже примерно 2 млрд. лет тому назад.

Первый этап начался после завершения образования планеты, когда началось разделение первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно легкие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые – мантию. Эта реакция сопровождалась выделением тепла, в результате чего стала происходить дегазация мантии – из нее стали выделяться различные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли. Состав этой начальной атмосферы существенно отличался от современного состава воздуха (табл. 1)

Таблица 1

Состав воздуха при образовании атмосферы Земли в сравнении с современным составом атмосферы (по в.А. Вронскому г.В. Войткевичу)

Кроме этих газов в атмосфере присутствовали метан, аммиак, водород и др.

Характерной чертой этого этапа было убывание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмосферы стал основным компонентом воздуха. Согласно исследованиям В.И. Бгатова тогда же появился в качестве примеси и эндогенный кислород, возникший при дегазации базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей. Однако весь кислород уходил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере.

Более 2 млрд. лет назад появились фотосинтезирующие сине-зеленые водоросли, которые для синтеза органического вещества стали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза использовался углекислый газ, а выделяется свободный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов литосферы, но около 2 млрд. лет назад этот процесс завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Начался второй этап развития атмосферы – кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд. лет назад оно достигло 1% от современного (точка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных организмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного покрова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере составляло около 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кислород вызвал большие изменения и в атмосфере, и в живых организмах планеты. Содержание углекислого газа в процессе эволюции атмосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов.

На водород и гелий, широко распространенный во Вселенной, в атмосфере Земли приходится соответственно 0,00005 и 0,0005%. Земная атмосфера, т.о., является геохимической аномалией в космосе. Ее исключительный состав формировался параллельно с развитием Земли в специфических, присущих только ей космических условиях: гравитационное поле, удерживающее большую массу воздуха, магнитное поле, предохраняющее ее от солнечного ветра, и вращение планеты, обеспечивающее благоприятный тепловой режим. Формирование атмосферы шло параллельно с формированием гидросферы и рассмотрено выше.

Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна при разогреве планеты. В начале геологической истории Земли, когда происходили интенсивные вулканические и горообразовательные процессы, атмосфера была насыщена аммиаком, водяными парами и углекислым газом. Эта оболочка имела температуру около 100С. При понижении температуры произошло разделение на гидросферу и атмосферу. В этой вторичной углекислой атмосфере зародилась жизнь. С прогрессивным развитием живого вещества развивалась и атмосфера. Когда биосфера достигла стадии зеленых растений, и они вышли из воды на сушу, начался процесс фотосинтеза, что привело к формированию современной кислородной атмосферы.

12.4 Взаимодействие атмосферы с другими оболочками. Атмосфера развивается со всей природой земной поверхности – с ГО. Растения и животные используют атмосферу для фотосинтеза и дыхания. Магнитосфера, ионосфера и озоновый экран изолируют биосферу от космоса. Верхняя граница ГО – биосферы лежит на высотах в 20-25 км. Атмосферные газы вверху покидают Землю, а недра Земли пополняют воздушную оболочку, поставляя до 1 млн. т. газов в год. Атмосфера задерживает инфракрасное излучение Земли, создавая благоприятный тепловой режим. В атмосфере переносится влага, образуются облака и осадки – формируются погодно-климатические условия. Она предохраняет Землю от падающих на нее метеоритов.

12.5 Солнечная энергия, солнечная радиация – лучистая энергия Солнца. Солнце излучает электромагнитные волны и корпускулярный поток. Электромагнитное излучение - особый вид материи, отличный от вещества, распространяется со скоростью 300 000 км/сек. (скорость света). Корпускулярное излучение (солнечный ветер) – поток заряженных частиц: протонов, электронов и др., распространяется со скоростями 400-2000 км/сек. Корпускулярный поток, достигая З., возмущает ее магнитное поле, вызывая ряд явлений в атмосфере (полярные сияния, магнитные бури и др.).

Электромагнитное излучение представляет собой тепловую (инфракрасную, 47%), световую (46%) и ультрафиолетовую (7%) радиацию, в зависимости от длины волн. Все три вида энергии играют большую роль в ГО. Ультрафиолетовое излучение в основном задерживается озоновым экраном и это хорошо, т.к. жесткое ультрафиолетовое излучение губительно действует на живые организмы, но то небольшое количество его, достигающее поверхности Земли, оказывает дезинфицирующее влияние. Под ультрафиолетовыми лучами загорает кожа человека.

Влияние света общеизвестно. Не только потому, что свет позволяет нам видеть окружающий мир, но при солнечном освещении происходят процессы фотосинтеза, о чем мы еще будем говорить позже. Наконец, тепловой поток определяет температурные условия ГО.

Единицей измерения солнечной энергии является солнечная постоянная( I 0 ) – 2 кал/см 2 /мин. (столько тепла получает 1 кв. см абсолютно черной поверхности за минуту при перпендикулярном падении лучей). При перпендикулярном падении лучей земная поверхность получает максимум солнечной энергии, а чем меньше угол падения, тем меньше поступает ее на подстилающую поверхность. Количество приходящей энергии на ту или иную широту рассчитывается по формуле: I 1 =I 0 хSin h o , где h o – высота Солнца над горизонтом. Атмосфера ослабляет и перераспределяет солнечный поток при различиях в усвоении его земной поверхностью.

Если к верхней границе атмосфере приходит 1,36 х 10 24 кал/год, то до земной поверхности доходит на 25% меньше, вследствие того, что при прохождении через атмосферу происходит ослабление потока солнечной энергии. Эта энергия во взаимодействии с силой тяжести обуславливает циркуляцию атмосферы и гидросферы. Приводя в действие разнообразные процессы, протекающие в ГО, солнечная радиация почти полностью превращается в тепло и в виде теплового потока возвращается в Космос.

Изменение солнечной радиации в атмосфере. При прохождении лучистой энергии через атмосферу происходит ее ослабление, вызванное поглощением и рассеиванием энергии. В области видимой части спектра преобладает рассеяние, а в ультрафиолетовой и инфракрасной областях атмосфера является в основном средой поглощения.

Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если на них не попадают непосредственно солнечные лучи. Рассеивание обуславливает и голубой цвет неба. В больших городах, в пустынных областях, где высока запыленность воздуха, рассевание ослабляет силу радиации на 30-45%.

Основные газы, входящие в состав воздуха, поглощают лучистую энергию мало, зато большой поглотительной способностью отличаются: водяной пар (инфракрасные лучи), озон (ультрафиолетовые лучи), углекислый газ и пыль (инфракрасные лучи).

Величина ослабления солнечной радиации зависит от коэффициента прозрачности (к.п.), который показывает, какая доля радиации доходит до земной поверхности.

Если бы атмосфера состояла из газов, то к.п. =0,9, т.е. она пропускала бы 90% идущей к Земле радиации. Но атмосфера содержит примеси, в т.ч. облака и фактор мутности снижает прозрачность до 0,7-0,8 (зависит от погоды). В целом атмосфера поглощает и рассеивает около 25% идущей к земной поверхности лучистой энергии, причем ослабление потока радиации для различных широт Земли неодинаково. Различия эти зависят от угла падения лучей. При зенитальном положении Солнца лучи пересекают атмосферу кратчайшим путем, с уменьшением угла падения путь лучей удлиняется, и ослабление солнечной радиации становится более значительным.

Если угол падения лучей равен:

а) 90, степень ослабления 25%;

б) 30, степень ослабления 44%;

в) 10, степень ослабления 80%;

г) 0, степень ослабления 100%.

Значительная часть солнечной радиации, достигающая земной поверхности в виде параллельного пучка лучей, идущих от Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Радиация, приходящая к земной поверхности в виде миллионов лучиков от всех точек небесного свода вследствие рассеяния, - рассеянная солнечная радиация.

Рассеянная радиация летом в средних широтах составляет 40%, а зимой – 70% общего ее поступления, в тропических широтах она составляет около 30%, а в полярных – 70% общего потока лучистой энергии.

Прямая солнечная радиация и рассеянная в сумме дают так называемую суммарную радиацию . Для практических целей чаще всего требуются данные о полной сумме энергии, приходящей к земной поверхности, т.е. сумме суммарной радиации за какой-либо промежуток времени (сутки, месяц, год) на единицу площади, поэтому карты сумм суммарной радиации широко используются.

Максимум суммарной радиации приходится на тропические широты (180-200 ккал/см 2 в год), что связанно с малой облачностью, обуславливающей большую долю прямой радиации. Экваториальные широты получают меньше солнечной энергии, около 100-140 ккал/см 2 в год, в силу высокой облачности, несмотря на более высокий угол высоты Солнца над горизонтом; умеренные широты (55-65 с.ш.) получает 80 ккал/см 2 за год, а на широтах 70-80 с.ш. – получает 60 ккал/см 2 /год.

Приходящая к земной поверхности солнечная радиация частично поглощается (поглощенная радиация ), частично отражается (отраженная радиация ) в атмосферу и в межпланетное пространство. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо .

Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности. Отражательная способность зависит от характера поверхности (цвета, шероховатости) и от величины угла падения лучей. Абсолютно черное тело усваивает всю радиацию, а зеркальная поверхность отражает 100% лучей и не нагревается. Свежевыпавший снег отражает 80-90% радиации, чернозем – 5-18%, светлый песок 35-40%, лес – 10-20%, верхняя поверхность облаков – 50-60%.

С уменьшением высоты Солнца альбедо увеличивается, следовательно, в его суточном ходе наименьшее значение наблюдается в околополуденные часы. Годовой ход альбедо определяется изменением характера подстилающей поверхности по сезонам года. В умеренных и северных широтах обычно отмечается увеличение альбедо от теплой половины года к холодной.

Высокое альбедо снегов в Арктике и Антарктике обуславливает низкие летние температуры, несмотря на значительную величину солнечной инсоляции в летние месяцы при круглосуточно незаходящем Солнце. В основном солнечная радиация отражается облаками.

Альбедо влияет на температуры переходных периодов в умеренных широтах: в сентябре и марте Солнце находится на одной высоте, но мартовские лучи отражаются (и идут на таяние снега), поэтому март холоднее сентября.

Планетарное альбедо 35-%.

Поглощенная радиация затрачивается на испарение воды и нагревание подстилающей поверхности.

Земля, получая солнечную энергию, сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Энергия, излучаемая земной поверхностью называется земной радиацией .

Изучение земной поверхности происходит днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучаемого тепла в соответствии с законом Стефана-Больцмана: всякое тело теряет лучеиспусканием количество тепла пропорциональное 4 ой степени абсолютной температуры: (Ет=Т 4 кал/см 2 мин), где – постоянная Стефана-Больцмана.

Земное излучение выражается в тех же единицах, что и солнечное.

Каждый объем воздуха, как и атмосфера в целом, имея температуру, отличную от температуры абсолютного нуля, также излучает тепловую радиацию, это – атмосферная радиация , которая направлена в разные стороны. Часть ее, направленная к земной поверхности –встречное излучение .

Разность собственного излучения подстилающей поверхности и встречного излучения называют эффективным излучением земной поверхности (Е 2 =Е 5 -Еа).

Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности и воздуха, от влажности и стратификации приземного слоя атмосферы.

В общем, земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Эффективное излучение – фактические потери тепла излучением. Особенно велики эти потери в ясные ночи - ночное выхолаживание. Водные пары задерживают тепло. В горах эффективное излучение больше, чем на равнинах, его снижает растительный покров. Пустыни, арктические широты – окна потерь тепла излучением.

Поглощая земное излучение и посылая встречное к земной поверхности, атмосфера тем самым уменьшает охлаждение последней в ночное время. Днем же она мало препятствует нагреванию земной поверхности земной радиацией. Это влияние на тепловой режим земной поверхности носит название тепличного (оранжерейного) эффекта , и земная поверхность имеет среднюю температуру +17,3С вместо – 22С.

Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, уходящее в космос, называют уходящей радиацией (65%, из них земная поверхность теряет 10%, атмосфера 55%). Вместе с отраженной (35%) эта уходящая радиация компенсирует приток солнечной радиации к Земле.

Таким образом, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько получает, т.е. находится в состоянии лучистого (радиационного) равновесия.

В результате перераспределения тепла и холода преимущественно воздушными и водными течениями получаем значительное смягчение контрастов температур между экватором и полюсами: без влияния атмосферы и гидросферы на экваторе была бы среднегодовая температура +39 0 С (фактически +25,4), на полюсах -44 0 С (фактически на северном полюсе -23 0 , на южном -33 0).

12.6 Радиационный баланс (остаточная радиация) земной поверхности – это разность между приходом (суммарная радиация и встречное излучение) и расходом (альбедо и земное излучение) тепла.

R=Q (прямая) +D (рассеянная) +E (встречная) =C (отраженная)-U (земная)

Радиационный баланс (R) может быть положительным и отрицательным. Ночью везде отрицателен, переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным после восхода Солнца (когда угол падения лучей не превышает 10-15), от положительных к отрицательным – перед заходом Солнца при такой же высоте над горизонтом.

Днем R растет с увеличением высоты Солнца и убывает с уменьшением ее. В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, R равен эффективному излучению и потому мало меняется в течение ночи, если облачность не меняется.

Распределение R зонально, т.к. зональна суммарная радиация. Эффективное излучение распределяется более равномерно.

R земной поверхности за год положителен для всех мест Земли, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды, т.е. годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится теплее. Дело в том, что превышение поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух и почвогрунт путем теплопроводности и при фазовых превращениях воды (при испарении - конденсации).

Т.о., хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие , что выражается формулой теплового баланса : P=P+B+LE, где P - турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой, B – теплообмен между Землей и нижележащими слоями почвы и воды, L – удельная теплота парообразования, E – количество испарившейся влаги за год. Приток тепла к земной поверхности радиационным путем уравновешивается его отдаче другими способами.

R на широтах 60северной и южной широты составляет 20-30 ккал/см 2 , откуда к более высоким широтам уменьшается до –5,-10 ккал/см 2 на материке Антарктиды. К низким широтам возрастает: между 40северной широты 40южной широты годовые величины р.б. 60 ккал/см 2 , а между 20северной и южной широтами 100 ккал/см 2 . На океанах R больше, чем на суше в тех же широтах, т.к. океаны аккумулируют много тепла, а при большой теплоемкости вода нагревается до меньших значений, чем суша.

12.7 Температура воздуха. Воздух нагревается и охлаждается от поверхности суши и водоемов. Будучи плохим проводником тепла, он нагревается только в нижнем слое, непосредственно касающемся земной поверхности. Основным же путем передачи тепла вверх служит турбулентное перемешивание. Благодаря этому к нагретой поверхности подходят все новые и новые массы воздуха, нагреваются и поднимаются.

Так как источник тепла для воздуха – земная поверхность, то очевидно, что с высотой температура его убывает, амплитуда колебаний становится меньше, максимум и минимум в суточном ходе наступают позднее, чем на почве. Высота измерения температуры воздуха едина для всех стран – 2 м. Для специальных целей температура измеряется и на других высотах.

Другой источник нагревания и охлаждения воздуха – адиабатические процессы , когда температура воздушной массы повышается или понижается без притока тепла извне. При опускании воздуха из верхних слоев тропосферы в нижние газы уплотняются, и механическая энергия сжатия переходит в тепловую. Температура при этом повышается на 1С на 100 м высоты.

Охлаждение воздуха связанно с адиабатическим поднятием, при котором воздух поднимается и расширяется. Тепловая энергия и в этом случае превращается в кинетическую. На каждые 100 м подъема сухой воздух охлаждается на 1 0 С. Если адиабатические превращения происходят в сухом воздухе, процессы называют сухоадиабатическими. Но воздух обычно содержит водяные пары. Охлаждение влажного воздуха при поднятии сопровождается конденсацией влаги. Выделяющаяся при этом теплота уменьшает величину охлаждения в среднем до 0,6С на 100 м высоты (влажноадиабатический процесс). При подъеме воздуха преобладают влажноадиабатические процессы, при опускании – сухоадиабатические.

Другой способ охлаждения воздуха – непосредственная потеря тепла излучением . Это происходит в Арктике и Антарктиде, в пустынях по ночам, в умеренных широтах при безоблачном небе зимой и в ясные ночи летом.

Важным источником тепла для воздуха служит теплота конденсации, которая выделяется в атмосферу.

12.8 Тепловые пояса. Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса освещенности, нельзя считать границами тепловых (температурных) поясов. На распределение температуры, кроме фигуры и положения Земли, сказывается влияние ряда факторов: распределение суши и воды, теплые и холодные морские и воздушные течения. Поэтому за границы тепловых поясов принимают изотермы. Существует семь тепловых поясов:

жаркий расположен между годовыми изотермами 20С северного и южного полушарий;

два умеренных ограничены со стороны экватора годовой изотермой 20С, со стороны полюсов изотермой 10С самого теплого месяца. С этими изотермами совпадает граница распределения древесной растительности;

два холодных находятся между изотермами 10С и 0С самого теплого месяца;

два пояса мороза расположены у полюсов и ограничены изотермой 0С самого теплого месяца. В северном полушарии – это Гренландия и пространство Северного Ледовитого океана, в южном – область к югу от параллели 60 ю. ш.

Термические условия поясов нарушают горные страны. Вследствие уменьшения температуры с высотой в горах прослеживается вертикальная температурная и климатическая поясность.

Для определения температуры воздуха используют термометры (ртутные, спиртовые и др.), аспирационные психрометры, термографы.