Атмосфера — газовая оболочка планеты¶

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая небесное тело и удерживаемая его гравитацией. У Земли атмосфера представляет собой смесь газов, плотность которой убывает с высотой; нижняя её часть — тропосфера — содержит около 80 % массы всей оболочки и практически весь водяной пар. Атмосфера защищает поверхность от космического излучения, ультрафиолетового солнечного света и мелких метеоритов, а также участвует в переносе тепла и круговороте воды.

¶Состав воздуха

Сухой воздух Земли имеет относительно постоянный состав (в объёмных долях):

Доля водяного пара изменяется от 0 до 4 % и определяется температурой и влажностью. Состав воздуха в приземном слое подвержен локальным изменениям: в городах повышено содержание оксидов азота, серы и частиц, у побережий — солей и йода.

¶Слои атмосферы

По вертикальному распределению температуры атмосфера Земли делится на несколько слоёв:

• Тропосфера — нижний слой, высота 8–17 км (больше у экватора, меньше у полюсов). В нём формируется погода, содержится около 80 % массы воздуха и почти весь водяной пар. Температура с высотой падает примерно на 6,5 °C на километр.
• Стратосфера — от верхней границы тропосферы (тропопауза) до ~50 км. Температура с высотой растёт за счёт поглощения ультрафиолета озоновым слоем (максимум концентрации озона — на высоте 20–30 км). Здесь летают пассажирские самолёты.
• Мезосфера — до ~85 км. Температура снова падает, достигая минимума (до −90 °C) у мезопаузы. В этом слое сгорают большинство метеоров.
• Термосфера — до ~600 км. Температура резко растёт из-за поглощения коротковолнового излучения Солнца, но воздух настолько разрежён, что «жара» практически не ощущается. На высоте 100–300 км расположена ионосфера — слой ионизированных газов, отражающий радиоволны.
• Экзосфера — внешняя граница, постепенно переходящая в межпланетное пространство.

¶История изучения

Представления о воздухе как о смеси газов сложились в XVIII веке. В 1774 году Джозеф Пристли и Антуан Лавуазье независимо выделили кислород, а Лавуазье ввёл термин «азот». В 1755 году шотландец Джон Далтон сформулировал закон частичных давлений, объяснивший поведение смесей газов. Озоновый слой был открыт в 1913 году французским физиком Шарлем Фабри, а его разрушение хлорфторуглеродами было обнаружено в 1970-х годах Джеймсом Лавлоком и Мариной Молиной.

В России систематическое изучение атмосферы связано с именем Михаила Ломоносова, который в 1753 году создал первый в России метеорологический прибор — «машину для измерения высоты воздуха» (барометр-альтиметр) и высказал идею о происхождении атмосферы из газов, выделяемых при вулканической деятельности. В XX веке важную роль в изучении верхних слоёв сыграли советские учёные: Сергей Чаплыгин, Яков Зельдович, а также разработчики ракетной техники, позволившие поднимать приборы на высоты свыше 100 км.

¶Физические свойства

Давление на уровне моря составляет около 101 325 Па (1 атм). С высотой давление убывает экспоненциально: на высоте 5,5 км оно примерно вдвое меньше, а на высоте 20 км — в 50 раз меньше. Плотность воздуха при нормальных условиях — 1,225 кг/м³. Атмосфера преломляет солнечный свет, что вызывает рассветные и закатные краски неба, а также образование радуги и гало.

¶Роль в жизни Земли

Атмосфера удерживает тепло парниковыми газами (CO₂, водяной пар, метан), поддерживая среднюю температуру поверхности около +15 °C вместо −18 °C без них. Круговорот воды, перенос тепла от экватора к полюсам, защита от ультрафиолета озоновым слоем — все эти процессы протекают в атмосфере. Изменение её состава в результате деятельности человека (рост концентрации CO₂ с ~280 ppm в доиндустриальную эпоху до ~420 ppm в 2020-х годах) приводит к глобальному потеплению.

¶Атмосферы других планет

• Венера — плотная CO₂-атмосфера с облаками серной кислоты, давление у поверхности ~92 атм.
• Марс — разреженная CO₂-атмосфера, давление ~0,6 % земного.
• Юпитер и Сатурн — водородно-гелиевые атмосферы без твёрдой поверхности.
• Титан — плотная азотно-метановая атмосфера, давление ~1,5 атм.
• Меркурий — практически отсутствует, представлена экзосферой из атомов, выбитых с поверхности солнечным ветром.

Источники:

• «Физика атмосферы» — учебник под ред. А. С. Монина
• «Атмосферная физика» — Дж. Уоллес, П. Хоббс
• «Озоновый слой и изменение климата» — М. И. Будыко
• Энциклопедия «Британника», раздел «Atmosphere»
• Всемирная метеорологическая организация (WMO), материалы по структуре атмосферы