Атмосфера Земли - Atmosphere of Earth

Фотография НАСА, показывающая атмосферу Земли на закате с силуэтом Земли
Синий свет рассеивается больше, чем другие длины волн газами в атмосфере, окружая Землю видимым голубым слоем, если смотреть из космоса на борту МКС на высоте 335 км (208 миль).
Молекулярный состав атмосферы Земли без учета водяного пара. Нижняя диаграмма представляет собой следовые газы, которые вместе составляют около 0,0434% атмосферы (0,0442% при концентрациях в августе 2021 года). Цифры в основном от 2000 г., с CO
2
и метан с 2019 года и не представляют собой какого-либо единственного источника.

Атмосфера Земли , широко известный как воздух , является слой газов , удерживаемых земного притяжения , которая окружает планету и образует ее планетарную атмосферу . Атмосфера Земли защищает жизнь на Земле путем создания давления , позволяя для жидкой воды существовать на земной поверхности , поглощающие ультрафиолетовое солнечное излучение , нагревая поверхность путем удержания тепла ( парниковый эффект ), а также снижение перепады температур между днем и ночьюдневной температурой вариация ).

По мольной доле (т.е. количеству молекул) сухой воздух содержит 78,08% азота , 20,95% кислорода , 0,93% аргона , 0,04% диоксида углерода и небольшое количество других газов. 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 с высотой. В атмосфере воздух подходит для использования в процессе фотосинтеза с помощью наземных растений и дыхания из наземных животных встречаются только в земной тропосфере .

Ранняя атмосфера Земли состояла из газов солнечной туманности , в основном из водорода. Атмосфера со временем значительно изменилась под влиянием многих факторов, таких как вулканизм , жизнь и выветривание . В последнее время деятельность человека также способствовала атмосферным изменениям , таким как глобальное потепление , истощение озонового слоя и кислотные осаждения .

Атмосфера имеет массу около 5,15 × 10 18  кг, три четверти которой находятся в пределах 11 км от поверхности. Атмосфера становится тоньше с увеличением высоты, без определенной границы между атмосферой и космическим пространством . Линия Кармана , расположенная на расстоянии 100 км (62 мили) или 1,57% радиуса Земли, часто используется как граница между атмосферой и космическим пространством. Атмосферные эффекты становятся заметными при входе в атмосферу космического корабля на высоте около 120 км (75 миль). В атмосфере можно выделить несколько слоев на основе таких характеристик, как температура и состав.

Изучение атмосферы Земли и ее процессов называется атмосферной наукой (аэрологией) и включает в себя множество подполей, таких как климатология и физика атмосферы . Первыми пионерами в этой области были Леон Тейссерен де Борт и Ричард Ассманн . Изучение исторической атмосферы называется палеоклиматологией .

Состав

Средний атмосферный водяной пар

Три основных компонента атмосферы Земли - это азот , кислород и аргон . Водяной пар составляет примерно 0,25% атмосферы по массе. Концентрация водяного пара (парниковый газ) значительно варьируется от примерно 10 частей на миллион по мольной доле в самых холодных частях атмосферы до целых 5% мольной доли в горячих влажных воздушных массах, а концентрации других атмосферных газов обычно составляют указано в пересчете на сухой воздух (без водяного пара). Остальные газы часто называют следовыми газами, среди которых другие парниковые газы , в основном двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Помимо уже упомянутого аргона, присутствуют также другие благородные газы , неон, гелий, криптон и ксенон. Фильтрованный воздух содержит следы многих других химических соединений . Многие вещества природного происхождения могут присутствовать в небольших количествах в зависимости от местности и сезона 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, таких как хлор (элементарный или в виде соединений), 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.

Основные компоненты сухого воздуха, по мольным долям
Газ Молярная доля (А)
Имя Формула в миллионных долях (B) в %
Азот 2 780 840 78,084
Кислород O 2 209 460 20,946
Аргон Ar 9,340 0,9340
Двуокись углерода
(август 2021 г.) (C)
CO
2
416 0,0416
Неон Ne 18,18 0,001818
Гелий Он 5,24 0,000524
Метан CH 4 1,87 0,000187
Криптон Kr 1.14 0,000114
Не входит в указанную выше сухую атмосферу:
Водяной пар (D) H 2 O 0–30 000 (D) 0–3% (E)
Примечания:

(A) Мольную долю иногда называют объемной долей ; они идентичны только для идеального газа.
(B) ppm: частей на миллион по молекулярному счету
(C) Концентрация CO
2
было увеличение в последних десятилетиях
(D) водяной пар составляет около 0,25% по массе более чем полна атмосфера
(E) водяной пар значительно изменяется локально

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

Относительная концентрация газов остается постоянной примерно до 10 000 м (33 000 футов).

Зависимость мольной доли основных составляющих атмосферы Земли от высоты согласно атмосферной модели MSIS-E-90.

Стратификация

Атмосфера Земли Нижние 4 слоя атмосферы в 3-х измерениях, если смотреть по диагонали сверху экзобазы. Слои нарисованы в масштабе, объекты внутри слоев не масштабируются. Полярные сияния, показанные здесь на дне термосферы, могут фактически формироваться на любой высоте в этом слое атмосферы.

Как правило, давление и плотность воздуха снижаются с высотой в атмосфере. Однако температура имеет более сложный профиль с высотой и может оставаться относительно постоянной или даже увеличиваться с высотой в некоторых регионах (см. Раздел температуры ниже). Поскольку общая картина профиля температуры / высоты или градиента постоянна и измеряется с помощью инструментальных зондирований с аэростата , поведение температуры обеспечивает полезную метрику для различения слоев атмосферы. Таким образом, атмосфера Земли может быть разделена (так называемая атмосферная стратификация) на пять основных слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Высота пяти слоев следующие:

  • Экзосфера: от 700 до 10 000 км (от 440 до 6200 миль)
  • Термосфера: от 80 до 700 км (от 50 до 440 миль)
  • Мезосфера: от 50 до 80 км (от 31 до 50 миль)
  • Стратосфера: от 12 до 50 км (от 7 до 31 мили)
  • Тропосфера: от 0 до 12 км (от 0 до 7 миль)

Экзосфера

Экзосфера - это самый внешний слой атмосферы Земли (то есть верхний предел атмосферы). Он простирается от термопаузы в верхней части термосферы на высоте примерно 700 км над уровнем моря до примерно 10 000 км (6 200 миль; 33 000 000 футов), где он сливается с солнечным ветром .

Этот слой в основном состоит из чрезвычайно низких плотностей водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ, ближе к экзобазе. Атомы и молекулы настолько удалены друг от друга, что могут преодолевать сотни километров, не сталкиваясь друг с другом. Таким образом, экзосфера больше не ведет себя как газ, и частицы постоянно убегают в космос. Эти свободно движущиеся частицы следуют по баллистическим траекториям и могут мигрировать в магнитосферу или солнечный ветер и из них.

Экзосфера находится слишком далеко над Землей, чтобы метеорологические явления были возможны. Однако полярные сияния Земли - полярное сияние (северное сияние) и аврора австралис (южное сияние) - иногда возникают в нижней части экзосферы, где они накладываются на термосферу. Экзосфера содержит множество искусственных спутников , вращающихся вокруг Земли.

Термосфера

Термосфера - второй по высоте слой атмосферы Земли. Он простирается от мезопаузы (которая отделяет ее 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 изменений солнечной активности. 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 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. Хотя в термосфере большое количество молекул с высокой энергией, она не будет ощущаться горячей для человека при прямом контакте, потому что ее плотность слишком мала, чтобы проводить значительное количество энергии к коже или от нее.

Этот слой совершенно безоблачный и не содержит водяного пара. Однако в термосфере иногда наблюдаются негидрометеорологические явления, такие как северное сияние и аврора австралис . В Международной космической станции орбиты в этом слое, между 350 и 420 км (220 и 260 миль). Именно в этом слое находятся многие из спутников, вращающихся вокруг Земли.

Мезосфера

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.

Температура падает с увеличением высоты до мезопаузы, которая отмечает верхнюю часть этого среднего слоя атмосферы. Это самое холодное место на Земле со средней температурой около -85  ° C (-120  ° F ; 190  K ).

Прямо под мезопаузой воздух настолько холодный, что даже очень скудный водяной пар на этой высоте может сублимироваться в полярно-мезосферные серебристые облака . Это самые высокие облака в атмосфере, и их можно увидеть невооруженным глазом, если солнечный свет отражается от них примерно через час или два после захода солнца или аналогично до восхода солнца. Лучше всего они видны, когда Солнце находится на 4-16 градусах ниже горизонта. Вызванные молнией разряды, известные как кратковременные световые явления (TLE), иногда образуются в мезосфере над тропосферными грозовыми облаками . Мезосфера также является слоем, где сгорает большинство метеоров при входе в атмосферу. Он слишком высоко над Землей, чтобы быть доступным для реактивных самолетов и воздушных шаров, и слишком низко, чтобы позволить орбитальные космические корабли. Доступ к мезосфере осуществляется в основном с помощью зондирующих ракет и самолетов с ракетными двигателями .

Стратосфера

Стратосфера - это второй самый низкий слой атмосферы Земли. Он расположен над тропосферой и отделен 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 , который является частью атмосферы Земли, которая содержит относительно высокие концентрации этого газа. Стратосфера определяет слой, в котором температура повышается с увеличением высоты. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца озоновым слоем, что ограничивает турбулентность и перемешивание. Хотя температура в тропопаузе может составлять -60 ° C (-76 ° F; 210 K), верхняя часть стратосферы намного теплее и может быть около 0 ° C.

Профиль температуры в стратосфере создает очень стабильные атмосферные условия, поэтому в стратосфере отсутствует вызывающая погодные условия турбулентность воздуха, которая так характерна для тропосферы. Следовательно, стратосфера почти полностью свободна от облаков и других погодных условий. Однако полярные стратосферные или перламутровые облака иногда видны в нижней части этого слоя атмосферы, где воздух наиболее холодный. Стратосфера - это самый высокий уровень, доступный для самолетов с реактивными двигателями .

Тропосфера

Тропосфера - это самый нижний слой атмосферы Земли. Он простирается от поверхности Земли до средней высоты около 12 км (7,5 миль; 39000 футов), хотя эта высота варьируется от примерно 9 км (5,6 миль; 30000 футов) на географических полюсах до 17 км (11 миль; 56000 футов). на экваторе , с некоторыми вариациями из-за погоды. Сверху тропосфера ограничена тропопаузой , границей, отмеченной в большинстве мест температурной инверсией (т. Е. Слоем относительно теплого воздуха над более холодным), а в других - зоной, изотермической по высоте.

Хотя колебания действительно происходят, температура обычно снижается с увеличением высоты в тропосфере, потому что 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 название этого слова от греческого слова τρόπος, тропос , что означает «поворот»). Тропосфера содержит примерно 80% массы атмосферы Земли. Тропосфера более плотная, чем все ее вышележащие слои, 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 миль; 18 000 футов) тропосферы.

Практически весь атмосферный водяной пар или влага находится в тропосфере, поэтому именно в этом слое происходит большая часть погоды на Земле. Он имеет в основном все связанные с погодой типы облаков, порожденные активной циркуляцией ветра, хотя очень высокие кучево-дождевые грозовые облака могут проникать через тропопаузу снизу и подниматься в нижнюю часть стратосферы. Наиболее обычная авиационная деятельность происходит в тропосфере, и это единственный слой, к которому могут получить доступ винтовые самолеты .

Космический корабль " Индевор" на орбите в термосфере. Из-за угла наклона фотографии кажется, что она охватывает стратосферу и мезосферу, которые на самом деле лежат более чем на 250 км (160 миль) ниже. Оранжевый слой - это тропосфера , которая уступает место беловатой стратосфере, а затем голубой мезосфере .

Другие слои

В пяти основных вышеупомянутых слоях, которые в значительной степени определяются температурой, несколько вторичных слоев могут отличаться другими свойствами:

  • Озоновый слой содержится в стратосфере. В этом слое концентрация озона составляет от 2 до 8 частей на миллион, что намного выше, чем в нижних слоях атмосферы, но все же очень мало по сравнению с основными компонентами атмосферы. Он в основном расположен в нижней части стратосферы на расстоянии примерно 15–35 км (9,3–21,7 миль; 49 000–115 000 футов), хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географического положения. Около 90% озона в атмосфере Земли содержится в стратосфере.
  • Ионосфера представляет собой область атмосферы , которая ионизируется солнечным излучением. Он отвечает за полярные сияния . В дневное время она простирается от 50 до 1000 км (от 31 до 621 мили; от 160 000 до 3 280000 футов) и включает в себя мезосферу, термосферу и части экзосферы. Однако ионизация в мезосфере в основном прекращается в ночное время, поэтому полярные сияния обычно наблюдаются только в термосфере и нижней экзосфере. Ионосфера образует внутренний край магнитосферы . Это имеет практическое значение, поскольку влияет, например, на распространение радиоволн на Земле.
  • Гомосфера и гетеросфера определяются тем, хорошо ли перемешаны атмосферные газы. Гомосфера на поверхности включает тропосферу, стратосферу, мезосферу и нижнюю часть термосферы, где химический состав атмосферы не зависит от молекулярной массы, поскольку газы перемешиваются турбулентностью. Этот относительно однородный слой заканчивается турбопаузой, находящейся примерно в 100 км (62 миль; 330 000 футов), на самом краю самого пространства , как принято FAI , которое помещает его примерно в 20 км (12 миль; 66 000 футов) над мезопаузой.
Выше этой высоты находится 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 перемешивание. Это позволяет газам расслаиваться по молекулярной массе, причем более тяжелые, такие как кислород и азот, присутствуют только в нижней части гетеросферы. Верхняя часть гетеросферы почти полностью состоит из водорода, самого легкого элемента.
  • Планетарный пограничный слой является частью тропосферы , которая находится ближе всего к поверхности Земли и непосредственно пострадавших от него, в основном за счет турбулентной диффузии . Днем планетарный пограничный слой обычно хорошо перемешан, а ночью он становится стабильно стратифицированным со слабым или прерывистым перемешиванием. Глубина планетарного пограничного слоя колеблется от всего лишь примерно 100 метров (330 футов) в ясные безветренные ночи до 3000 м (9800 футов) или более днем ​​в засушливых регионах.

Средняя температура атмосферы у поверхности Земли составляет 14 ° C (57 ° F, 287 K) или 15 ° C (59 ° F, 288 K), в зависимости от справки.

Физические свойства

Сравнение графика геометрической высоты по стандарту атмосферы США 1962 года в зависимости от плотности воздуха , давления , скорости звука и температуры с приблизительными высотами различных объектов.

Давление и толщина

Среднее атмосферное давление на уровне моря определено Международной стандартной атмосферой как 101325 паскалей (760,00  торр ; 14,6959  фунтов на квадратный дюйм ; 760,00  мм рт . Ст. ). Иногда это называется единицей стандартных атмосфер (атм) . Общая масса атмосферы составляет 5,1480 × 10 18 кг (1,135 × 10 19 фунтов), что примерно на 2,5% меньше, чем можно было бы вывести из среднего давления на уровне моря и площади Земли в 51007,2 мегагектара, причем эта часть смещена гористой местностью Земли. Атмосферное давление - это общий вес воздуха над единицей площади в точке измерения давления. Таким образом, давление воздуха зависит 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 бы резко закончилась на высоте 8,50 км (27 900 футов). На самом деле она уменьшается экспоненциально с высотой, уменьшаясь вдвое каждые 5,6 км (18000 футов) или в 1 / e каждые 7,64 км (25100 футов), средняя высота атмосферы ниже 70 км (43 мили; 230000 футов). . Однако атмосфера более точно моделируется с помощью индивидуального уравнения для каждого слоя, которое учитывает градиенты температуры, молекулярного состава, солнечного излучения и силы тяжести.

Таким образом, масса атмосферы Земли распределяется примерно следующим образом:

  • 50% ниже 5,6 км (18 000 футов).
  • 90% - ниже 16 км (52000 футов).
  • 99,99997% находится ниже 100 км (62 миль; 330 000 футов), линия Карман . По международному соглашению, это начало космоса, в котором путешественники-люди считаются космонавтами .

Для сравнения, вершина горы Эверест находится на высоте 8 848 м (29 029 футов); коммерческие авиалайнеры обычно курсируют на расстояние от 10 до 13 км (от 33 000 до 43 000 футов), где более разреженный воздух улучшает экономию топлива; метеозонды достигают 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 . В этой области начинают светиться метеоры , хотя более крупные из них могут не гореть, пока не проникнут глубже. Различные слои ионосферы Земли , важные для распространения КВ радиоволн, начинаются ниже 100 км и простираются за пределы 500 км. Для сравнения: Международная космическая станция и космический шаттл обычно вращаются на высоте 350–400 км в F-слое ионосферы, где они сталкиваются с достаточным сопротивлением атмосферы, чтобы требовать перезагрузки каждые несколько месяцев, в противном случае произойдет затухание 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

Температурные тенденции в двух толстых слоях атмосферы, измеренные в период с января 1979 года по декабрь 2005 года с помощью устройств микроволнового зондирования и усовершенствованных устройств микроволнового зондирования на метеорологических спутниках NOAA . Приборы регистрируют микроволны, излучаемые молекулами кислорода в атмосфере. Источник:

Разделение атмосферы на слои в основном по температуре обсуждалось выше. Температура уменьшается с высотой, начиная с уровня моря, но изменения в этой тенденции начинаются выше 11 км, где температура стабилизируется на большом вертикальном расстоянии через остальную часть тропосферы. В стратосфере , начиная с высоты примерно 20 км, температура увеличивается с высотой из-за нагрева озонового слоя, вызванного захватом значительного ультрафиолетового излучения Солнца кислородом и газом озоном в этой области. Еще одна область повышения температуры с высотой происходит на очень больших высотах, в хорошо 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 форму сложного температурного профиля (см. Иллюстрацию справа), и не отражает высотные изменения плотности или давления.

Плотность и масса

Температура и массовая плотность в зависимости от высоты из стандартной модели атмосферы NRLMSISE-00 (восемь пунктирных линий в каждой «декаде» находятся на восьми кубах 8, 27, 64, ..., 729)

Плотность воздуха на уровне моря составляет 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 (форма закона идеального газа ). Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это изменение можно приблизительно смоделировать с помощью барометрической формулы . Для предсказания орбитального распада спутников используются более сложные модели.

Средняя масса атмосферы составляет около 5 квадриллионов (5 × 10 15 ) тонн или 1 / 1,200,000 массы Земли. По данным Американского национального центра атмосферных исследований , «общая средняя масса атмосферы составляет 5,1480 × 10 18  кг с годовым диапазоном, обусловленным водяным паром, равным 1,2 или 1,5 × 10 15  кг, в зависимости от давления на поверхности или данных водяного пара. используются; несколько меньше, чем предыдущая оценка. Средняя масса водяного пара оценивается как 1,27 × 10 16  кг, а масса сухого воздуха как 5,1352 ± 0,0003 × 10 18  кг ».

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, недоступных для людей. Часть входящего и испускаемого излучения поглощается или отражается атмосферой. В мае 2017 года было обнаружено, что мерцающие блики от орбитального спутника, находящегося на расстоянии в миллион миль, являются отраженным светом от кристаллов льда в атмосфере.

Рассеяние

Когда свет проходит через атмосферу Земли, фотоны взаимодействуют с ней посредством рассеяния . Если свет не взаимодействует с атмосферой, это называется прямым излучением, и это то, что вы увидите, если посмотрите прямо на Солнце. Косвенное излучение - это свет, рассеянный в атмосфере. Например, в пасмурный день, когда вы не видите свою тень, нет прямого излучения, достигающего вас, оно все рассеяно. В качестве другого примера, из-за явления, называемого рэлеевским рассеянием , более короткие (синие) волны рассеиваются легче, чем более длинные (красные) волны. Вот почему небо кажется голубым; вы видите рассеянный синий свет. Вот почему закаты красные. Поскольку Солнце находится близко к горизонту, солнечные лучи проходят больше атмосферы, чем обычно, прежде чем попадут в ваш глаз. Большая часть синего света была рассеяна, оставив красный свет на закате.

Абсорбция

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

Разные молекулы поглощают разные длины волн излучения. Например, O 2 и O 3 поглощают почти все излучение с длинами волн короче 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 обсуждается ниже.

Комбинированные спектры поглощения газов в атмосфере оставляют «окна» низкой непрозрачности , позволяя пропускать только определенные полосы света. В оптическое окно проходит от около 300 нм ( ультрафиолетовый -C) до в диапазон люди могут видеть, видимый спектр (обычно называемый свет), при примерно 400-700 нм и продолжается до инфракрасного до приблизительно 1100 нм. Есть также инфракрасные и радио окна, которые пропускают инфракрасные и радиоволны на более длинных волнах. Например, радиоокно проходит от примерно одного сантиметра до примерно одиннадцатиметровой волны.

Эмиссия

Эмиссия противоположна поглощению, это когда объект испускает излучение. Объекты имеют тенденцию испускать количество и длины волн излучения в зависимости от их кривых излучения « черного тела », поэтому более горячие объекты, как правило, излучают больше излучения с более короткими длинами волн. Более холодные объекты излучают меньше излучения с более длинными волнами. Например, Солнце имеет температуру примерно 6000  К (5730  ° C ; 10340  ° F ), его излучение достигает максимума около 500 нм и видно человеческому глазу. Земля имеет температуру около 290 К (17 ° C; 62 ° F), поэтому ее излучение достигает максимума около 10 000 нм и слишком длинное, чтобы быть видимым для людей.

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 источниками инфракрасного излучения. Вот почему ночью на возвышенностях становится холоднее.

Парниковый эффект непосредственно связан с этим поглощением и испусканием эффекта. Некоторые газы в атмосфере поглощают и излучают инфракрасное излучение, но не взаимодействуют с солнечным светом в видимом спектре. Распространенными примерами этого являются CO
2
и H 2 O.

Показатель преломления

Искажающее влияние атмосферной рефракции на форму солнца на горизонте.

Показатель преломления воздуха близок к, но как раз больше , чем 1. Систематические изменения показателя преломления может привести к изгибу световых лучей на больших оптических путей. Одним из примеров является то, что при некоторых обстоятельствах наблюдатели на борту кораблей могут видеть другие суда прямо над горизонтом, потому что свет преломляется в том же направлении, что и кривизна поверхности Земли.

Показатель преломления воздуха зависит от температуры, что приводит к возникновению эффектов преломления при большом градиенте температуры. Пример таких эффектов - мираж .

Тираж

Идеализированный вид трех пар больших циркуляционных ячеек.

Атмосферная циркуляция - это крупномасштабное движение воздуха через тропосферу и средство (с циркуляцией океана ), с помощью которого тепло распространяется вокруг Земли. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная структура остается довольно постоянной, поскольку она определяется скоростью вращения Земли и разницей в солнечной радиации между экватором и полюсами.

Эволюция атмосферы Земли

Самая ранняя атмосфера

Первая атмосфера состояла из газов в солнечной туманности , в первую очередь водорода . Вероятно, это были простые гидриды, такие как те, что сейчас обнаруживаются у газовых гигантов ( Юпитер и Сатурн ), особенно водяной пар, метан и аммиак .

Вторая атмосфера

Газовыделение из вулканизма , дополненные газов , образующихся во время поздней тяжелой бомбардировки Земли с помощью огромных астероидов , произвел следующую атмосферу, состоящую в основном из азота плюс двуокиси углерода и инертных газов. Большая часть выбросов углекислого газа растворяется в воде и вступает в реакцию с металлами, такими как кальций и магний, во время выветривания горных пород земной коры с образованием карбонатов, которые откладываются в виде отложений. Отложения, связанные с водой, были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад.

Примерно 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основную часть тогда стабильной «второй атмосферы». Влияние жизни должно быть принято во внимание довольно скоро в истории атмосферы, потому что намеки на ранние формы жизни появились уже 3,5 миллиарда лет назад. Как Земля в то время поддерживала климат, достаточно теплый для жидкой воды и жизни, если раннее Солнце излучало солнечное сияние на 30% меньше, чем сегодня, - это загадка, известная как « парадокс слабого молодого Солнца ».

Однако геологическая летопись показывает непрерывную относительно теплую поверхность во время полной ранней записи температуры Земли - за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В поздний архейский эон начала формироваться кислородсодержащая атмосфера, по-видимому, создаваемая фотосинтезирующими цианобактериями (см. Великое событие оксигенации ), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода ( пропорции изотопного отношения ) убедительно свидетельствует об условиях, аналогичных нынешним, и о том, что фундаментальные особенности углеродного цикла установились 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 экскурсией изотопов углерода Ломагунди.

Третья атмосфера

Содержание кислорода в атмосфере за последний миллиард лет

Постоянное перераспределение континентов в результате тектоники плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы за счет переноса углекислого газа в крупные континентальные хранилища карбонатов и из них. Свободный кислород не существовал в атмосфере примерно 2,4 миллиарда лет назад во время Великого события оксигенации, и на его появление указывает конец полосчатых железных образований .

Раньше любой кислород, производимый фотосинтезом, потреблялся при окислении восстановленных материалов, особенно железа. Молекулы свободного кислорода не начинали накапливаться в атмосфере до тех пор, пока скорость производства кислорода не стала превышать доступность восстановительных материалов , удаляющих кислород. Этот момент означает переход от восстановительной атмосферы к окислительной атмосфере. O 2 демонстрировал большие колебания, пока к концу докембрия не достиг устойчивого состояния более 15%. Следующий промежуток времени с 541 миллиона лет назад до наших дней - это фанерозойский эон, в самый ранний период которого начали появляться кембрийские , нуждающиеся в кислороде многоклеточные формы жизни.

Количество кислорода в атмосфере колебалось в течение последних 600 миллионов лет, достигнув пика около 30% около 280 миллионов лет назад, что значительно превышает сегодняшние 21%. Два основных процесса управляют изменениями в атмосфере: растения используют углекислый газ из атмосферы и выделяют кислород, а затем растения используют немного кислорода ночью в процессе фотодыхания, в то время как оставшийся кислород используется для разложения органического материала. При разложении пирита и извержений вулканов в атмосферу выделяется сера , которая вступает в реакцию с кислородом и, следовательно, уменьшает ее количество в атмосфере. Однако извержения вулканов также выделяют углекислый газ, который растения могут преобразовывать в кислород. Причина изменения количества кислорода в атмосфере неизвестна. Периоды с высоким содержанием кислорода в атмосфере связаны с быстрым развитием животных, потому что кислород - это молекула с высокой энергией, необходимая для питания всех сложных форм жизни. Сегодняшняя атмосфера содержит 21% кислорода, чего достаточно для быстрого развития животных.

Загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха - это попадание в атмосферу химикатов , твердых частиц или биологических материалов, которые причиняют вред или дискомфорт организмам. Истощение стратосферного озона вызывается загрязнением воздуха, главным образом хлорфторуглеродами и другими озоноразрушающими веществами.

Научный консенсус в том , что антропогенные парниковые газы в настоящее время накапливающиеся в атмосфере являются основной причиной изменения климата .

Анимация показывает накопление тропосферного CO.
2
в Северном полушарии с максимумом около мая. Максимум вегетационного цикла приходится на конец лета. После пика роста растительности сокращение выбросов CO в атмосфере
2
за счет фотосинтеза, особенно над бореальными лесами .

Изображения из космоса

19 октября 2015 года НАСА открыло веб-сайт https://epic.gsfc.nasa.gov/, содержащий ежедневные изображения полностью освещенной солнечной стороны Земли . Изображения взяты из Обсерватории глубокого космоса (DSCOVR) и показывают вращение Земли в течение дня.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки