Атмосфера Землі неоднорідна: на різних висотах спостерігаються різна щільність повітря та тиск, змінюється температура та газовий склад.

З поведінки температури навколишнього повітря (тобто. зростає температура з висотою чи знижується) у ній виділяються такі верстви: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера.

Межі між шарами називаються паузами: їх налічується 4 т.к. верхня межа екзосфери дуже розмита і найчастіше належить до ближнього космосу.

Із загальною будовою атмосфери можна ознайомитися на схемі, що додається.

Рис.1 Будова атмосфери Землі. Credit: сайт

З парниковим ефектом пов'язане зниження температури повітря в тропосфері з висотою (бо нагріта Земля більше тепла дає приземним шарам). Середній вертикальний градієнт становить 0,65 ° / 100 м (тобто температура повітря знижується на 0,65 ° C при підйомі на кожні 100 метрів). Так, якщо у поверхні Землі в районі екватора середньорічна температура повітря становить +26° то на верхньому кордоні -70°. Температура в районі тропопаузи над північним полюсом протягом року змінюється від -45 ° влітку до -65 ° взимку.

Зі зростанням висоти падає і тиск повітря, становлячи біля верхньої межі тропосфери лише 12-20% від приповерхневого.

На межі тропосфери та вищележачого шару стратосфери лежить шар тропопаузи, завтовшки 1-2 км. Як нижні межі тропопаузи зазвичай приймається шар повітря в якому вертикальний градієнт знижується до 0,2 ° / 100 м проти 0,65 ° / 100 м в районах нижче тропосфери.

У межах тропопаузи спостерігаються повітряні потоки строго певного напрями, звані висотні струменеві течії чи " реактивні потоки " (jet streams), що утворюються під впливом обертання Землі навколо своєї осі та нагрівання атмосфери з участю сонячної радіації. Спостерігаються течії на межах зон із значними перепадами температур. Виділяють кілька вогнищ локалізації цих течій, наприклад, арктичний, субтропічний, субполярний та інші. Знання локалізації jet streams дуже важливе для метеорології та авіації: перша використовує потоки для точного прогнозування погоди, друга для побудови маршрутів польотів літаків, т.к. на межах потоків існують сильні турбулентні вихори, подібні до невеликих вир, звані через відсутність на цих висотах хмарності "турбулентністю ясного неба".

Під впливом висотних струменевих течій у тропопаузі часто утворюються розриви, а часом вона взагалі зникає, щоправда, потім утворюється заново. Особливо часто це спостерігається в субтропічних широтах, над якими панує потужна субтропічна висотна течія. Крім того, до формування розривів призводить різниця шарів тропопаузи за температурою навколишнього повітря. Наприклад, великий розрив існує між теплою та низькою полярною тропопаузою та високою та холодною тропопаузою тропічних широт. Останнім часом виділяється і шар тропопаузи помірних широт, що має розриви з попередніми двома шарами: полярним та тропічним.

Другим прошарком земної атмосфери є стратосфера.

Стратосферу умовно можна поділити на 2 області.

Перша з них, що лежить до висот 25 км, характеризується майже постійними температурами, які дорівнюють температурам верхніх шарів тропосфери над конкретною місцевістю. Друга область або область інверсії характеризується підвищенням температури повітря до висот приблизно 40 км. Це відбувається за рахунок поглинання киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. У верхній частині стратосфери завдяки цьому прогріву температура часто є позитивною або навіть порівнянною з температурою приземного повітря.

Вище області інверсії знаходиться шар постійних температур, який зветься стратопаузи і є межею між стратосферою та мезосферою.

Її товщина сягає 15 км.

На відміну від тропосфери в стратосфері рідкісні турбулентні обурення, проте відзначені сильні горизонтальні вітри або струменеві течії, що дмуть у вузьких зонах вздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Становище цих зон непостійне: вони можуть зміщуватися, розширюватися і навіть зовсім зникати.

Шар атмосфери, що лежить вище стратосфери, називається мезосферою. Для нього характерне зниження температури повітря з висотою із середнім вертикальним градієнтом 0,25-0,3°/100 м, що призводить до сильної турбулентності. У верхніх кордонів мезосфери в області званої мезопаузою були відзначені температури до -138 ° С, що є абсолютним мінімумом для всієї атмосфери Землі в цілому.

Тут же в межах мезопаузи проходить нижня межа області активного поглинання рентгенівського та короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. Подібний енергетичний процес отримав назву променистий теплообмін. В результаті відбувається нагрівання та іонізація газу, що зумовлює свічення атмосфери.

На висотах 75-90 км біля верхніх кордонів мезосфери було відзначено особливі хмари, які у полярних регіонах планети великі площі. Називають ці хмари сріблястими через їхнє свічення в сутінках, яке обумовлено відображенням сонячних променів від крижаних кристалів, з яких ці хмари складаються.

Тиск повітря в межах мезопаузи в 200 разів менший, ніж у земної поверхні. Це говорить про те, що майже все повітря атмосфери зосереджений у її трьох нижніх шарах: тропосфері, стратосфері та мезосфері. На вищі шари термосферу і екзосферу припадає лише 0,05% маси всієї атмосфери.

Термосфера лежить на висотах від 90 до 800 км. над поверхнею Землі.

Для термосфери характерне безперервне зростання температури повітря до висот 200-300 км, де може досягати 2500°C. Зростання температури відбувається рахунок поглинання молекулами газу рентгенівського і короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Понад 300 км над рівнем моря зростання температури припиняється.

Одночасно зі зростанням температури знижується тиск, і, отже, щільність навколишнього повітря. Так якщо у нижніх меж термосфери щільність становить 1,8×10 -8 г/см 3 , то у верхніх вже 1,8×10 -15 г/см 3 , що відповідає приблизно 10 млн. - 1 млрд. частинок в 1 см 3 .

Всі характеристики термосфери, такі як склад повітря, його температура, щільність, схильні до сильних коливань: залежно від географічного положення, сезону року та доби. Змінюється навіть розташування верхньої межі термосфери.

Найвищий шар атмосфери називається екзосферою або шаром розсіювання. Його нижня межа постійно змінюється у дуже широких межах; за середню величину прийнята висота 690-800 км. Встановлюється вона там, де ймовірність міжмолекулярних чи міжатомних зіткнень можна знехтувати, тобто. середня відстань, яку подолає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою (т.зв. вільний пробіг) буде настільки велика, що фактично молекули з ймовірністю близькою до нуля не зіткнутися. Шар де має місце позначатися описане явище називається термопаузою.

Верхня межа екзосфери лежить на висотах 2-3 тис. км. Вона сильно розмита і поступово перетворюється на близькокосмічний вакуум. Іноді, з цієї причини, екзосферу вважають частиною космічного простору, а за її верхню межу приймають висоту 190 тис.км, де вплив тиску сонячного випромінювання швидкості атомів водню перевищує гравітаційне тяжіння Землі. Це т.зв. земна корона, що з атомів водню. Щільність земної корони дуже мала: всього 1000 частинок у кубічному сантиметрі, але це число більш ніж 10 разів перевищує концентрацію частинок в міжпланетному просторі.

У зв'язку з надзвичайною розрідженістю повітря екзосфери частинки рухаються навколо Землі по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. Деякі з них, рухаючись по розімкнених або гіперболічних траєкторіях з космічними швидкостями (атоми водню та гелію) залишають межі атмосфери і йдуть у космічний простір, через що екзосферу називають сферою розсіювання.

Атмосфера Землі

Атмосфера(Від. ін.-грец.ἀτμός - пара і σφαῖρα - куля) - газоваоболонка ( геосфера), що оточує планету Земля. Внутрішня поверхня її покриває гідросферута частково кору, зовнішня межує з навколоземною частиною космічного простору

Сукупність розділів фізики та хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погодуна поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.

Будова атмосфери

Будова атмосфери

Тропосфера

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній основний шар атмосфери. Містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентністьі конвекція, виникають хмари, розвиваються циклониі антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65 ° / 100 м

За «нормальні умови» біля Землі прийняті: щільність 1,2 кг/м3, барометричний тиск 101,35 кПа, температура плюс 20 °C і відносна вологість 50 %. Ці умовні показники мають суто інженерне значення.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерна незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від −56,5 до 0,8° З(верхній шар стратосфери чи область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км значення близько 273 К (майже 0 ° С), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузоюі є кордоном між стратосферою та мезосферою.

Стратопауза

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Землі

Мезосферапочинається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси за участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул і т. д. обумовлюють свічення атмосфери.

Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце щонайменше (близько -90 °C).

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом.

Термосфера

Основна стаття: Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря (« полярні сяйва») - основні галузі іоносферилежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень.

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера (сфера розсіювання)

Екзосфера- Зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір. дисипація).

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~1500 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3000 км екзосфера поступово переходить у так званий ближньокосмічний вакуум, що заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферуі гетеросферу. Гетеросфера - це область, де гравітація впливає поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузоюВона лежить на висоті близько 120 км.

Фізичні властивості

Товщина атмосфери – приблизно 2000 – 3000 км від поверхні Землі. Сумарна маса повітря- (5,1-5,3) 10 18 кг. Молярна масачистого сухого повітря складає 28,966. Тискпри 0 °C на рівні моря 101,325 кПа; критична температура? 140,7 ° C; критичний тиск 3,7 МПа; C p 1,0048×10 3 Дж/(кгК)(при 0 °C), C v 0,7159×10 3 Дж/(кгК) (при 0 °C). Розчинність повітря у воді при 0 °C – 0,036 %, при 25 °C – 0,22 %.

Фізіологічні та інші властивості атмосфери

Вже на висоті 5 км над рівнем моря у нетренованої людини з'являється кисневе голодуванняі без адаптації працездатність людини значно знижується. Тут кінчається фізіологічна зона атмосфери. Подих людини стає неможливим на висоті 15 км, хоча приблизно до 115 км атмосфера містить кисень.

Атмосфера забезпечує нас необхідним для дихання киснем. Однак унаслідок падіння загального тиску атмосфери у міру підйому на висоту відповідно знижується і парціальний тиск кисню.

У легені людини постійно міститься близько 3 л альвеолярного повітря. Парціальний тисккисню в альвеолярному повітрі при нормальному атмосферному тиску становить 110 мм рт. ст., тиск вуглекислого газу – 40 мм рт. ст., а пара води - 47 мм рт. ст. Зі збільшенням висоти тиск кисню падає, а сумарний тиск парів води та вуглекислоти в легенях залишається майже постійним - близько 87 мм рт. ст. Надходження кисню в легені повністю припиниться, коли тиск навколишнього повітря дорівнюватиме цій величині.

На висоті близько 19-20 км. тиск атмосфери знижується до 47 мм рт. ст. Тому на цій висоті починається кипіння води та міжтканинної рідини в організмі людини. Поза герметичною кабіною цих висотах смерть настає майже миттєво. Таким чином, з погляду фізіології людини, "космос" починається вже на висоті 15-19 км.

Щільні шари повітря - тропосфера і стратосфера - захищають нас від дії радіації. При достатньому розрідженні повітря, на висотах понад 36 км, інтенсивну дію на організм має іонізуюча радіація- первинні космічні промені; на висотах понад 40 км. діє небезпечна для людини ультрафіолетова частина сонячного спектру.

У міру підйому на все більшу висоту над поверхнею Землі поступово послаблюються, а потім і повністю зникають, такі звичні для нас явища, що спостерігаються в нижніх шарах атмосфери, як поширення звуку, виникнення аеродинамічної підйомної силита опору, передача тепла конвекцієюта ін.

У розріджених шарах повітря поширення звукувиявляється неможливим. До висот 60-90 км ще можливе використання опору та підйомної сили повітря для керованого аеродинамічного польоту. Але починаючи з висот 100-130 км знайомі кожному льотчику поняття числа Мі звукового бар'єрувтрачають свій сенс, там проходить умовна Лінія Кармануза якою починається сфера суто балістичного польоту, керувати яким можна лише використовуючи реактивні сили.

На висотах вище 100 км атмосфера позбавлена ​​й іншої чудової властивості - здатності поглинати, проводити та передавати теплову енергію шляхом конвекції (тобто за допомогою перемішування повітря). Це означає, що різні елементи обладнання, апаратури орбітальної космічної станції не зможуть охолоджуватися зовні так, як це робиться зазвичай літаком, - за допомогою повітряних струменів і повітряних радіаторів. На такій висоті, як і взагалі у космосі, єдиним способом передачі тепла є теплове випромінювання.

Склад атмосфери

Склад сухого повітря

Атмосфера Землі складається в основному з газів та різних домішок (пил, краплі води, кристали льоду, морські солі, продукти горіння).

Концентрація газів, що становлять атмосферу, практично постійна, за винятком води (H 2 O) та вуглекислого газу (CO 2).

Крім зазначених у таблиці газів, в атмосфері містяться SO 2 , NH 3 , озон, вуглеводні, HCl, HF, пари Hg, I 2 , а також NOта багато інших газів у незначних кількостях. У тропосфері постійно знаходиться велика кількість завислих твердих і рідких частинок ( аерозоль).

Історія освіти атмосфери

Згідно з найпоширенішою теорією, атмосфера Землі в часі перебувала в чотирьох різних складах. Спочатку вона складалася з легких газів ( воднюі гелію), захоплених із міжпланетного простору. Це так звана первинна атмосфера(близько чотирьох мільярдів років тому). На наступному етапі активна вулканічна діяльність призвела до насичення атмосфери та іншими газами, крім водню (вуглекислим газом, аміаком, водяною парою). Так утворилася вторинна атмосфера(близько трьох мільярдів років до наших днів). Ця атмосфера була відновною. Далі процес утворення атмосфери визначався такими факторами:

витік легких газів (водню та гелію) в міжпланетний простір;

хімічні реакції, що відбуваються в атмосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання, грозових розрядів та деяких інших факторів.

Поступово ці фактори сприяли освіті третинної атмосфери, Що характеризується набагато меншим вмістом водню і набагато більшим - азоту та вуглекислого газу (утворені в результаті хімічних реакцій з аміаку та вуглеводнів).

Азот

Утворення великої кількості N 2 обумовлено окисленням аміачно-водневої атмосфери молекулярним О 2 , який став надходити з поверхні планети в результаті фотосинтезу, починаючи з 3 млрд. років тому. Також N 2 виділяється в атмосферу в результаті денітрифікації нітратів та ін азотовмісних сполук. Азот окислюється озоном до NO у верхніх шарах атмосфери.

Азот N 2 вступає у реакції лише у специфічних умовах (наприклад, при розряді блискавки). Окислення молекулярного азоту озоном при електричних розрядах використовують у промисловому виготовленні азотних добрив. Окислювати його з малими енерговитратами та переводити в біологічно активну форму можуть ціанобактерії (синьо-зелені водорості)і бульбочкові бактерії, що формують ризобіальний симбіозз бобовимирослинами, т.з. сидератами.

Кисень

Склад атмосфери почав радикально змінюватися з появою Землі живих організмів, в результаті фотосинтезу, що супроводжується виділенням кисню та поглинанням вуглекислого газу Спочатку кисень витрачався на окислення відновлених сполук - аміаку, вуглеводнів, закисної форми заліза, що у океанах та інших. По закінченні цього етапу зміст кисню у атмосфері стало зростати. Поступово утворилася сучасна атмосфера, що має окислювальні властивості. Оскільки це викликало серйозні та різкі зміни багатьох процесів, що протікають у атмосфері, літосферіі біосфері, ця подія отримала назву Киснева катастрофа.

Протягом фанерозоюсклад атмосфери та вміст кисню зазнавали змін. Вони корелювали насамперед зі швидкістю відкладення органічних осадових порід. Так, у періоди вугленакопичення вміст кисню в атмосфері, мабуть, помітно перевищував сучасний рівень.

Вуглекислий газ

Зміст в атмосфері СО 2 залежить від вулканічної діяльності та хімічних процесів у земних оболонках, але найбільше - від інтенсивності біосинтезу та розкладання органіки в біосфері Землі. Практично вся поточна біомаса планети (близько 2,4×10 12 тонн ) утворюється за рахунок вуглекислоти, азоту та водяної пари, що містяться в атмосферному повітрі. Похована у океані, в болотахі в лісахорганіка перетворюється на вугілля, нафтуі природний газ. (Див. Геохімічний цикл вуглецю)

Шляхетні гази

Джерело інертних газів - аргону, геліюі криптону- вулканічні виверження та розпад радіоактивних елементів. Земля загалом та атмосфера зокрема збіднені інертними газами порівняно з космосом. Вважається, що причина цього полягає у безперервному витоку газів у міжпланетний простір.

Забруднення атмосфери

Останнім часом на еволюцію атмосфери став впливати людина. Результатом його діяльності стало постійне значне зростання вмісту в атмосфері вуглекислого газу через спалювання вуглеводневого палива, накопиченого в попередніх геологічних епохах. Величезні кількості СО 2 споживаються при фотосинтезі та поглинаються світовим океаном. Цей газ надходить в атмосферу завдяки розкладанню карбонатних гірських порід та органічних речовин рослинного та тваринного походження, а також внаслідок вулканізму та виробничої діяльності людини. За останні 100 років вміст СО 2 в атмосфері зріс на 10%, причому основна частина (360 млрд тонн) надійшла від спалювання палива. Якщо темпи зростання спалювання палива збережуться, то протягом найближчих 50 - 60 років кількість СО 2 в атмосфері подвоїться і може призвести до глобальних змін клімату.

Спалювання палива - основне джерело та забруднюючих газів ( СО, NO, SO 2 ). Діоксид сірки окислюється киснем повітря до SO 3 у верхніх шарах атмосфери, який у свою чергу взаємодіє з парами води та аміаку, а що утворюються при цьому сірчана кислота (Н 2 SO 4 ) і сульфат амонію ((NH 4 ) 2 SO 4 ) повертаються поверхню Землі як т. зв. кислотних дощів. Використання двигунів внутрішнього згорянняпризводить до значного забруднення атмосфери оксидами азоту, вуглеводнями та сполуками свинцю ( тетраетилсвинець Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

Аерозольне забруднення атмосфери зумовлене як природними причинами (виверження вулканів, курні бурі, винесення крапель морської води та пилку рослин та ін.), так і господарською діяльністю людини (видобуток руд та будівельних матеріалів, спалювання палива, виготовлення цементу тощо). Інтенсивне широкомасштабне винесення твердих частинок в атмосферу - одна з можливих причин змін клімату планети.

Блакитна планета...

Ця тема мала з'явитися на сайті однієї з перших. Адже і гелікоптери – атмосферні літальні апарати. Атмосфера Землі- їх, так би мовити, місце існування:-). А фізичні властивості повітрятаки визначають якість цього проживання:-). Тобто, це одна з основ. І про основу завжди пишуть спочатку. Але зрозумів я про це тільки зараз. Однак краще, як відомо, пізно, ніж ніколи… Торкнемося цього питання, в нетрі й непотрібні складнощі, проте не залазячи:-).

Отже… Атмосфера Землі. Це газова оболонка нашої блакитної планети. Така назва всім відома. А чому блакитна? Просто тому, що «блакитна» (а також синя та фіолетова) складова сонячного світла (спектру) найбільш добре розсіюється в атмосфері, забарвлюючи її тим самим у блакитно-синюваті, іноді з відтінком фіолетового тону (в сонячний день, звичайно:-)) .

Склад атмосфери Землі.

Склад атмосфери досить широкий. Перераховувати в тексті всі складові не буду, для цього є хороша ілюстрація. Склад усіх цих газів практично постійний, за винятком вуглекислого газу (2). Крім того, в атмосфері обов'язково міститься вода у вигляді пари, суспензії крапель або кристалів льоду. Кількість води непостійна і залежить від температури та, меншою мірою, від тиску повітря. Крім того, атмосфера Землі (особливо нинішня) містить і певну кількість я б сказав «будь-якої гидоти»:-). Це SO 2 , NH 3 , CO , HCl , NO , крім того є пари ртуті Hg . Правда все це знаходиться там у невеликих кількостях, дякувати Богу:-).

Атмосферу Земліприйнято ділити кілька наступних друг за одним по висоті над поверхнею зон.

Перша, найближча до землі – це тропосфера. Це найнижчий і, так би мовити, основний шар для життєдіяльності різного виду. У ньому міститься 80% маси всього атмосферного повітря (хоча за обсягом вона становить близько 1% всієї атмосфери) і близько 90% всієї атмосферної води. Переважна більшість всіх вітрів, хмар, дощів і снігів 🙂 — звідти. Тропосфера простягається до висот близько 18 км у тропічних широтах і до 10 км у полярних. Температура повітря в ній падає з підйомом на висоту приблизно 0,65 º на кожні 100 м-коду.

атмосферні зони.

Зона друга - стратосфера. Треба сказати, що між тропосферою та стратосферою виділяють ще одну вузьку зону – тропопаузу. У ній припиняється зниження температури з висотою. Тропопауза має середню товщину 1,5-2 км, але межі її нечітки і тропосфера часто перекриває стратосферу.

Так ось, стратосфера має висоту в середньому від 12 км до 50 км. Температура в ній до 25 км залишається незмінною (порядку -57 º С), потім десь до 40 км підвищується приблизно до 0 º С і далі до 50 км залишається незмінною. Стратосфера – відносно спокійна частина землі. Несприятливі погодні умови у ній практично відсутні. Саме в стратосфері розташований знаменитий озоновий шар на висотах від 15-20 км до 55-60 км.

Далі слідує невеликий прикордонний шар стратопауза, температура в якій зберігається близько 0 С, а потім наступна зона мезосфера. Вона тягнеться до висот 80-90 км, і в ній температура падає приблизно до 80ºС. У мезосфері зазвичай стають видні дрібні метеори, які починають у ній світитися і там згоряють.

Наступний вузький проміжок – мезопауза та за нею зона термосфера. Її висота – до 700-800 км. Тут температура знову починає підвищуватись і на висотах близько 300 км може досягати величин близько 1200 ºС. Далі вона залишається постійною. Усередині термосфери до висоти близько 400 км. розташована іоносфера. Тут повітря сильно іонізоване через вплив сонячної радіації і має велику електропровідність.

Наступна і, втім, остання зона - екзосфера. Це так звана зона розсіювання. Тут в основному є дуже сильно розріджений водень і гелій (з переважанням водню). На висотах близько 3000 км екзосфера перетворюється на близькокосмічний вакуум.

Ось десь так. Чому приблизно? Тому що ці шари досить умовні. Можливі різні зміни висоти, складу газів, води, величини температури, іонізації тощо. Крім того, існує ще чимало термінів, що визначають будову і стан атмосфери землі.

Наприклад гомосфера та гетеросфера. У першій атмосферні гази добре перемішані, та його склад досить однорідний. Друга розташована вище за першу і такого перемішування там вже практично немає. Гази у ній поділяє гравітація. Кордон між цими шарами розташований на висоті 120 км, і називається він турбопауза.

З термінами мабуть покінчимо, але обов'язково додам, що умовно прийнято вважати, що межа атмосфери розташована на висоті 100 км над рівнем моря. Цей кордон називається Лінія Кармана.

Додам ще дві картинки для ілюстрації будови атмосфери. Перша, правда, німецькою, зате повна і досить легка в розумінні:-). Її можна збільшити та добре розглянути. Другий показує зміну температури атмосфери з висотою.

Будова атмосфери Землі.

Зміна температури повітря заввишки.

Сучасні пілотовані орбітальні космічні апарати літають на висотах близько 300-400 км. Однак це вже не авіація, хоча область, звичайно, у певному сенсі близька, і ми про неї ще неодмінно поговоримо:-).

Зона авіації – це тропосфера. Сучасні атмосферні літальні апарати можуть літати й у нижніх шарах стратосфери. Наприклад практична стеля МІГ-25РБ - 23000 м .

Політ у стратосфері.

І саме фізичні властивості повітрятропосфери визначають яким буде політ, наскільки буде ефективна система управління літака, як впливатиме на нього турбулентність в атмосфері, як працюватимуть двигуни.

Перша основна властивість – це Температура повітря. У газодинаміці вона може визначатися за шкалою Цельсія або за шкалою Кельвіна.

Температура t 1на заданій висоті Нза шкалою Цельсія визначається:

t 1 = t - 6,5Н, де t- Температура повітря біля землі.

Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температуроюнуль за цією шкалою – це абсолютний нуль. При абсолютному нулі припиняється тепловий рух молекул. Абсолютний нуль за шкалою Кельвіна відповідає -273 º за шкалою Цельсія.

Відповідно температура Тна висоті Нза шкалою Кельвіна визначається:

T = 273K + t - 6,5H

Тиск повітря. Атмосферний тиск вимірюється в Паскалях (Н/м2), у старій системі вимірювання в атмосферах (атм.). Існує ще таке поняття як барометричний тиск. Це тиск, виміряний у міліметрах ртутного стовпа за допомогою барометра ртутного. Барометричний тиск (тиск на рівні моря) дорівнює 760 мм рт. ст.

називається стандартним. У фізиці 1 атм. якраз і дорівнює 760 мм рт.Щільність повітря

. В аеродинаміці найчастіше користуються таким поняттям, як масова густина повітря. Це маса повітря 1 м 3 обсягу. Щільність повітря з висотою змінюється, повітря стає більш розрідженим.Вологість повітря . Показує кількість води, що знаходиться у повітрі. Існує поняття «відносна вологість

У зв'язку з тим, що польоти літаків відбуваються за різних атмосферних умов, їх польотні і аеродинамічні параметри однією режимі польоту може бути різними. Тому для правильної оцінки цих параметрів введено Міжнародна стандартна атмосфера (МСА). Вона показує зміну стану повітря з підйомом на висоту.

За основні прийняті параметри стану повітря за нульової вологості:

тиск P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура t = +15 ° C (288 К);

масова щільність ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Для МСА прийнято (як було зазначено вище:-)), що температура падає у тропосфері на 0,65º на кожні 100 метрів висоти.

Стандартна атмосфера (приклад 10000 м).

Таблиці МСА використовуються при градуюванні приладів, а також для штурманських та інженерних розрахунків.

Фізичні властивості повітрявключають також такі поняття як інертність, в'язкість і стисливість.

Інертність - властивість повітря, що характеризує його здатність чинити опір зміні стану спокою або рівномірного прямолінійного руху . Мірою інертності є масова щільність повітря. Чим вона вища, тим вища інертність і сила опору середовища під час руху в ній літака.

В'язкість. Визначає опір тертя повітря при русі літака.

Стискання визначає зміну щільності повітря при зміні тиску. На малих швидкостях руху літального апарату (до 450 км/год) зміни тиску при обтіканні повітряним потоком не відбувається, але при великих швидкостях починає проявлятися ефект стисливості. Особливо впливає його вплив на надзвуку. Це окрема область аеродинаміки та тема для окремої статті:-).

Ну от здається поки все ... Настав час закінчити це злегка нудний перелік, без якого однак не обійтися:-). Атмосфера Землі, її параметри, фізичні властивості повітрятакож важливі для літального апарату, як і параметри самого апарата, і про них не можна не згадати.

Поки що, до наступних зустрічей та цікавіших тем 🙂 …

P.S.

На солодке пропоную подивитися ролик знятий із кабіни спарки МІГ-25ПУ при його польоті до стратосфери. Знімав, мабуть, турист, який має гроші для таких польотів:-). Знято переважно все через лобове скло. Зверніть увагу на колір неба.

Атмосфера - те, що забезпечує можливість життя Землі. Найперші відомості та факти про атмосферу ми отримуємо ще у початковій школі. У старших класах ми докладніше знайомимося з цим поняттям під час уроків географії.

Атмосфера є у Землі, а й в інших небесних тіл. Так називають газову оболонку, що оточує планети. Склад цього газового шару різних планет значно відрізняється. Давайте розглянемо основні відомості та факти про так зване повітря.

Найважливішою її складовою є кисень. Деякі помилково думають, що земна атмосфера складається повністю з кисню, але насправді повітря – це суміш газів. У його складі 78% азоту та 21% кисню. Решта відсотка включає озон, аргон, вуглекислий газ, водяні пари. Нехай відсоткове співвідношення цих газів мало, але вони виконують важливу функцію - поглинають значну частину сонячної променистої енергії, тим самим не дають світилу перетворити все живе на нашій планеті на попіл. Властивості атмосфери змінюються залежно від висоти. Наприклад, на висоті 65 км азот становить 86%, а кисень – 19%.

Склад атмосфери Землі

• Вуглекислий газнеобхідний харчування рослин. У атмосфері він у результаті процесу дихання живих організмів, гниття, горіння. Відсутність їх у складі атмосфери унеможливило б існування будь-яких рослин.
• Кисень- Життєво важливий для людини компонент атмосфери. Його наявність є умовою існування всіх живих організмів. Він становить близько 20% загального обсягу атмосферних газів.
• Озон– це природний поглинач сонячного ультрафіолетового випромінювання, яке згубно впливає на живі організми. Більшість його формує окремий шар атмосфери - озоновий екран. Останнім часом діяльність людини призводить до того, що починає поступово руйнуватися, але оскільки вона має велику важливість, то ведеться активна робота щодо її збереження та відновлення.
• Водяна паравизначає вологість повітря. Його зміст може бути різним залежно від різних факторів: температури повітря, територіального розташування, сезону. При низькій температурі водяної пари в повітрі зовсім мало, може бути менше одного відсотка, а при високій його кількість досягає 4%.
• Крім усього вищепереліченого, у складі земної атмосфери завжди є певний відсоток твердих та рідких домішок. Це сажа, попіл, морська сіль, пил, краплі води, мікроорганізми. Потрапляти у повітря можуть як природним, і антропогенним шляхом.

Шари атмосфери

І температура, і густина, і якісний склад повітря неоднаковий на різній висоті. Через це прийнято виділяти різні верстви атмосфери. Кожен має свою характеристику. Давайте дізнаємося, які шари атмосфери розрізняють:

• Тропосфера - цей шар атмосфери знаходиться найближче до Землі. Висота його – 8-10 км над полюсами та 16-18 км – у тропіках. Тут знаходиться 90% всієї водяної пари, яка є в атмосфері, тому відбувається активне утворення хмар. Також у цьому прошарку спостерігаються такі процеси, як рух повітря (вітру), турбулентність, конвекція. Температура коливається від +45 градусів опівдні у теплу пору року в тропіках до -65 градусів на полюсах.
• Стратосфера – другий за віддаленістю від шар атмосфери. Знаходиться на висоті від 11 до 50 км. У нижньому шарі стратосфери температура приблизно -55, у бік віддалення Землі вона підвищується до +1˚С. Ця область називається інверсією і є межею стратосфери та мезосфери.
• Мезосфера знаходиться на висоті від 50 до 90 км. Температура на її нижньому кордоні - близько 0, на верхній досягає -80...-90? Метеорити, що потрапляють в атмосферу Землі, повністю згоряють у мезосфері, тому тут відбуваються світіння повітря.
• Термосфера має товщину приблизно 700 км. У цьому вся шарі атмосфери виникають північні сяйва. З'являються вони рахунок під впливом космічного випромінювання і радіації, що виходить від Сонця.
• Екзосфера – це зона розсіювання повітря. Тут концентрація газів невелика і відбувається їх поступовий відхід у міжпланетний простір.

Кордоном між земною атмосферою та космічними просторами прийнято вважати кордон у 100 км. Цю межу називають лінією Кармана.

Тиск атмосфери

Слухаючи прогноз погоди, часто чуємо показники атмосферного тиску. Але що означає тиск атмосфери, і як це може вплинути на нас?

Ми розібралися, що повітря складається з газів та домішок. Кожна з цих складових має свою вагу, а отже, і атмосфера не є невагомою, як вважали до XVII століття. Атмосферний тиск – це сила, з якою всі шари атмосфери тиснуть на поверхню Землі та на всі предмети.

Вчені провели складні підрахунки та довели, що на один квадратний метр площі атмосфера тисне із силою 10 333 кг. Значить, людське тіло схильне до тиску повітря, вага якого дорівнює 12-15 тонн. Чому ж ми цього не відчуваємо? Рятує нас свій внутрішній тиск, який і врівноважує зовнішній. Можна відчути тиск атмосфери, перебуваючи в літаку або високо в горах, оскільки атмосферний тиск на висоті значно менший. При цьому можливий фізичний дискомфорт, закладання вух, запаморочення.

Про атмосферу, що оточує, можна сказати багато всього. Ми знаємо про неї безліч цікавих фактів, і деякі з них можуть здаватися дивовижними:

• Вага земної атмосфери становить 5300000000000000 тонн.
• Вона сприяє передачі звуку. На висоті понад 100 км ця властивість зникає через зміну складу атмосфери.
• Рух атмосфери спровокований нерівномірним нагріванням Землі.
• Для визначення температури повітря використовують термометр, а для того, щоб дізнатися про силу тиску атмосфери, - барометр.
• Наявність атмосфери рятує нашу планету від 100 тонн метеоритів щодня.
• Склад повітря був фіксованим кілька сотень мільйонів років, але почав змінюватися з початком бурхливої ​​виробничої діяльності.
• Вважається, що атмосфера простягається нагору на висоту 3000 км.

Значення атмосфери для людини

Фізіологічна зона атмосфери становить 5 км. На висоті 5000 м над рівнем моря у людини починає проявлятися кисневе голодування, що виявляється у зниженні його працездатності та погіршенні самопочуття. Це показує те, що людина не зможе вижити у просторі, де немає цієї дивовижної суміші газів.

Усі відомості та факти про атмосферу лише підтверджують її важливість для людей. Завдяки її наявності і виникла можливість розвитку життя Землі. Вже сьогодні, оцінивши масштаби шкоди, яку людство здатне своїми діями завдавати повітря, що дає життя, нам слід задуматися про подальші заходи збереження та відновлення атмосфери.

Всі, хто літав літаком, звикли до такого повідомлення: «наш політ проходить на висоті 10 000 м, температура за бортом - 50 °С». Здається нічого особливого. Що далі від нагрітої Сонцем поверхні Землі, то холодніше. Багато хто думає, що зниження температури з висотою йде безперервно і поступово температура падає, наближаючись до температури космосу. До речі, так думали вчені аж до кінця 19 століття.

Розберемося докладніше із розподілом температури повітря над Землею. Атмосферу поділяють кілька шарів, які й відбивають насамперед характер зміни температури.

Нижній шар атмосфери називається тропосферою, що означає „сфера повороту". Всі зміни погоди та клімату є результатом фізичних процесів, що відбуваються саме в цьому шарі. Верхня межа цього шару розташовується там, де зменшення температури з висотою змінюється її зростанням, приблизно на висоті 15-16 км над екватором. і 7-8 км над полюсами. Як і сама Земля, атмосфера під впливом обертання нашої планети теж дещо сплющена над полюсами і розбухає над екватором. верхній межі тропосфери температура повітря знижується. Над екватором мінімальна температура повітря становить близько -62°С, а над полюсами близько -45°С. маси атмосфери.

У 1899 р. у вертикальному профілі температури на певній висоті було виявлено її мінімум, а потім температура трохи підвищувалася. Початок цього підвищення означає перехід до наступного шару атмосфери. стратосфері, що означає „сфера шару". Термін стратосфера означає і відображає колишнє уявлення про єдиність шару, що лежить вище тропосфери. Стратосфера простягається до висоти близько 50 км над земною поверхнею. Особливістю її є, зокрема, різке підвищення температури повітря. Це підвищення температури пояснюють реакцією утворення озону — однією з основних хімічних реакцій, які у атмосфері.

Основна маса озону зосереджена на висотах приблизно 25 км, але в цілому шар озону є сильно розтягнутою по висоті оболонкою, що охоплює майже всю стратосферу. Взаємодія кисню з ультрафіолетовими променями — один із сприятливих процесів у земній атмосфері, які сприяють підтримці життя на Землі. Поглинання озоном цієї енергії запобігає надмірному надходженню її на земну поверхню, де створюється саме такий рівень енергії, який придатний для існування земних форм життя. Озоносфера поглинає частину променистої енергії через атмосферу. В результаті цього в озоносфері встановлюється вертикальний градієнт температури повітря приблизно 0,62°С на 100 м, тобто температура підвищується з висотою до верхньої межі стратосфери — стратопаузи (50 км), досягаючи, за деякими даними, 0 °С.

На висотах від 50 до 80 км. розташовується шар атмосфери, званий мезосферою. Слово „мезосфера” означає „проміжна сфера”, тут температура повітря продовжує знижуватися з висотою. Вище мезосфери, у шарі, що називається термосфероютемпература знову зростає з висотою приблизно до 1000°С, а потім дуже швидко падає до -96°С. Однак падає не безмежно, потім температура знову збільшується.

Термосферає першим шаром іоносфери. На відміну від згаданих раніше шарів, іоносфера виділена не за температурною ознакою. Іоносфера є областю, що має електричну природу, завдяки якій стають можливими багато видів радіозв'язку. Іоносферу ділять на кілька шарів, позначаючи їх літерами D, Е, F1 та F2 Ці шари мають особливі назви. Поділ на шари викликано декількома причинами, серед яких найважливіша - неоднаковий вплив шарів на проходження радіохвиль. Найнижчий шар, D, в основному поглинає радіохвилі і тим самим перешкоджає подальшому їхньому поширенню. Найкраще вивчений шар Е розташований на висоті приблизно 100 км. над земною поверхнею. Його називають також шаром Кеннеллі - Хевісайда за іменами американського та англійського вчених, які одночасно і незалежно один від одного виявили його. Шар Е, подібно до гігантського дзеркала, відображає радіохвилі. Завдяки цьому шару довгі радіохвилі проходять більш далекі відстані, ніж слід очікувати, якби вони поширювалися лише прямолінійно, не відбиваючись від шару Е. Аналогічні властивості має і шар F. Його називають також шаром Епплтона. Разом із шаром Кеннеллі-Хевісайда він відображає радіохвилі до наземних радіостанцій. Таке відображення може відбуватися під різними кутами. Шар Епплтона розташований на висоті близько 240 км.

Найзовніша область атмосфери, другий шар іоносфери, часто називається екзосферою. Цей термін свідчить про існування околиці космосу поблизу Землі. Визначити, де саме закінчується атмосфера і починається космос, важко, оскільки з висотою щільність атмосферних газів поступово зменшується і сама атмосфера плавно перетворюється майже на вакуум, в якому зустрічаються лише окремі молекули. Вже на висоті приблизно 320 км щільність атмосфери настільки мала, що молекули, не стикаючись один з одним, можуть проходити більше 1 км. Сама зовнішня частина атмосфери служить її верхньою межею, яка розташовується на висотах від 480 до 960 км.

Докладніше про процеси про атмосферу можна дізнатися на сайті «Земний клімат»