Атмосфера

Атмосфера (из древнегреческого ἀτμός — «пар» и σφαῖρα — «сфера») — газовый покров небесного объекта, поддерживаемый гравитацией. Поскольку четкой грани между атмосферой и межпланетным пространством нет, обычно атмосферой считается зона вокруг небесного тела, где газовая среда вращается вместе с ним как единое целое. Толщина атмосферы некоторых планет, в основном газовых (газовых гигантов), может быть значительной.

Атмосфера планеты Земля содержит кислород, который большинство живых существ использует для дыхания, а также углекислый газ, который растения и цианобактерии используют в процессе фотосинтеза. Кроме того, атмосфера служит защитным слоем, оберегая обитателей от ультрафиолетового излучения солнца и метеоритов.

Атмосфера присутствует у всех масштабных объектов — газовых гигантов и планет земной группы в Солнечной системе, за исключением Меркурия.

Граница атмосферы

Зона атмосферы определяется как область около нашей планеты, где газовая оболочка движется в единении с Землей. Переход атмосферы в межпланетное пространство происходит плавно, в экзосфере, которая начинается на высоте 500—1000 километров над поверхностью Земли.

Согласно дефиниции, предложенной Международной авиационной конфедерацией, границу между атмосферой и космосом проводят по линии Кармана, которая находится на высоте 100 километров. Превышая эту отметку, авиационные полеты становятся невозможными. NASA устанавливает границу атмосферы на высоте 122 километра (400 000 футов), где возвращаясь на Землю, «шаттлы» переключались с двигателей на аэродинамическое управление.

Атмосферное давление

Давление атмосферы на тело или атмосферное давление – это физическая характеристика, количественно равная силе, действующей в атмосфере на единицу площади поверхности, перпендикулярно этой поверхности. Атмосферное давление формируется за счет гравитационного воздействия воздуха на планету.

В системе международных стандартных величин (СИ) величина давления измеряется в паскалях, в массовых СИ также используется измерение давления атмосферы в миллиметрах ртутного столба.

При «нормальных условиях», согласно международной нормальной атмосфере, давление воздуха на средней морской высоте при температуре 15 °C установлено как 101325 Па или 760 мм ртутного столба. Давление атмосферы убывает с высотой в соответствии с барометрической формулой.

Состав атмосферы

Изначальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и тепловых характеристик Солнца в период формирования планеты и последующего выпуска внешних газов. Впоследствии состав газовой оболочки эволюционирует под влиянием различных факторов.

Создание атмосферы Земли было результатом двух процессов: испарения вещества с космических объектов во время их падения на планету и выделения газов при вулканических извержениях (выделение газов из земной мантии).

Вместе с формированием океанов и возникновением биосферы, состав атмосферы постепенно изменялся через обмен газами с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В атмосферах Венеры и Марса в основном встречается диоксид углерода с небольшими примесями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени представляет собой результат деятельности населяющих её организмов.

Состав атмосферы Земли: 78,084 % азота, 20,9476 % кислорода, изменчивое количество водяного пара (в среднем около 1 %), 0,934 % аргона, 0,038 % углекислого газа и небольшое количество водорода, гелия, других инертных газов и загрязнителей. Состав сухого воздуха на Земле в настоящее время преимущественно состоит из различных газов и примесей, таких как пыль, водяные капли, ледяные кристаллы, морские соли и продукты горения.

Концентрация газов, формирующих атмосферу, обычно остается стабильной, за исключением водяного пара (H₂O) и углекислого газа (CO₂), концентрация которого увеличивается с середины XX века.

Состав атмосферы (таблица):

Газ	Содержание по объёму, %	Содержание по массе, %
Азот	78,084	75,51
Кислород	20,946	23,14
Аргон	0,934	1,3
Углекислый газ	0,03 — 0,04	0,05
Неон	1,818⋅10−3	1,2⋅10−3
Гелий	5,24⋅10−4	8⋅10−5
Метан	1,7⋅10−4 — 2⋅10−4
Криптон	1,14⋅10−4	2,9⋅10−4
Водород	5⋅10−5	3,5⋅10−6
Ксенон	8,7⋅10−6	3,6⋅10−5

Содержание водяных паров в атмосфере колеблется от 0,2 % до 2,5 % по объёму и зависит главным образом от широты.

Помимо указанных газов, атмосфера также содержит N₂O , азотистые оксиды (NO₂, NO), пропан и другие углеводороды, O₃, Cl₂, SO₂, NH₃, CO, HCl, HF, HBr, HI, пары Hg, I₂, Br₂, а также некоторые другие газы в небольших количествах. В нижней части атмосферы, называемой тропосферой, всегда присутствует большое количество аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц. Самым редким газом в атмосфере Земли является Rn.

Планеты-гиганты с низкой температурой — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — способны удерживать газы с низкой молекулярной массой, такие как водород и гелий. Гиганты с высокой температурой, такие как Осирис или 51 Пегаса b, наоборот, не способны удерживать их, и молекулы их атмосферы рассеиваются в пространстве. Этот процесс происходит медленно и непрерывно.

Строение атмосферы

Пограничный слой атмосферы

Нижний пласт тропосферы (толщиной 1—2 километра), в котором свойства поверхности Земли напрямую воздействуют на динамику атмосферных явлений.

Тропосфера

Верхняя граница данного слоя располагается на высоте 8—10 километров в полярных регионах, 10—12 километров в умеренных широтах и 16—18 километров в тропиках. Зимой данная межа ниже, чем летом.

Нижний, ключевой пласт атмосферы содержит более 80 % от общей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере преобладает интенсивная турбулентность и конвекция, образование облаков, развитие циклонов и антициклонов. Температура уменьшается по мере возвышения средним вертикальным градиентом 0,65° на каждые 100 метров.

Тропопауза

Переходный пласт от тропосферы к стратосфере, атмосферный слой, в котором заканчивается падение температуры с ростом высоты.

Стратосфера

Атмосферный слой, простирающийся на высоте от 11 до 50 километров. Характеризуется незначительным изменением температуры в диапазоне 11—25 километров (нижний слой стратосферы) и подъемом температуры в пределах 25—40 километров от -56,5 до +0,8 °C (верхний стратосферный слой или зона инверсии). По достижении высоты около 40 километров температура становится постоянной до высоты около 55 километров.

Этот участок постоянной температуры называется стратопаузой, обозначая границу между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века ученые считали, что атмосфера Земли заканчивается на высоте 12 километров. В стратосфере располагается озоновый слой, который предохраняет Землю от ультрафиолетового излучения.

Стратопауза

Предел между стратосферой и мезосферой в атмосфере. В вертикальном профиле температуры наблюдается пик приблизительно на уровне 0 °C.

Мезосфера

Мезосферный слой начинается на высоте 50-55 км и простирается до 80-100 км, точная граница зависит от широты и времени года. Температура убывает вертикально со средним градиентом (0,25—0,3)°/100 м.

Доминирующим энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические реакции, включая свободные радикалы и колебательно возбужденные молекулы, порождают атмосферное свечение.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры достигается минимум приблизительно на уровне −90 °C.

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, используемая условно как разделитель между атмосферой Земли и космосом. Согласно ФАИ, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Термосфера

Верхний предел достигает примерно 800 км. Температура возрастает до высоты 200—300 км, достигая примерно 1500 К, после чего остается почти постоянной на больших высотах.

Воздействие солнечной радиации и космического излучения вызывает ионизацию воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы находятся внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород.

Верхний предел термосферы сильно зависит от текущей солнечной активности. В периоды низкой активности, например, в 2008—2009 годах, заметно сокращается размер этого слоя.

Термопауза

Верхний слой атмосферы, прилегающий к термосфере. В этой зоне поглощение солнечного излучения незначительно, и температура практически не меняется по мере подъема вверх.

Экзосфера (предел рассеяния)

Экзосфера – сектор рассеяния, внешний аспект термосферы, расположенный выше 500—1000 км (в зависимости от интенсивности солнечной активности). Газ в экзосфере крайне разрежен, и поэтому происходит выход его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До 100 км высоты атмосфера представляет собой гомогенную хорошо смешанную смесь газов. В более верхних слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжелых газов убывает быстрее с удалением от поверхности Земли. Из-за уменьшения газовой плотности температура уменьшается от 0 °C в стратосфере до минус 110 °C в мезосфере. Впрочем, кинетическая энергия индивидуальных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре около 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные изменения температуры и газовой плотности в пространстве и времени.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый приближенно-космический вакуум, который наполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет лишь долю межпланетного материала. Остальная часть включает пылевидные частицы от комет и метеоров. Помимо чрезвычайно разреженных пылевидных элементов, в эту зону проникает электромагнитная и корпускулярная радиация от Солнца и галактики.

Исследование данных от прибора SWAN на космическом аппарате SOHO установило, что внешний слой экзосферы Земли (геокорона) распространяется на 100 радиусов Земли или около 640 тыс. км, что значительно превышает орбиту Луны.

Тропосфера составляет примерно 80 % массы атмосферы, стратосфера – около 20 %; мезосфера – менее 0,3 %, а термосфера – меньше 0,05 % общей массы атмосферы.

На основе электрических характеристик атмосферы выделяют нейтроферу и ионосферу.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера – это зона, в которой влияние гравитации на деление газов основное из-за малой степени их перемешивания на такой высоте. В результате этого гетеросфера имеет меняющийся состав. Под этой зоной находится хорошо перемешанный, однородный по составу слой атмосферы, который называется гомосферой. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она расположена на высоте около 120 км.

Читайте также: Какой газ преобладает в атмосфере?.