Атмосферное давление на планетах солнечной системы. Планеты солнечной системы

Атмосфера – это газовая оболочка планеты, движущаяся вместе с планетой в мировом пространстве как единое целое. Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь. В атмосферах планет есть аэрозольные частицы: твёрдые пылинки, поднятые с твёрдой поверхности планеты, жидкие либо твёрдые частицы, возникшие в результате конденсации атмосферных газов, метеорная пыль. Рассмотрим подробно состав и особенности атмосфер планет Солнечной системы.

Меркурий. На этой планете имеются следы атмосферы: зафиксированы гелий, аргон, кислород, углерод и ксенон. Давление атмосферы на поверхности Меркурия чрезвычайно мало: составляет двухтриллионную долю от нормального земного атмосферного давления. При такой разреженности атмосферы в ней невозможно образование ветров и облаков, она не защищает планету от жара Солнца и космических излучений.

Венера. В 1761 году Михаил Ломоносов, наблюдая прохождение Венеры по диску Солнца, заметил тоненький радужный ободочек, окружавший планету. Так была открыта атмосфера Венеры. Эта атмосфера исключительно мощная: давление у поверхности оказалось в 90 раз больше, чем у поверхности Земли. Атмосфера Венеры на 96,5 % состоит из углекислого газа. Не более 3 % приходится на долю азота. Кроме того, обнаружены примеси инертных газов (в первую очередь, аргона). Парниковый эффект в атмосфере Венеры поднимает температуру на 400 градусов!

Небо на Венере имеет яркий жёлто-зеленый оттенок. Туманная дымка простирается до высоты около 50 км. Далее до высоты 70 км идут облака из мелких капель серной кислоты. Считается, что она образуется из диоксида серы, источником которого могут быть вулканы. Скорость вращения на уровне верхней границы облаков иная, чем над самой поверхностью планеты. Это означает, что над экватором Венеры на высоте 60-70 км постоянно дует ураганный ветер со скоростью 100-300 м/с в направлении движения планеты. Самые верхние слои атмосферы Венеры состоят почти целиком из водорода.

Атмосфера Венеры простирается до высоты 5500 км. В соответствии с вращением Венеры с востока на запад в том же направлении происходит и вращение атмосферы. В соответствии с температурным профилем атмосфера Венеры делится на две области: тропосферу и термосферу. На поверхности температура равняется + 460°С, она мало меняется днем и ночью. К верхней границе тропосферы температура понижается до -93°С.

Марс. Небо этой планеты не чёрное, как это предполагалось, а розовое. Оказалось, что пыль, висящая в воздухе, поглощает 40% поступающего солнечного цвета, создавая цветной эффект. Атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа. Около 4% приходится на долю азота и аргона. Кислорода и водяного пара в марсианской атмосфере меньше 1%. Среднее давление атмосферы на уровне поверхности в 15000 раз меньше, чем на Венере, и в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли. Парниковый эффект поднимает среднюю температуру у поверхности на 9°С.

Для Марса характерны резкие колебания температур: днём температура может доходить до +27°С, но уже к утру до -50°С. Происходит это из-за того, что разреженная атмосфера Марса не способна удерживать тепло. Одним из проявлений перепада температур являются очень сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. На Марсе встречаются облака самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые.

Атмосфера Земли сильно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Имея азотно-кислородную основу, земная атмосфера создает условия для жизни, которой, в силу определенных обстоятельств, не может быть на других планетах.

Инструкция

Венера – ближайшая к солнцу планета, которая имеет атмосферу, причем такой высокой плотности, что еще Михаил Ломоносов в 1761 году утверждал о ее существовании. Присутствие атмосферы у Венеры настолько очевидный факт, что вплоть до двадцатого века человечество находилось под влиянием иллюзии, будто Земля и Венера являются планетами-близнецами, и на Венере тоже возможна жизнь.

Космические исследования показали, что все далеко не так радужно. Атмосфера Венеры на девяносто пять процентов состоит из углекислого газа, и не выпускает наружу тепло от Солнца, создавая парниковый эффект. Из-за этого температура на поверхности Венеры составляет 500 градусов по Цельсию, и вероятность существования жизни на ней ничтожна.

Марс имеет схожую по составу с Венерой атмосферу, так же состоящую в основном из углекислого газа, но с примесями азота, аргона, кислорода и водяного пара, правда, в очень небольших количествах. Несмотря на приемлемую температуры поверхности Марса в определенное время суток, дышать такой атмосферой невозможно.

В защиту сторонников идей о жизни на других планетах, стоит отметить, что планетологи, исследовав химический состав пород Марса, в 2013 году заявили, что 4 миллиарда лет назад на красной планете было такое же количество кислорода, что и на Земле.

Планеты-гиганты не имеют твердой поверхности, а их атмосфера по своему составу приближена к солнечной. Атмосфера Юпитера, к примеру, в основном состоит из водорода и гелия с небольшим количеством метана, сероводорода, аммиака и воды, которая, как считается, находится во внутренних слоях этой огромной планеты.

Атмосфера Сатурна очень похожа на юпитерианскую, и так же, по большей части, состоит из водорода и гелия, правда в несколько других пропорциях. Плотность такой атмосферы необычайно высока, и мы можем с большой долей достоверности говорить только о ее верхних слоях, в которых плавают облака из замерзшего аммиака, а скорость ветра порой достигает полутора тысяч километров в час.

Уран, как и остальные планеты-гиганты, имеет атмосферу, состоящую из водорода и гелия. Во время исследований, которые проводились с помощью аппаратов «Вояджер», была открыта интересная особенность этой планеты: атмосфера Урана не подогревается никакими внутренними источниками планеты, и всю энергию получает только от Солнца. Именно поэтому Уран имеет самую холодную атмосферу во всей Солнечной системе.

Нептун имеет газообразную атмосферу, но ее синий цвет говорит о том, что в ее составе есть неизвестное пока вещество, которое придает атмосфере из водорода и гелия такой оттенок. Теории о поглощении красного цвета атмосферы метаном, своего полного подтверждения пока не получили.

Земля - планета Солнечной системы, расположенная на расстоянии 150 миллионов километров от Солнца. Земля вращается вокруг него со средней скоростью 29,765 км/с. Полный оборот вокруг Солнца она совершает за период, равный 365,24 средних солнечных суток. Спутник Земли - Луна , обращается на расстоянии 384 400 км. Наклон земной оси к плоскости эклиптики 66° 33" 22", период обращения вокруг оси 23 ч 56 мин 4,1 с. Форма - геоид, сфероид. Экваториальный радиус - 6378,16 км, полярный — 6356,777 км. Площадь поверхности — 510,2 млн км 2 . Масса Земли - 6 * 10 24 кг. Объем — 1,083 * 10 12 км 3 . Гравитационное поле Земли обуславливает существование атмосферы и сферическую форму планеты.

Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см 3 . Это почти вдвое больше, чем плотность поверхностных пород (около 3 г/см 3). С глубиной плотность возрастает. Внутренняя часть литосферы образует ядро, которое находится в расплавленном состоянии. Исследования показали, что ядро делится на две зоны: внутреннее ядро (радиус около 1300 км), которое, вероятно, является твердым, и жидкое внешнее ядра (радиус около 3400 км). Твердая оболочка тоже неоднородна, в ней имеется резкая поверхность раздела на глубине около 40 км. Эта граница называется поверхностью Мохоровичича. Область выше поверхности Мохоровичича называется корой , ниже - мантией. Мантия, как и кора, находится в твердом состоянии, за исключением отдельных лавовых «карманов». С глубиной плотность мантии нарастает от 3,3 г/см 3 у поверхности Мохоровичича и до 5,2 г/см 3 у границы ядра. На границе ядра она скачком возрастает до 9,4 г/см 3 . Плотность в центре Земли находится в пределах от 14,5 г/см 3 до 18 г/см 3 . У нижней границы мантии давление достигает 1 З00 000 атм. При спуске в шахты температура быстро повышается - примерно на 20 °С на 1 километр. Температура в центре Земли, по-видимому, не превышает 9000°С. Поскольку темп увеличения температуры с глубиной в среднем падает с приближением к центру Земли, источники тепла должны быть сосредоточены во внешних частях литосферы, скорее всего, в мантии. Единственной мыслимой причиной разогрева мантии является радиоактивный распад. 71% земной поверхности занимают океаны, образующие основную часть гидросферы. Земля - единственная планета Солнечной системы, обладающая гидросферой. Гидросфера поставляет водяной пар в атмосферу. Водяной пар благодаря инфракрасному поглощению создает значительный парниковый эффект, поднимающий среднюю температуру поверхности Земли примерно на 40°С. Наличие гидросферы сыграло решающую роль в возникновении жизни на Земле.

Химический состав атмосферы Земли на уровне моря — кислород (около 20%) и азот (около 80%). Современный состав атмосферы Земли, по-видимому, сильно отличается от первичного, который имел место 4,5 * 10 9 лет назад, когда сформировалась кора. Биосфера - растения, животные и микроорганизмы - существенно влияет как на общую характеристику планеты Земля, так и на химический состав ее атмосферы.

Луна

Диаметр Луны меньше земного в 4 раза, а масса меньше в 81 раз. Луна - небесное тело, ближе остальных расположенное к Земле.

Плотность Луны меньше, чем Земли (3,3 г/см 3). У нее отсутствует ядро, но в недрах сохраняется постоянная температура. На поверхности зафиксированы значительные перепады температуры: от +120°С в подсолнечной точке Луны до -170°С с противоположной стороны. Объясняется это, во-первых, отсутствием атмосферы, а во-вторых, продолжительностью лунного дня и лунной ночи, равной двум земным неделям.

Рельеф лунной поверхности включает низменности и гористые участки. Традиционно низменности называют «морями», хотя они и не заполнены водой. С Земли «моря» видны как темные пятна на поверхности Луны. Их названия достаточно экзотичны: море Холода, океан Бурь, море Москвы, море Кризисов и др.

Гористые участки занимают большую часть поверхности Луны и включают горные хребты и кратеры. Названия многих лунных горных хребтов аналогичны земным: Апеннины, Карпаты, Алтай. Наиболее высокие горы достигают высоты 9 км.

Кратеры занимают наибольшую площадь лунной поверхности. Некоторые из них имеют диаметр порядка 200 км (Клавий и Шиккард). некоторые - в несколько раз меньше (Аристарх, Анаксимеи).

Лунная поверхность наиболее удобна для наблюдения с Земли в местах, где граничат день и ночь, т. е. вблизи терминатора. Вообще с Земли можно видеть только одно полушарие Луны, однако возможны исключения. В результате того, что Луна движется по своей орбите неравномерно и ее форма не строго шарообразна, наблюдаются ее периодические маятникообразные колебания относительно своего центра масс. Это приводит к тому, что с Земли можно наблюдать порядка 60% лунной поверхности. Это явление носит название либрации Луны.

На Луне нет атмосферы. Звуки на ней не распространяются, поскольку отсутствует воздух.

Фазы Луны

Луна не обладает собственным свечением. поэтому видна только в той части, куда падают солнечные или отраженные Землей лучи. Этим объясняются фазы Луны. Каждый месяц Луна, двигаясь по орбите, проходит между Землей и Солнцем и обращена к нам темной стороной (новолуние). Через несколько дней на западной части неба появляется узкий серп молодой Луны. Остальная часть лунного диска в это время слабо освещена. Через 7 суток наступает первая четверть, через 14-15 — полнолуние. На 22-е сутки наблюдается последняя четверть, а через 30 суток - снова полнолуние.

Исследования Луны

Первые попытки изучить поверхность Луны состоялись достаточно давно, но непосредственно полеты на Луну начались только во второй половине XX в.

В 1958 г. состоялась первая посадка космического корабля на поверхность Луны, а в 1969 г. на нее высадились первые люди. Это были американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрнн, доставленные туда космическим кораблем «Аполлон-11».

Основными целями полетов на Луну был отбор проб грунта и изучение рельефа поверхности Луны. Фотографии невидимой стороны Луны были впервые сделаны аппаратами «Луна-З» и «Луна-9». Заборы грунта производились аппаратами «Луна-16», «Луна-20» и др.

Морские приливы и отливы на Земле.

На Земле приливы и отливы чередуются в среднем каждые 12 ч 25 мин. Явление приливов и отливов связано с притяжением Земли к Солнцу и Луне. Но в связи с тем, что расстояние до Солнца слишком велико (150 * 10 6 км), солнечные приливы и отливы значительно слабее, чем лунные.

На участке нашей планеты, который обращен к Луне, сила притяжения больше, а на периферическом направлении меньше. В результате этого водная оболочка Земли растягивается вдоль линии, соединяющей Землю с Луной. Поэтому в части Земли, обращенной к Луне, вода Мирового океана выпучивается (возникает прилив). Вдоль круга, плоскость которого перпендикулярна линии Земля-Луна и проходит через центр Земли, уровень воды в Мировом океане понижается (возникает отлив).

Приливы и отливы тормозят вращение Земли. По расчетам ученых раньше земные сутки составляли не более б часов.

Меркурий

• Расстояние от Солнца — 58 * 10 6 км
• Средняя плотность — 54 200 кг/м 3
• Масса — 0,056 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца — 88 земных суток
• Диаметр — 0.4 диаметра Земли
• Спутники - нет

• Физические условия:

• Ближайшая планета к Солнцу
• Атмосфера отсутствует
• Поверхность усеяна кратерами
• Диапазон суточных температур составляет 660°С (от +480°С до -180°С)
• Магнитное поле в 150 раз слабее земного

Венера

• Расстояние от Солнца — 108 * 10 6 км
• Средняя плотность - 5240 кг/м 3
• Масса — 0,82 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 225 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси — 243 суток, вращение обратное
• Диаметр — 12 100 км
• Спутники - нет

Физические условия

Атмосфера плотнее земной. Состав атмосферы: углекислый газ - 96%, азот и инертные газы > 4%, кислород - 0,002%, водяные пары - 0,02%. Давление 95-97 атм., температура у поверхности — 470-480°С, что обусловлено наличием парникового эффекта. Планета окружена слоем облаков, состоящих из капель серной кислоты с примесями хлора и серы. Поверхность в основном гладкая, с небольшим количеством хребтов (10% поверхности) и кратеров (17% поверхности). Грунт базальтовый. Магнитного поля нет.

Марс

• Расстояние от Солнца — 228 * 10 6 км
• Средняя плотность — 3950 кг/м 3
• Масса — 0.107 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца — 687 земных суток
• Период обращения вокруг собственной оси — 24 ч 37 мин 23 с
• Диаметр — 6800 км
• Спутники - 2 спутника: Фобос, Деймос

Физические условия

Атмосфера разреженная, давление в 100 раз меньше земного. Состав атмосферы: углекислый газ — 95%, азот - более 2%. кислород - 0,3%, водяные пары — 1%. Диапазон суточных температур составляет 115°С (от +25°С днем до -90°С ночью). В атмосфере наблюдаются редкие облака и туман, что свидетельствует о выделениях влаги из резервуаров грунтовых вод. Поверхность усеяна кратерами. Грунт включает фосфор, кальций, кремний, а также оксиды железа, придающие планете красный цвет. Магнитное поле слабее земного в 500 раз.

Юпитер

• Расстояние от Солнца - 778 * 10 6 км
• Средняя плотность - 1330 кг/м 3
• Масса - 318 масс Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 11,86 лет
• Период обращения вокруг своей оси - 9 ч 55 мин 29 с
• Диаметр — 142 000 км
• Спутники - 16 спутников. Ио, Ганнмед, Каллисто, Европа — самые крупные
• 12 спутников вращаются в одну сторону а 4 - в противоположную

Физические условия

Атмосфера содержит 90% водорода, 9% гелия и 1% других газов (в основном аммиак). Облака состоят из аммиака. Излучение Юпитера в 2,9 раза превосходит энергию, получаемую от Солнца. Планета сильно расплющена у полюсов. Полярный радиус на 4400 км меньше экваториального. На планете формируются крупные циклоны со временем жизни до 100 тысяч лет. Большое Красное Пятно, наблюдаемое на Юпитере, — пример такого циклона. В центре планеты, возможно, есть твердое ядро, хотя основная масса планеты в жидком состоянии. Магнитное поле в 12 раз сильнее земного.

Сатурн

• Расстояние от Солнца — 1426 * 10 6 км
• Средняя плотность — 690 кг/м 3
• Масса - 95 масс Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 29,46 лет
• Период обращения вокруг своей оси - 10 ч 14 мин
• Диаметр — 50 000 км
• Спутники - порядка 30 спутников. Большинство ледяные.
• Некоторые: Пандора, Прометей, Янус, Эпиметея, Диона, Елена, Мимас, Энцелау, Тефня, Рея, Титан, Янет, Феба.

Физические условия

Атмосфера содержит водород, гелий, метан, аммиак. Получает от Солнца в 92 раза меньше тепла, чем Земля, 45% этой энергии отражает. Выделяет тепла в 2 раза больше, чем получает. У Сатурна имеются кольца. Кольца разделены на сотни отдельных колечек. Открыты X. Гюйгенсом. Кольца не сплошные. Имеют метеоритную структуру, т. е. состоят из твердых частиц различных размеров. Магнитное поле сравнимо с земным.

Уран

• Расстояние от Солнца - 2869 * 10 6 км
• Средняя плотность - 1300 кг/м 3
• Масса - 14,5 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 84,01 года
• Период обращения вокруг собственной оси -16 ч 48 мин
• Экваториальный диаметр - 52 300 км
• Спутники - 15 спутников. Некоторые из них: Оберон (самый далекий и второй по величине), Миранда, Корделия (самый близкий к планете), Ариэль, Умбриэль, Титания
• 5 спутников движутся в направлении вращения планеты вблизи плоскости ее экватора по почти круговым орбитам, 10 обращаются вокруг Урана внутри орбиты Миранды

Физические условия

Состав атмосферы: водород, гелий, метан. Температура атмосферы -150°С по радиоизлучению. В атмосфере обнаружены метановые облака. Недра планеты горячие. Ось вращения наклонена под углом 98°. Обнаружено 10 темных колец, отделенных промежутками. Магнитное поле в 1,2 раза слабее земного н простирается на 18 радиусов. Имеется радиационный пояс.

Нептун

• Расстояние от Солнца - 4496 * 10 6 км
• Средняя плотность - 1600 кг/м 3
• Масса - 17,3 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 164,8 лет
• Спутники - 2 спутника: Тритон, Нереида

Физические условия

Атмосфера протяженная и состоит из водорода (50%), гелия (15%), метана (20%), аммиака (5%). Температура атмосферы около -230°С по расчетам, а по радиоизлучению -170°С. Это свидетельствует о горячих недрах планеты. Открыл Нептун 23 сентября 1846 г. И. Г. Галлев из Берлинской обсерватории при помощи расчетов астронома Ж. Ж. Леверье.

Плутон

• Расстояние от Солнца — 5900 * 10 6
• Средняя плотность — 1000—1200 кг/м 3
• Масса — 0,02 массы Земли
• Период обращения вокруг Солнца - 248 лет
• Диаметр — 3200 км
• Период обращения вокруг своей оси - 6,4 суток
• Спутники - 1 спутник - Харон, был открыт в 1978 г. Дж. У. Крнсти из Морской лаборатории в Вашингтоне.

Физические условия

Не обнаружено видимых признаков атмосферы. Над поверхностью планеты максимальная температура -212°С, а минимальная -273°С. Поверхность Плутона предположительно покрыта слоем метанового льда, также возможен водный лед. Ускорение свободного падения на поверхности составляет 0,49 м/с 2 . Скорость движения Плутона по орбите 16.8 км/ч.

Плутон был открыт в 1930 г. Клайдом Томбо и назван по имени древнегреческого бога подземного царства, поскольку скудно освещен Солнцем. Харон по представлению древних греков - перевозчик умерших в царство мертвых через реку Стикс.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Земля космический корабль (14 Серия) - Атмосфера

✪ Почему атмосферу не втянуло в космический вакуум?

✪ Вход в атмосферу Земли корабля "Союз ТМА-8"

✪ Атмосфера строение, значение, изучение

✪ О. С. Угольников "Верхняя атмосфера. Встреча Земли и космоса"

Субтитры

Граница атмосферы

Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое . Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере , начинающейся на высоте 500-1000 км от поверхности Земли .

По определению, предложенному Международной авиационной федерацией , граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана , расположенной на высоте около 100 км, выше которой авиационные полёты становятся полностью невозможными. NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 километра (400 000 футов ), где «шаттлы » переключаются с маневрирования с помощью двигателей на аэродинамическое маневрирование .

Физические свойства

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся Cl 2 {\displaystyle {\ce {Cl2}}} , SO 2 {\displaystyle {\ce {SO2}}} , NH 3 {\displaystyle {\ce {NH3}}} , CO {\displaystyle {{\ce {CO}}}} , O 3 {\displaystyle {{\ce {O3}}}} , NO 2 {\displaystyle {\ce {NO2}}} , углеводороды , HCl {\displaystyle {\ce {HCl}}} , HF {\displaystyle {\ce {HF}}} , HBr {\displaystyle {\ce {HBr}}} , HI {\displaystyle {{\ce {HI}}}} , пары Hg {\displaystyle {\ce {Hg}}} , I 2 {\displaystyle {\ce {I2}}} , Br 2 {\displaystyle {\ce {Br2}}} , а также и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Самым редким газом в Земной атмосфере является Rn {\displaystyle {\ce {Rn}}} .

Строение атмосферы

Пограничный слой атмосферы

Нижний слой тропосферы (1-2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом.
Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция , возникают облака , развиваются циклоны и антициклоны . Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 метров.

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от минус 56,5 до плюс 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой .

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния ») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца . В периоды низкой активности - например, в 2008-2009 годах - происходит заметное уменьшение размеров этого слоя .

Термопауза

Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до минус 110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~ 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум , который заполнен редкими 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 разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Обзор

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу .

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу . Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера . Граница между этими слоями называется турбопаузой , она лежит на высоте около 120 км.

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера . На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком , водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера . Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство ;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы , характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом O 2 {\displaystyle {\ce {O2}}} , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N 2 {\displaystyle {\ce {N2}}} выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO {\displaystyle {{\ce {NO}}}} в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 {\displaystyle {\ce {N2}}} вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами - растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.

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 другом. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере , литосфере и биосфере , это событие получило название Кислородная катастрофа .

Благородные газы

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном . Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200-300 лет количество CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} в атмосфере удвоится и может привести к

Атмосфера (от. др.-греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата - климатология.

Физические свойства

Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура - −140,7 °C (~132,4 К); критическое давление - 3,7 МПа; Cp при 0 °C - 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv - 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C - 0,0036 %, при 25 °C - 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Химический состав

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

Состав сухого воздуха

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности - например, в 2008-2009 гг - происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.

Термопауза

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разрежёнными 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 разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа - 40 мм рт. ст., а паров воды - 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным - около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19-20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15-19 км.

Плотные слои воздуха - тропосфера и стратосфера - защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация - первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60-90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100-130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех 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 миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

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 окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего - от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4·1012 тонн) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Благородные газы

Источник инертных газов - аргона, гелия и криптона - вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство.

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200-300 лет количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива - основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO3, а оксид азота до NO2 в верхних слоях атмосферы, которые в свою очередь взаимодействуют с парами воды, а образующиеся при этом серная кислота Н2SO4 и азотная кислота НNO3 выпадают на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец) Pb(CH3CH2)4.

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу - одна из возможных причин изменений климата планеты.

(Visited 719 times, 1 visits today)