Слой атмосферы на высоте от 18 до 50 км это: Вертикальное строение атмосферы

Вертикальное 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. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

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 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)

 

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, 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 разреженными 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 разреженных 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.

Слои атмосферы — тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера

Общее

<img loading=»lazy» src=»http://terasfera.ru/wp-content/uploads/2015/12/zavisimost-temperatury-ot-vysoty-sloya-atmosfery-284×300.jpg» alt=»зависимость температуры от высоты слоя атмосферы» srcset=»wp-content/uploads/2015/12/zavisimost-temperatury-ot-vysoty-sloya-atmosfery-284×300.jpg 284w,wp-content/uploads/2015/12/zavisimost-temperatury-ot-vysoty-sloya-atmosfery.jpg 559w»>Земная атмосфера являет собой газовою оболочку планеты. Нижняя граница атмосферы проходит возле поверхности земли (гидросфера и земная кора), а верхняя граница является область соприкасающеюся космического пространства (122 км). В себе атмосфера содержит много разных элементов. Основные из них: 78% азот, 20% кислород, 1% аргон, углекислый газ, галий неона, водород и тд. Интересные факты можно посмотреть в конце статьи или перейдя по ссылке.

Атмосфера имеет четко выраженные слои воздуха. Слои воздуха отличаются между собой температурой, разностью газов и их плотностью и давлением. Нужно отметить, что слои стратосфера и тропосфера защищают Землю от солнечной радиации. В высших слоях живой организм может получить смертельную дозу ультрафиолетового солнечного спектра. Для быстрого перехода к нужному слою атмосферы, нажмите на соответствующий слой:

Тропосфера и тропопауза

Тропосфера — температура, давление, высота

Верхняя граница держится на отметке 8 — 10 км примерно. В умеренных широтах 16 — 18 км, а в полярных 10 — 12 км. Тропосфера — это нижний главный слой атмосферы. В этом слое находится более 80% всей массы атмосферного воздуха и близко 90% всей водяной пары. Именно в тропосфере возникают конвекция и турбулентность, образуются облака, происходят циклоны. Температура понижается с ростом высоты. Градиент: 0,65 °/100 м. Нагретая земля и вода нагревают прилагающий воздух. Нагретый воздух поднимается в верх, охлаждается и образует облака. Температура в верхних границах слоя может достигать — 50/70 °C.

Именно в этом слое происходят изменения климатических погодных условий. В нижнюю границу тропосферы называют приземным, так как он имеет много летучих микроорганизмов и пыли. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты в этом слое.

Тропопауза

Это переходной слой тропосферы к стратосфере. Здесь прекращается зависимость снижения температуры с повышением высоты. Тропопауза — минимальная высота, где вертикальный градиент температуры падает до 0,2°C/100 м. Высота тропопаузы зависит от сильных климатических проявлений, таких как циклоны. Над циклонами высота тропопаузы понижается, а над антициклонами повышается.

<iframe loading=»lazy» src=»https://www. youtube.com/embed/rL3AfdnOatE» frameborder=»0″ allowfullscreen=»allowfullscreen»></iframe>

Стратосфера и Стратопауза

Высота слоя стратосферы примерно от 11 до 50 км. Присутствует незначительное изменение температуры на высоте 11 — 25 км. На высоте 25 — 40 км наблюдается инверсия температуры, от 56,5 поднимается до 0,8°C. От 40 км до 55 температура держится на отметке 0°C. Эту область называют — Стратопаузой.

В Стратосфере наблюдают воздействие солнечной радиации на молекулы газа, они диссоциируют на атомы. В этом слое нету почти водяного пара. Современные сверхзвуковые коммерческие самолёты летают на высоте до 20 км из-за стабильных полетных условий. Высотные метеозонды поднимаются на высоту 40 км. Здесь присутствуют устойчивые воздушные течения, скорость их достигает 300 км/ч. Также в этом слое сосредоточен озон, слой который поглощает ультрафиолетовые лучи.

Похожие материалы:

слоев атмосферы | NIWA

Атмосфера состоит из слоев в зависимости от температуры. Эти слои — тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера. Еще одна область на высоте около 500 км над поверхностью Земли называется экзосферой.

Различные слои атмосферы

Атмосфера может быть разделена на слои в зависимости от ее температуры, как показано на рисунке ниже. Эти слои — тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера.Дальнейшая область, начинающаяся примерно на 500 км над поверхностью Земли, называется экзосферой.

Тропосфера

Это самая нижняя часть атмосферы — та часть, в которой мы живем. Она содержит большую часть нашей погоды — облака, дождь, снег. В этой части атмосферы температура становится ниже по мере увеличения расстояния над землей примерно на 6,5 ° C на километр. Фактическое изменение температуры с высотой меняется день ото дня в зависимости от погоды.

Тропосфера содержит около 75% всего воздуха в атмосфере и почти весь водяной пар (который образует облака и дождь).Снижение температуры с высотой является результатом снижения давления. Если воздушная струя движется вверх, она расширяется (из-за более низкого давления). Когда воздух расширяется, он охлаждается. Таким образом, воздух вверху холоднее, чем воздух внизу.

Самая нижняя часть тропосферы называется пограничным слоем. Здесь движение воздуха определяется свойствами поверхности Земли. Турбулентность возникает, когда ветер дует над поверхностью Земли, и термиками, поднимающимися с земли, когда она нагревается солнцем.Эта турбулентность перераспределяет тепло и влагу в пограничном слое, а также загрязняющие вещества и другие составляющие атмосферы.

Верхняя часть тропосферы называется тропопаузой. Это самый низкий уровень на полюсах, где он находится примерно на 7-10 км над поверхностью Земли. Самый высокий (около 17-18 км) у экватора.

Стратосфера

Это простирается вверх от тропопаузы примерно до 50 км. Он содержит много озона в атмосфере. Повышение температуры с высотой происходит из-за поглощения этим озоном ультрафиолетового (УФ) излучения солнца. Температуры в стратосфере самые высокие над летним полюсом и самые низкие над зимним.

Поглощая опасное УФ-излучение, озон в стратосфере защищает нас от рака кожи и других повреждений здоровья. Однако химические вещества (называемые ХФУ или фреоны и галоны), которые когда-то использовались в холодильниках, аэрозольных баллончиках и огнетушителях, уменьшили количество озона в стратосфере, особенно в полярных широтах, что привело к так называемой «озоновой дыре в Антарктике».

Сейчас люди перестали производить большую часть вредных ХФУ, мы ожидаем, что озоновая дыра в конечном итоге восстановится в течение 21 -го -го века, но это медленный процесс.

Мезосфера

Область над стратосферой называется мезосферой. Здесь температура снова понижается с высотой, достигая минимума около -90 ° C в «мезопаузе».

Термосфера и ионосфера

Термосфера расположена выше мезопаузы и представляет собой область, в которой температура снова увеличивается с высотой. Это повышение температуры вызвано поглощением энергичного ультрафиолетового и рентгеновского излучения от солнца.

Область атмосферы выше 80 км также вызвана «ионосферой», поскольку энергичное солнечное излучение сбивает электроны с молекул и атомов, превращая их в «ионы» с положительным зарядом.Температура термосферы варьируется от ночи к дню и от сезона к сезону, как и количество присутствующих ионов и электронов. Ионосфера отражает и поглощает радиоволны, что позволяет нам принимать коротковолновые радиопередачи в Новой Зеландии из других частей мира.

Экзосфера

Область выше 500 км называется экзосферой. Он содержит в основном атомы кислорода и водорода, но их так мало, что они редко сталкиваются — они следуют по «баллистическим» траекториям под действием силы тяжести, а некоторые из них уходят прямо в космос.

Магнитосфера

Земля ведет себя как огромный магнит. Он улавливает электроны (отрицательный заряд) и протоны (положительный), концентрируя их в двух полосах на высоте примерно 3000 и 16000 км над земным шаром — «радиационных» поясах Ван Аллена. Эта внешняя область, окружающая Землю, где заряженные частицы вращаются по спирали вдоль силовых линий магнитного поля, называется магнитосферой.

Дополнительная информация

Посетите наш Национальный научный центр атмосферы

Узнайте о наших исследованиях УФ-излучения и озона

NWS JetStream — Слои атмосферы

Газовая оболочка, окружающая Землю, изменяется снизу вверх.Пять отдельных слоев были идентифицированы с использованием …

  • тепловые характеристики (перепады температур),
  • химический состав,
  • Механизм
  • и
  • плотность.

Каждый из слоев ограничен «паузами», где происходят наибольшие изменения тепловых характеристик, химического состава, движения и плотности.

Пять основных слоев атмосферы

Экзосфера

Это самый внешний слой атмосферы.Она простирается от верха термосферы до 6 200 миль (10 000 км ) над Землей. В этом слое атомы и молекулы уходят в космос, а спутники вращаются вокруг Земли. Внизу экзосферы находится термопауза, расположенная на высоте около 375 миль (600 км) над землей.

Между примерно 53 милями (85 км) и 375 милями (600 км) находится термосфера. Этот слой известен как верхняя атмосфера. Хотя газы термосферы все еще очень тонкие, они становятся все более плотными по мере того, как человек спускается к Земле.

Таким образом, поступающее высокоэнергетическое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от солнца начинает поглощаться молекулами в этом слое и вызывает значительное повышение температуры.

Из-за этого поглощения температура увеличивается с высотой. Начиная с -184 ° F (-120 ° C ) в нижней части этого слоя, температура может достигать 3600 ° F (2000 ° C) в верхней части.

Однако, несмотря на высокую температуру, этот слой атмосферы все равно будет ощущаться нашей кожей очень холодным из-за очень тонкой атмосферы.Высокая температура указывает на количество энергии, поглощаемой молекулами, но при таком небольшом количестве в этом слое общего количества молекул недостаточно, чтобы нагреть нашу кожу.

Поднимите его до МАКСИМАЛЬНОГО! Ионосфера

Мезосфера

Этот слой простирается от примерно 31 мили (50 км) над поверхностью Земли до 53 миль (85 км). При спуске газы, включая молекулы кислорода, продолжают уплотняться. Таким образом, при спуске температура повышается до примерно 5 ° F (-15 ° C) в нижней части этого слоя.

Газы в мезосфере теперь достаточно толстые, чтобы замедлять метеоры, летящие в атмосферу, где они сгорают, оставляя огненные следы в ночном небе. И стратосфера (следующий слой ниже), и мезосфера считаются средней атмосферой. Переходная граница, отделяющая мезосферу от стратосферы, называется стратопаузой.

Стратосфера

Стратосфера простирается примерно на 31 милю (50 км) вниз до любой точки на высоте от 4 до 12 миль (от 6 до 20 км) над поверхностью Земли.Этот слой содержит 19 процентов атмосферных газов, но очень мало водяного пара.

В этой области температура увеличивается с высотой. Тепло вырабатывается в процессе образования озона, и это тепло отвечает за повышение температуры от среднего значения -60 ° F (-51 ° C) в тропопаузе до максимального значения примерно 5 ° F (-15 ° C) в условиях тропопаузы. вершина стратосферы.

Это повышение температуры с высотой означает, что более теплый воздух располагается над более холодным. Это предотвращает «конвекцию», поскольку нет вертикального движения газов вверх.Таким образом, расположение нижней части этого слоя легко увидеть по вершинам кучево-дождевых облаков, имеющим форму наковальни.

Тропосфера

Известный как нижняя атмосфера, в этом регионе бывает почти любая погода. Тропосфера начинается на поверхности Земли и простирается от 4 до 12 миль (от 6 до 20 км) в высоту.

Высота тропосферы варьируется от экватора до полюсов. На экваторе он составляет около 11-12 миль (18-20 км) в высоту, на 50 ° N и 50 ° S , 5½ миль, а на полюсах — чуть меньше четырех миль.

Поскольку плотность газов в этом слое уменьшается с высотой, воздух становится тоньше. Следовательно, температура в тропосфере также понижается с высотой в ответ. По мере того, как человек поднимается выше, температура в тропопаузе падает со средней примерно 62 ° F (17 ° C) до -60 ° F (-51 ° C).

Профиль средней температуры для нижних слоев атмосферы

Что такое гомосфера? Определение гомосферы, гомосфера Значение

Определение : Гомосфера может быть определена как самая нижняя часть атмосферы Земли.Он находится между гетеросферой и поверхностью Земли. Это земная атмосфера ниже высоты примерно 80 км, где есть почти однородный состав азота (78%), кислорода (21%), аргона (10%), углекислого газа, а также следы таких компонентов, как частицы пыли. , аэрозоли и облачные капли.

Описание : Атмосфера Земли состоит из двух основных зон или сегментов — гомосферы и гетеросферы. Гомосфера — это нижний сегмент разделения атмосферы на две части и состоит из трех областей, а именно тропосферы, стратосферы и мезосферы.Все три региона имеют одинаковый состав воздуха. Однако концентрация воздуха продолжает значительно снижаться с увеличением высоты.

Тропосфера : Тропосфера образует самый нижний слой гомосферы и, следовательно, самый близкий к поверхности Земли. Это слой, в котором мы живем. Он также известен как погодный слой Земли, поскольку в нем есть все погодные условия. Этот слой существует в земле на высоте около 11 километров. Коммерческие самолеты летают в тропосфере.На этом уровне также существуют всплывающие подсказки для сбора данных.

Стратосфера : Стратосфера образует средний слой гомосферы и лежит прямо над тропосферой. Этот слой находится на высоте примерно от 15 до 50 километров. В стратосфере температура увеличивается с увеличением высоты. Озоновый слой находится в стратосфере (примерно на высоте 18-20 км). В этом слое гомосферы летают сверхзвуковые струи.

Мезосфера : Мезосфера образует самый верхний слой гомосферы.Этот слой существует на высоте примерно 50 км и простирается до 80 км. Температура в мезосфере понижается с увеличением высоты. Метеоры существуют в этом слое гомосферы, что замедляет их скорость, мчащуюся к атмосфере.

озоновый слой | Описание, значение и факты

Озоновый слой , также называемый озоносферой , область верхних слоев атмосферы на высоте примерно от 15 до 35 км (от 9 до 22 миль) над поверхностью Земли, содержащая относительно высокие концентрации молекул озона (O 3 ).Примерно 90 процентов озона атмосферы находится в стратосфере, область простирается от 10–18 км (6–11 миль) до примерно 50 км (около 30 миль) над поверхностью Земли. В стратосфере температура атмосферы повышается с увеличением высоты — явление, создаваемое поглощением солнечной радиации озоновым слоем. Озоновый слой эффективно блокирует почти все солнечное излучение с длинами волн менее 290 нанометров от поверхности Земли, включая определенные типы ультрафиолета (УФ) и другие формы излучения, которые могут повредить или убить большинство живых существ.

слоев атмосферы Земли

Слои атмосферы Земли с желтой линией, показывающей температуру воздуха на разной высоте.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Местоположение в атмосфере Земли

В средних широтах пиковые концентрации озона наблюдаются на высотах от 20 до 25 км (примерно от 12 до 16 миль). Пиковые концентрации обнаруживаются на высоте от 26 до 28 км (примерно от 16 до 17 миль) в тропиках и от примерно 12 до 20 км (примерно от 7 до 12 миль) по направлению к полюсам.Более низкая высота области пиковых концентраций в высоких широтах в значительной степени является результатом процессов атмосферного переноса в направлении полюсов и вниз, которые происходят в средних и высоких широтах, и уменьшенной высоты тропопаузы (переходной области между тропосферой и стратосферой).

Большая часть остающегося озона находится в тропосфере, слое атмосферы, простирающемся от поверхности Земли до стратосферы. Приповерхностный озон часто является результатом взаимодействия между определенными загрязнителями (такими как оксиды азота и летучие органические соединения), сильным солнечным светом и жаркой погодой.Это один из основных ингредиентов фотохимического смога — явления, от которого страдают многие городские и пригородные районы по всему миру, особенно в летние месяцы.

Повреждение озоном листа

Повреждение озоном листа английского грецкого ореха ( Juglans regia ).

F.K. Anderson / Encyclopædia Britannica, Inc.

Создание и разрушение озона

Образование озона в стратосфере происходит в основном за счет разрыва химических связей в молекулах кислорода (O 2 ) солнечными фотонами высокой энергии.Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, приводит к высвобождению одиночных атомов кислорода, которые позже соединяются с неповрежденными молекулами кислорода с образованием озона. Повышение концентрации кислорода в атмосфере около двух миллиардов лет назад привело к накоплению озона в атмосфере Земли, и этот процесс постепенно привел к образованию стратосферы. Ученые считают, что формирование озонового слоя сыграло важную роль в развитии жизни на Земле, отсеивая смертельные уровни UVB-излучения (ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 315 до 280 нанометров) и тем самым облегчая миграцию форм жизни из океаны на сушу.

озон: дыра

Изменение размера озоновой дыры с октября 1979 по октябрь 1990 года.

© Photos.com/Thinkstock Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Количество озона в стратосфере естественным образом меняется в течение года в результате химических процессов, которые создают и разрушают молекулы озона, а также в результате ветров и других транспортных процессов, которые перемещают молекулы озона по планете. Однако в течение нескольких десятилетий деятельность человека существенно изменила озоновый слой.Разрушение озона, глобальное уменьшение содержания озона в стратосфере, наблюдаемое с 1970-х годов, наиболее заметно в полярных регионах и хорошо коррелирует с увеличением содержания хлора и брома в стратосфере. Эти химические вещества, когда-то освобожденные УФ-излучением от хлорфторуглеродов (CFC) и других галогенуглеродов (углеродно-галогеновых соединений), которые их содержат, разрушают озон, удаляя отдельные атомы кислорода из молекул озона. Истощение настолько велико, что так называемые озоновые дыры (районы с сильно уменьшенным озоновым покрытием) образуются над полюсами в начале их соответствующих весенних сезонов.Самая большая такая дыра, площадь которой составляет более 20,7 миллиона квадратных километров (8 миллионов квадратных миль) на постоянной основе с 1992 года, ежегодно появляется над Антарктидой в период с сентября по ноябрь.

По мере того, как количество стратосферного озона уменьшается, все больше УФ-излучения достигает поверхности Земли, и ученые опасаются, что такое увеличение может иметь значительные последствия для экосистем и здоровья человека. Обеспокоенность по поводу воздействия биологически вредных уровней УФ-излучения стала основной движущей силой создания международных договоров, таких как Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, и поправки к нему, предназначенные для защиты озонового слоя Земли.Монреальский протокол оказался успешным: около 99 процентов озоноразрушающих химикатов, регулируемых этим договором, были выведены из обращения с момента его принятия в 1987 году. Соблюдение международных договоров, по которым было прекращено производство и поставка многих озоноразрушающих химикатов, считается, что в сочетании с похолоданием в верхних слоях стратосферы из-за увеличения содержания углекислого газа они способствовали сокращению озоновых дыр над полюсами и несколько более высокому уровню озона в стратосфере в целом.Ожидается, что продолжающееся сокращение содержания хлора приведет к уменьшению озоновых дыр над Антарктидой после 2040 года. Однако некоторые ученые отметили, что повышение уровней стратосферного озона произошло только в верхних слоях стратосферы, причем снижение концентрации озона в нижних слоях стратосферы опережало рост верхняя стратосфера.

озонозонд

Исследователи запускают воздушный шар с озонозондом, прибором для измерения содержания озона в атмосфере, на Южнополярной станции Амундсен-Скотт в Антарктиде.

NOAA Дональд Вуэбблс

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

Тропосфера — обзор | ScienceDirect Topics

1.1.1 Тропосфера

Тропосфера, где находится ~ 90% воздушной массы над Землей, относится к нижним ~ 10 км атмосферы (рис. 1.1). В тропосфере атмосферная температура опускается вверх с наклоном ~ 10 К км -1 для сухого воздуха и ~ 7 К км -1 для влажного воздуха. Ночью температура воздуха у поверхности может опускаться до ~ 100 м из-за сочетания длинноволнового излучения Земли и так называемого парникового эффекта.В тропосфере были проведены многочисленные полевые кампании для изучения состава воздуха в развитых районах, таких как Северная Америка, Европа, Восточная Азия, Австралия и Новая Зеландия, их подветренные районы, такие как Атлантический океан и Тихий океан, а также в отдаленных регионах. такие как Арктика и Антарктика. Хотя большинство наблюдений проводилось вблизи поверхности, значительные усилия, такие как использование воздушных шаров, полетов, ракет и спутников, также были предприняты для наблюдения за составом воздуха выше, особенно в последние десятилетия.В густонаселенных развивающихся странах, таких как Китай и Индия, недавно были проведены полевые кампании по исследованию химических веществ, вызывающих загрязнение воздуха, таких как O 3 , кислотные дожди и твердые частицы.

В среднем за год в мире современный состав тропосферного воздуха, за исключением H 2 O, CO 2 , CH 4 и N 2 O, указан в таблице 1.1, которая называется «сухой воздух». ».

Таблица 1.1. Состав сухого воздуха

Сухой воздух Молярное соотношение смеси
N 2 7.81E-01
O 2 2.10E-01
«Благородные газы» 9.32E-03
H 2 6.00E-07 1.00E + 00

Примечание: 1E-01 обозначает 1 × 10 -1 , а молярные отношения смеси благородных газов He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn равны 5E-8, 1.5E-5, 0.93E-2, 1E-6, 5E-8 и 2E-19 соответственно.

Можно видеть, что наиболее распространенным химическим веществом является N 2 , за ним следуют O 2 и, в свою очередь, благородные газы и H 2 .Химический состав сухого воздуха, с точки зрения соотношения компонентов смеси, мало изменяется в открытой атмосфере Земли или как определено, хотя соотношение смешивания O 2 нарушается людьми, животными, растениями и зерновыми культурами, и может изменяться геохимическими процессами. Существует ряд гипотез относительно того, как химический состав сухого воздуха достиг своего нынешнего состояния. Например, в самом начале сухой воздух Земли мог быть чистым CO 2 , аналогично нынешнему статусу Марса; биогеохимические процессы могли постепенно связывать углерод из воздуха с образованием ископаемого топлива под землей и оставлять O 2 в воздухе.Это процесс фотосинтеза в растениях, который преобразует CO 2 и H 2 O в O 2 , в то время как другие процессы являются предметом моделирования земной системы. Предполагается, что пропорции смешивания N 2 , H 2 и инертных газов в сухом воздухе являются результатом сложных биогеохимических процессов. При нынешних уровнях эти газы, за исключением Rn, не сообщают о неблагоприятном воздействии на здоровье человека, и люди и животные, возможно, адаптировались к их уровням в воздухе.Как промышленный ресурс, N 2 обычно используется для производства азотных удобрений и используется в качестве жидкого агента в небольших хирургических вмешательствах, а он используется для наполнения воздушных шаров.

Помимо сухого воздуха, H 2 O является важным компонентом воздуха в тропосфере. С одной стороны, это резервуар для осадков, который обеспечивает экономичную питьевую воду и водоснабжение для сельскохозяйственных, промышленных и рекреационных целей. С другой стороны, это естественный и самый важный парниковый газ в современном воздухе, который повышает температуру приземного воздуха более чем на 30 К, так что поверхность Земли становится обитаемой для людей и животных.Соотношение в смеси паров H 2 O в тропосфере колеблется от <0,01 процента до нескольких процентов, в зависимости от высоты, широты, долготы, температуры поверхности и других характеристик, таких как близость к водоемам, таким как пруды, реки и т. Д. озера, лиманы, моря и океаны. Воздух может содержать небольшое количество жидкой воды в виде дождя, облака, тумана, дымки или влажного аэрозоля; когда воздух достаточно холодный, например, в нетропических районах зимой или в верхних слоях тропосферы, он также может содержать еще меньшее количество твердой воды, такой как снег, град, крупа, иней, перистые облака, инверсионные следы или другие ледяные частицы, взвешенные в воздух.В таблице 1.2 приведен типичный сезонный коэффициент смешивания насыщенного водяного пара в северном полушарии, который колеблется от 0,1% до 4%. Над Мировым океаном относительная влажность у поверхности близка к 100%. На суше относительная влажность колеблется от менее 5% в пустынях до более 90% в прибрежных районах. Таким образом, водяной пар является третьим или четвертым по распространенности газом в приземном воздухе.

Таблица 1.2. Типичный сезонный коэффициент смешивания насыщенного водяного пара

.033
Latitude DJF MAM JJA SON
0,035 0,033 0,033
15 0,041 0,035 0,037 0,035
30 0,017 0,02 902 902 9021 9021 0,017 0,02 902 902 902 902 9021 0,017 0,02 902 902 9021 9021 0,017 0,006 0,013 0,026 0,015
60 0,002 0,004 0,017 0,007
75 0.001 0,001 0,007 0,003

Примечание. Давление насыщенного водяного пара (паскаля) было рассчитано как 610,94 × exp {17,625 × T (° C) / [ T (° C) + 243.04]}. DJF, декабрь, январь, февраль; МАМ, март, апрель, май; JJA, июнь, июль, август; СЫН, сентябрь, октябрь, ноябрь.

В целом соотношение смеси H 2 O выше в тропиках, чем в полярных районах, летом выше, чем зимой, выше над сельхозугодьями и лесами, чем над пустынями, и выше у поверхности, чем дальше от поверхности ; Эти явления отражают тот факт, что H 2 O испаряется быстрее при более высоких температурах и пары H 2 O переносятся в тропосфере вслед за воздушными потоками, называемыми общей циркуляцией.

CO 2 , CH 4 и N 2 O — три наиболее важных парниковых газа в современной тропосфере, поскольку региональная и глобальная индустриализация ускорила тенденции к их росту, особенно в последние десятилетия. Антропогенная деятельность, связанная с сжиганием, использует энергию ископаемого топлива и биомассы и выбрасывает CO 2 в атмосферу, в основном в тропосферу, за исключением авиации. В глобальном масштабе антропогенные выбросы CO 2 резко возросли с начала индустриализации более века назад и недавно составили ~ 40 миллиардов тонн в год.Свежевыброшенный CO 2 частично фиксируется растениями над землей и в поверхностных водах, а частично растворяется в водоемах. Атмосферный CO 2 может также преобразовывать некоторые породы в геохимическом масштабе времени. Остаток остается в атмосфере, в основном в тропосфере, и повышает там соотношение смеси CO 2 . На рисунке 1.2 показано годовое увеличение CO 2 над мировым океаном в 1996–2007 годах (Longinelli et al., 2010). Поскольку время жизни CO 2 в тропосфере на порядок больше, чем время перемешивания тропосферного воздуха, CO 2 хорошо перемешивается в тропосфере, за исключением поверхности со стоками или вблизи источников выбросов.Фактически, исследования показали, что соотношение смешивания CO 2 увеличилось с ~ 280 ppmv в 1750 году до ~ 310 ppmv в 1950 году, согласно анализу ледяных кернов, и до ~ 380 ppmv в 2010 году на основе измерений на наземной станции. ~ 3 км над уровнем моря в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях (Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC), лауреат Нобелевской премии, 2007 г.). Если антропогенная эмиссия CO 2 будет следовать текущей тенденции, соотношение смеси CO 2 в атмосфере может достигнуть 600 ppm до 2100 г .; точная реакция атмосферного CO 2 на потребление ископаемого топлива зависит от сложных факторов, находящихся в рамках активных исследований.Увеличение соотношения смешивания CO 2 в атмосфере имеет два противоположных эффекта для человека: с одной стороны, более высокое соотношение смешивания CO 2 может повысить урожайность сельскохозяйственных культур и согреть холодные регионы, если другие условия будут исправлены; с другой стороны, более высокое соотношение смешивания CO 2 может иметь вредные последствия, такие как потеря прибрежных заболоченных земель, более частые штормы или засухи и более застойный воздух у поверхности.

Рисунок 1.2. Наблюдаемое соотношение смешивания CO 2 в атмосфере.

Получено от Longinelli et al. (2010).

Коэффициент смешения CH 4 в тропосфере в настоящее время составляет ~ 1,8 ppm, с немного более высоким коэффициентом смешения в северном полушарии, где расположено большинство источников, чем в южном полушарии из-за его относительно короткого срока службы (~ 10 лет). по сравнению с масштабом межполушарного воздухообмена (~ 1 год). CH 4 является основным компонентом природного газа и широко используется в качестве чистого топлива для бытовых, транспортных и промышленных нужд, когда это возможно.Для сравнения, в середине восемнадцатого века соотношение смеси CH 4 составляло ~ 0,8 ppm. Тропосферный CH 4 может образовываться в результате утечек во время производства, хранения, транспортировки и потребления ископаемого топлива, а также может выбрасываться с рисовых полей и болот в определенные периоды, а также из других источников. CH 4 — сильный парниковый газ, например со 100-летним потенциалом глобального потепления, в 21 раз превышающим CO 2 , согласно МГЭИК; он также вносит значительный вклад в фотохимическое производство O 3 в тропосфере в глобальном масштабе.

N 2 O достаточно устойчив в тропосфере, и его текущее соотношение смешения составляет ~ 0.32 ppm. В природе это веселящий газ, который также выделяется с сельскохозяйственных угодий. Согласно недавнему исследованию, проведенному в Калифорнии, синтетические удобрения и дорожные транспортные средства стали там доминирующими источниками выбросов N 2 O. По оценкам, тропосферный N 2 O увеличился на ~ 10% по сравнению с доиндустриальным 1750. N 2 O — мощный парниковый газ, с потенциалом глобального потепления за 100 лет в 310 раз больше, чем CO 2 , согласно данным МГЭИК.

атмосфера | Определение, слои и факты

Атмосфера , газовая и аэрозольная оболочка, которая простирается от океана, суши и покрытой льдом поверхности планеты в космос. Плотность атмосферы уменьшается наружу, потому что гравитационное притяжение планеты, которое притягивает газы и аэрозоли (микроскопические взвешенные частицы пыли, сажи, дыма или химикатов) внутрь, наиболее близко к поверхности. Атмосферы некоторых планетных тел, таких как Меркурий, практически отсутствуют, поскольку изначальная атмосфера избежала относительно низкого гравитационного притяжения планеты и была выпущена в космос.Другие планеты, такие как Венера, Земля, Марс и внешние планеты-гиганты Солнечной системы, сохранили атмосферу. Кроме того, атмосфера Земли может содержать воду в каждой из трех фаз (твердой, жидкой и газовой), что имеет важное значение для развития жизни на планете.

перистые перистые облака над провинциальным парком плотины Пинава

Атмосферы планет солнечной системы состоят из различных газов, твердых частиц и жидкостей. Они также являются динамическими местами, которые перераспределяют тепло и другие формы энергии.На Земле атмосфера обеспечивает жизненно важные ингредиенты. Здесь перистые перистые облака плывут по глубокому синему небу над провинциальным парком Пинава-Дам, недалеко от Пинавы, Манитоба, Канада.

© Кушниров Авраам / Dreamstime.com

Британская викторина

Как работает Земля: Викторина

Науки о Земле рассказывают нам, как работает Земля.Узнайте, насколько вы ученый, занимающийся Землей, пройдя этот тест.

Эволюция современной атмосферы Земли до конца не изучена. Считается, что нынешняя атмосфера возникла в результате постепенного высвобождения газов как изнутри планеты, так и в результате метаболической активности форм жизни, в отличие от изначальной атмосферы, которая образовалась за счет выделения газов во время первоначального формирования планеты. . Текущие выбросы вулканических газов включают водяной пар (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ), диоксид серы (SO 2 ), сероводород (H 2 S), оксид углерода (CO), хлор. (Cl), фтор (F) и двухатомный азот (N 2 ; состоящий из двух атомов в одной молекуле), а также следы других веществ.Примерно 85 процентов вулканических выбросов происходит в виде водяного пара. Напротив, диоксид углерода составляет около 10 процентов сточных вод.

Во время ранней эволюции атмосферы на Земле вода должна была существовать в жидком виде, поскольку океаны существовали не менее трех миллиардов лет. Учитывая, что солнечная энергия четыре миллиарда лет назад составляла всего около 60 процентов от сегодняшней, должны были присутствовать повышенные уровни углекислого газа и, возможно, аммиака (NH 3 ), чтобы замедлить потерю инфракрасного излучения в космос.Первоначальные формы жизни, которые развивались в этой среде, должны были быть анаэробными (то есть выжившими в отсутствие кислорода). Вдобавок они должны были противостоять биологически разрушительному ультрафиолетовому излучению солнечного света, которое не поглощалось слоем озона, как сейчас.

Когда организмы развили способность к фотосинтезу, кислород стал производиться в больших количествах. Накопление кислорода в атмосфере также способствовало развитию озонового слоя, поскольку молекулы O 2 диссоциировали на одноатомный кислород (O; состоящий из отдельных атомов кислорода) и рекомбинировали с другими молекулами O 2 с образованием трехатомных молекул озона ( О 3 ).Способность к фотосинтезу возникла у примитивных форм растений от двух до трех миллиардов лет назад. До эволюции фотосинтезирующих организмов кислород производился в ограниченных количествах как побочный продукт разложения водяного пара ультрафиолетовым излучением.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Узнайте, сколько азота, кислорода, водяного пара, углекислого газа и других элементов составляет воздух Земли.

Атмосфера Земли представляет собой смесь азота, кислорода, водяного пара, углекислого газа и нескольких других второстепенных компонентов.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

В настоящее время молекулярный состав атмосферы Земли состоит из двухатомного азота (N 2 ), 78,08%; двухатомный кислород (O 2 ), 20,95 процента; аргон (А) 0,93%; вода (H 2 0), примерно от 0 до 4 процентов; и диоксид углерода (CO 2 ) 0,04 процента. Инертные газы, такие как неон (Ne), гелий (He) и криптон (Kr), а также другие составляющие, такие как оксиды азота, соединения серы и соединения озона, встречаются в меньших количествах.

В этой статье дается обзор физических сил, которые управляют атмосферными процессами Земли, структуры атмосферы Земли и приборов, используемых для измерения атмосферы Земли. Для полного описания процессов, которые создали нынешнюю атмосферу на Земле, см. эволюция атмосферы. Для получения информации о долгосрочных условиях атмосферы на поверхности Земли, см. климат. Для описания самых высоких областей атмосферы, где условия в основном определяются наличием заряженных частиц, см. ионосфера и магнитосфера.

Термосфера — обзор | Темы ScienceDirect

2.2.1 Атмосфера Земли

Масса атмосферы Земли составляет приблизительно 5,15 × 10 21 г. Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет p 0 = 1,0132 бар = 1013,2 мбар (760 мм рт. Ст.). Его плотность составляет ρ 0 ≈ 1,27 × 10 — 3 г / см 3 . С увеличением высоты давление и плотность воздуха быстро уменьшаются по экспоненциальному закону

(2.1) p = p0exp − gμRTz,

, где g, — ускорение свободного падения, μ, — средняя молекулярная масса атмосферных газов (при р = р 0 ; μ = 28.97 г), R = 8,314 × 10 7 эрг / град моль — газовая постоянная, Т, — абсолютная температура в градусах Кельвина, z — высота над уровнем моря в сантиметрах. Соответственно уменьшается и плотность воздуха с высотой.

Азотно-кислородный состав атмосферы Земли — уникальная особенность планет Солнечной системы.Сухой воздух содержит 75,51% (по массе) азота, 23,15% кислорода, 1,28% аргона, 0,046% углекислого газа, 0,00125% неона и около 0,0007% других газов (Справочник, 1990). Водяной пар (и вода в облачных каплях) — важный активный компонент атмосферы. Содержание водяного пара и воды в атмосфере достигает (0,12–0,13) × 10 20 г, что эквивалентно слою воды толщиной 2,5 см (25 мм) на всей Земле (или 2,5 г / см). Принимая во внимание среднегодовое испарение и количество осадков (~ 780 мм водяного столба), легко подсчитать, что водяной пар в атмосфере изменяется примерно 30 раз в год или один раз в 12 дней.В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода поглощают энергию этого излучения и диссоциируют. Этот процесс спасает жизнь на поверхности Земли от смертоносных ультрафиолетовых (УФ) лучей. Побочным продуктом этого процесса (а не его причиной!) Является появление так называемого озонового слоя стратосферы, состоящего из трехатомных молекул кислорода (подробности см. В разделе 12.7).

Классический вариант режима атмосферы и земной поверхности определяется уравнением Стефана – Больцмана

(2.2) Te4 = (1 − A) 4σS = (1 − A) Tbb4,

, где Т Å = 255 K — эффективная температура (градусы Кельвина), при которой Земля видна из космоса с углом прецессии нуля, T bb = 278,8 K — температура абсолютно черного тела на среднем расстоянии Земли от Солнца (градус Кельвина) также с нулевым углом прецессии, À ≈ 0,3 — полное сферическое альбедо (коэффициент отражения ) атмосферы и поверхности Земли; S = 1.367 × 10 6 эрг / см 2 с — среднее значение солнечной постоянной, определяющей удельный поток солнечной энергии, воздействующей на Землю непосредственно под Солнцем; σ = 5.67 × 10 — 5 эрг / см 2 с град 4 — постоянная Стефана – Больцмана. Классические уравнения, определяющие эффективную температуру Земли и температуру абсолютно черного тела на расстоянии Солнце – Земля, делят солнечную постоянную S на 4, поскольку предполагается, что освещенный диск Земли ровно в четыре раза меньше площади Земли.Однако это справедливо только в том случае, если угол прецессии ψ равен нулю или когда угол прецессии лежит в плоскости, перпендикулярной направлению на Солнце. Во всех остальных случаях при вычислении T e и T bb необходимо учитывать угол прецессии (подробности см. В главе 13).

Как уравнение. (2.2) показывает, что 30% солнечной радиации отражается атмосферой и поверхностью Земли обратно в космическое пространство, а остальная часть энергии (70%) рассеивается в атмосфере и поглощается поверхностью Земли.Основными поглотителями энергии Солнца в атмосфере являются водяной пар, углекислый газ и процесс диссоциации кислорода в стратосфере. Облачный покров создает сильную отрицательную обратную связь между эффективной температурой и атмосферным альбедо. Известно, что любая такая обратная связь в системе приводит к ее стабилизации и линеаризации реакции на выходе системы относительно ее действия на входе. В результате средняя приповерхностная температура T s становится линейной функцией температуры, функцией, описывающей излучение Солнца, то есть температуры черного тела на расстоянии планеты от Солнца

(2.3) Ц ~ Тбб.

Нагрев самого нижнего и наиболее плотного слоя атмосферы (тропосферы) приводит к возникновению конвективного перемешивания воздуха в этом слое. Как известно (Ландау, Лифшиц, 1976), для адиабатических процессов

(2.4) T = Cαpα,

, где р — давление, α = ( γ — 1) / γ ; γ = c p / c v , c p и c v — теплоемкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.Для всех трехатомных газов (СО 2 и Н 2 О) γ ≈ 1,3, α = 0,2308, а для двухатомных газов (N 2 и О 2 ) γ ≈ 1,3 и α = 0,2857. При конденсации водяного пара во влажной тропосфере выделяется тепло, и температура воздуха повышается. Результатом является уменьшение показателя адиабаты α . Например, среднее значение этого параметра для влажной тропосферы Земли составляет α = 0.1905 г. (Сорохтин, 2001а, б).

Два приведенных условия достаточны для однозначного определения распределения средней температуры в тропосфере и парникового эффекта ∆ T атмосферы

(2,5) T = Ts − Te.

См. Подробности в главе 13.

Тропосфера концентрирует около 80% атмосферного воздуха. Его мощность колеблется от 8–10 км в приполярных областях до 17–18 км у экватора (в среднем 10–12 км). Среднее значение адиабатического градиента температуры для влажной тропосферы составляет около 6.5 К / км (для сухого воздуха 9,8 К / км). В отличие от конвективного тепловыделения из тропосферы, основным механизмом передачи тепла в верхних слоях атмосферы (стратосфере, мезосфере и термосфере) является излучение. По этой причине распределение температуры в верхних слоях атмосферы усложняется. В частности, поглощение УФ-излучения Солнца происходит в стратосфере и мезосфере за счет диссоциации молекулы кислорода на атомы

(2.6) О2 + hv → 2О,

, где — энергия УФ-излучения Солнца, ч = 6.626 × 10 — 27 эрг с — постоянная Планка, ν — частота поглощенных УФ-электромагнитных флуктуаций. Для реакции (2.6) = 5,12 эв; ν ≥ 1,24 × 10 15 Гц на длине волны λ ≤ 2420 Ǻ. Происходит обратная реакция присоединения атомов кислорода в молекулу с выделением тепла

(2.7) О + О → О2 + 118 ккал / моль

, затрачиваемого на нагрев стратосферы и мезосферы (см. Раздел 12.7).

В результате радиационно-конвективного баланса атмосферы средняя температура на поверхности Земли положительная + 15 ° C, хотя ее колебания в различных климатических зонах могут достигать 150 ° С.

Поглощение УФ-излучения Солнца в разреженном воздухе тропосферы и мезосферы в основном вызвано фотохимической диссоциацией молекул кислорода и воды, сопровождающейся поглощением жесткого излучения Солнца

O2 + hv → 2O, h3O + hv → OH + O.

Образование озона, с другой стороны, происходит с выделением тепла, тогда как диссоциация озона, опять же, вызывается поглощением УФ-излучения Солнца

O2 + O → O3 + 31,7 ккал / моль, O3 + hv → O2 + O.

Тепловыделение при образовании молекулы озона приводит к нагреву разреженной воздушной массы в стратосфере и мезосфере, что хорошо видно на температурном профиле этих атмосферных слоев (см. Рис. 2.2).

Рисунок 2.2. Распределение температуры в стандартной модели атмосферы Земли.

Есть переходные слои между тропосферой и стратосферой, мезосферой и термосферой. Это соответственно тропопауза (температура 190–220 К) и мезопауза (температура близкая к 180–190 К) .

Над мезосферой находится термосфера, в которой температура ионизированного газа повышается с высотой до 1000 К и более.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *