Атмосфера Земли¶

Атмосфера Земли — газовая оболочка, окружающая планету Земля и удерживаемая гравитацией. Она участвует в суточном вращении планеты, защищает поверхность от космического излучения и падающих метеорных тел, а также формирует климат и погоду. Химический состав, плотность и температура атмосферы изменяются с высотой, что позволяет разделить её на несколько слоёв.

¶Состав и строение

Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли состоит преимущественно из азота (около 78,08 % по объёму) и кислорода (около 20,95 %). На долю аргона приходится примерно 0,93 %, на углекислый газ — около 0,04 % (содержание растёт вследствие антропогенных выбросов). Остальные газы (неон, гелий, метан, криптон, водород, озон и другие) присутствуют в микроколичествах. Важной переменной составляющей является водяной пар, концентрация которого колеблется от долей процента в полярных регионах до 3–4 % во влажных тропиках.

Общая масса атмосферы оценивается примерно в 5,15×10¹⁵ тонн. Около 50 % массы сосредоточено в нижних 5,5 км и 99 % — в нижних 30 км.

По изменению температуры с высотой атмосферу разделяют на пять основных слоёв:

• Тропосфера — нижний слой толщиной 8–18 км (больше у экватора, меньше у полюсов). Здесь сосредоточено около 80 % массы атмосферы и почти весь водяной пар. Температура падает с высотой в среднем на 6,5 °C на километр. В тропосфере формируются облака, осадки и происходит большинство погодных явлений.
• Стратосфера — простирается от тропопаузы до высоты около 50 км. В нижней части температура почти постоянна, затем растёт, достигая около 0 °C на верхней границе. Рост температуры связан с поглощением ультрафиолетового излучения озоновым слоем, расположенным на высотах 15–35 км. В стратосфере почти нет водяного пара и облаков, воздух разрежен.
• Мезосфера — занимает высоты от 50 до 85–90 км. Температура здесь снова падает, достигая минимума около −90 °C на мезопаузе — самого холодного места атмосферы. В мезосфере сгорает большинство метеоров, наблюдаемых как «падающие звёзды».
• Термосфера — от мезопаузы до высоты около 600–800 км. Температура растёт с высотой до 1000–2000 °C, однако из-за крайней разреженности газа понятие температуры здесь условно. Под действием солнечного излучения происходит ионизация атомов, что обеспечивает распространение радиоволн.
• Экзосфера — внешний слой, переход к космическому пространству. Здесь лёгкие атомы водорода и гелия, преодолевая гравитацию, могут покидать планету (гравитационный захват и диссипация).

Также выделяют промежуточные слои — тропопаузу, стратопаузу и мезопаузу, а по характеру перемешивания воздуха — гомосферу (до высоты около 100 км, однородный состав) и гетеросферу (выше, состав разделяется по молекулярной массе).

¶История формирования

Первичная атмосфера Земли, образовавшаяся около 4,5 млрд лет назад из газов, выделявшихся при аккреции и вулканической деятельности, состояла преимущественно из водорода, гелия, метана, аммиака и водяного пара. Она была утрачена из-за солнечного ветра и высокой температуры.

Вторичная атмосфера возникла в результате интенсивной вулканической дегазации и содержала в основном углекислый газ, азот, водяной пар и сернистые соединения. По мере охлаждения планеты водяной пар конденсировался и формировал океаны, а углекислый газ растворялся в воде и связывался в карбонатных породах.

Около 2,4 млрд лет назад началась «кислородная катастрофа»: цианобактерии в ходе фотосинтеза стали выделять свободный кислород. Его накопление привело к окислению железа в океанах, а затем и к насыщению атмосферы. Примерно 600–400 млн лет назад содержание кислорода достигло уровня, близкого к современному. Формирование озонового экрана позволило жизни выйти на сушу.

¶Физические свойства

Атмосферное давление у поверхности составляет в среднем 1013,25 гектопаскаля (760 мм ртутного столба) на уровне моря. С высотой давление убывает приблизительно экспоненциально: на высоте 5,5 км оно вдвое меньше, на высоте 11 км — примерно вчетверо меньше.

Плотность воздуха у поверхности около 1,225 кг/м³ при 15 °C. Она также убывает с высотой. Скорость звука в нижней атмосфере составляет около 340 м/с и зависит от температуры.

¶Электрические и оптические явления

В атмосфере возникают разнообразные явления: молнии (электрические разряды), полярные сияния (свечение верхних слоёв при взаимодействии с заряженными частицами солнечного ветра), гало, радуги, миражи. Через атмосферу проходит видимый свет, а также радиоволны, часть инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Ионосфера — область термосферы с высокой концентрацией ионов — отражает короткие радиоволны, обеспечивая дальнюю радиосвязь.

¶Роль в климате и жизни

Атмосфера — ключевой элемент климатической системы. Парниковые газы (водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота) задерживают тепловое излучение поверхности, поддерживая среднюю температуру у земли около +15 °C; без них она была бы примерно −18 °C. Атмосферная циркуляция переносит тепло от экватора к полюсам, формируя ветры, течения и распределение осадков.

Атмосфера защищает живые организмы от жёсткого ультрафиолетового излучения (озоновый слой) и от метеоритной бомбардировки. Кислород необходим для дыхания большинства организмов, углекислый газ — для фотосинтеза растений.

¶Загрязнение и охрана

Антропогенная деятельность влияет на состав атмосферы: сжигание ископаемого топлива увеличивает концентрацию углекислого газа и аэрозолей, промышленность выбрасывает оксиды серы и азота, вызывающие кислотные дожди. Истощение озонового слоя, вызванное хлорфторуглеродами, привело к принятию Монреальского протокола 1987 года, после чего озоновый слой постепенно восстанавливается. Выбросы парниковых газов являются основной причиной современного глобального потепления. Международные соглашения, в частности Парижское соглашение 2015 года, направлены на ограничение этих выбросов.

¶Исследование атмосферы

Изучение атмосферы ведётся с помощью метеорологических станций, радиозондов, метеорологических ракет, спутников и геофизических обсерваторий. Первые измерения температуры с высотой были выполнены в конце XIX века. В XX веке развитие ракетной техники позволило исследовать верхние слои атмосферы и её границу с космосом. Современные спутниковые системы обеспечивают непрерывный мониторинг состава, температуры, облачности и движения воздушных масс.