L'ultimo strato esterno dell'atmosfera terrestre. Composizione chimica dell'atmosfera terrestre

L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso del nostro pianeta. Il suo confine inferiore passa al livello della crosta terrestre e dell'idrosfera, mentre il confine superiore passa nella regione vicino alla Terra dello spazio esterno. L'atmosfera contiene circa il 78% di azoto, il 20% di ossigeno, fino all'1% di argon, anidride carbonica, idrogeno, elio, neon e alcuni altri gas.

Il guscio di questa terra è caratterizzato da una stratificazione chiaramente definita. Gli strati dell'atmosfera sono determinati dalla distribuzione verticale della temperatura e dalle diverse densità dei gas ai diversi livelli. Si distinguono i seguenti strati dell'atmosfera terrestre: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, esosfera. La ionosfera è separata separatamente.

Fino all'80% della massa totale dell'atmosfera è costituita dalla troposfera, lo strato inferiore dell'atmosfera. La troposfera nelle zone polari si trova ad un livello fino a 8-10 km sopra la superficie terrestre, nella zona tropicale - fino ad un massimo di 16-18 km. Tra la troposfera e lo strato sovrastante della stratosfera c'è la tropopausa, uno strato di transizione. Nella troposfera la temperatura diminuisce all’aumentare dell’altitudine e analogamente la pressione atmosferica diminuisce con l’altitudine. Il gradiente di temperatura medio nella troposfera è di 0,6°C per 100 m. La temperatura ai diversi livelli di questo guscio è determinata dalle caratteristiche dell'assorbimento della radiazione solare e dall'efficienza della convezione. Quasi tutta l’attività umana si svolge nella troposfera. Le montagne più alte non vanno oltre la troposfera; solo il trasporto aereo può attraversare il limite superiore di questo guscio a piccola altezza e trovarsi nella stratosfera. Nella troposfera si trova una grande percentuale di vapore acqueo, responsabile della formazione di quasi tutte le nuvole. Inoltre, quasi tutti gli aerosol (polveri, fumo, ecc.) formati sulla superficie terrestre sono concentrati nella troposfera. Nello strato inferiore limite della troposfera, le fluttuazioni giornaliere della temperatura e dell'umidità dell'aria sono pronunciate e la velocità del vento è solitamente ridotta (aumenta con l'aumentare dell'altitudine). Nella troposfera esiste una divisione variabile dello spessore dell'aria in masse d'aria nella direzione orizzontale, che differiscono per una serie di caratteristiche a seconda della zona e dell'area della loro formazione. Sui fronti atmosferici - i confini tra le masse d'aria - si formano cicloni e anticicloni, che determinano il tempo in una determinata area per un determinato periodo di tempo.

La stratosfera è lo strato di atmosfera compreso tra la troposfera e la mesosfera. I limiti di questo strato vanno da 8-16 km a 50-55 km sopra la superficie terrestre. Nella stratosfera, la composizione gassosa dell'aria è approssimativamente la stessa della troposfera. Una caratteristica distintiva è una diminuzione della concentrazione di vapore acqueo e un aumento del contenuto di ozono. Lo strato di ozono dell'atmosfera, che protegge la biosfera dagli effetti aggressivi della luce ultravioletta, si trova ad un livello compreso tra 20 e 30 km. Nella stratosfera la temperatura aumenta con l'altitudine, e i valori della temperatura sono determinati dalla radiazione solare, e non dalla convezione (movimenti di masse d'aria), come nella troposfera. Il riscaldamento dell'aria nella stratosfera è dovuto all'assorbimento della radiazione ultravioletta da parte dell'ozono.

Al di sopra della stratosfera la mesosfera si estende fino a un livello di 80 km. Questo strato dell'atmosfera è caratterizzato dal fatto che la temperatura diminuisce all'aumentare dell'altitudine da 0°C a - 90°C. Questa è la regione più fredda dell'atmosfera.

Al di sopra della mesosfera si trova la termosfera fino ad un livello di 500 km. Dal confine con la mesosfera all'esosfera la temperatura varia da circa 200 K a 2000 K. Fino al livello di 500 km la densità dell'aria diminuisce diverse centinaia di migliaia di volte. La composizione relativa dei componenti atmosferici della termosfera è simile allo strato superficiale della troposfera, ma con l'aumentare dell'altitudine più ossigeno diventa atomico. Una certa proporzione di molecole e atomi della termosfera sono in uno stato ionizzato e sono distribuiti in più strati sono uniti dal concetto di ionosfera; Le caratteristiche della termosfera variano in un ampio intervallo a seconda della latitudine geografica, della quantità di radiazione solare, del periodo dell'anno e del giorno.

Lo strato superiore dell'atmosfera è l'esosfera. Questo è lo strato più sottile dell'atmosfera. Nell'esosfera, il percorso libero medio delle particelle è così enorme che le particelle possono fuggire liberamente nello spazio interplanetario. La massa dell'esosfera è un decimilionesimo della massa totale dell'atmosfera. Il limite inferiore dell'esosfera è il livello di 450-800 km, e il limite superiore è considerato la regione in cui la concentrazione di particelle è la stessa che nello spazio - diverse migliaia di chilometri dalla superficie terrestre. L'esosfera è costituita da gas ionizzato al plasma. Anche nell'esosfera ci sono le cinture di radiazioni del nostro pianeta.

Presentazione video - strati dell'atmosfera terrestre:

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L'atmosfera (dal greco antico ἀτμός - vapore e σφαῖρα - palla) è un guscio di gas (geosfera) che circonda il pianeta Terra. La sua superficie interna copre l'idrosfera e in parte la crosta terrestre, mentre la sua superficie esterna confina con la parte vicina alla Terra dello spazio esterno.

L'insieme delle branche della fisica e della chimica che studiano l'atmosfera viene solitamente chiamata fisica dell'atmosfera. L'atmosfera determina il tempo sulla superficie terrestre, la meteorologia studia il tempo e la climatologia si occupa delle variazioni climatiche a lungo termine.

Proprietà fisiche

Lo spessore dell'atmosfera è di circa 120 km dalla superficie terrestre. La massa totale dell'aria nell'atmosfera è (5.1-5.3) 1018 kg. Di questi, la massa dell'aria secca è (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, la massa totale del vapore acqueo è in media 1,27 1016 kg.

La massa molare dell'aria secca e pulita è 28,966 g/mol e la densità dell'aria sulla superficie del mare è di circa 1,2 kg/m3. La pressione a 0 °C al livello del mare è 101.325 kPa; temperatura critica - −140,7 ° C (~ 132,4 K); pressione critica - 3,7 MPa; Cp a 0 °C - 1,0048·103 J/(kg·K), Cv - 0,7159·103 J/(kg·K) (a 0 °C). Solubilità dell'aria in acqua (in massa) a 0 °C - 0,0036%, a 25 °C - 0,0023%.

Sono accettate come “condizioni normali” sulla superficie terrestre: densità 1,2 kg/m3, pressione barometrica 101,35 kPa, temperatura più 20 °C e umidità relativa 50%. Questi indicatori condizionali hanno un significato puramente ingegneristico.

Composizione chimica

L'atmosfera terrestre è nata a seguito del rilascio di gas durante le eruzioni vulcaniche. Con l'avvento degli oceani e della biosfera, si è formato a causa dello scambio di gas con l'acqua, le piante, gli animali e i prodotti della loro decomposizione nei suoli e nelle paludi.

Attualmente l'atmosfera terrestre è costituita principalmente da gas e varie impurità (polvere, gocce d'acqua, cristalli di ghiaccio, sali marini, prodotti della combustione).

La concentrazione dei gas che compongono l'atmosfera è pressoché costante, ad eccezione dell'acqua (H2O) e dell'anidride carbonica (CO2).

Composizione dell'aria secca

Oltre ai gas indicati in tabella, l'atmosfera contiene SO2, NH3, CO, ozono, idrocarburi, HCl, HF, vapori di Hg, I2, oltre a NO e molti altri gas in piccole quantità. La troposfera contiene costantemente una grande quantità di particelle solide e liquide sospese (aerosol).

La struttura dell'atmosfera

Troposfera

Il suo limite superiore è ad un'altitudine di 8-10 km alle latitudini polari, 10-12 km alle latitudini temperate e 16-18 km alle latitudini tropicali; più basso in inverno che in estate. Lo strato inferiore e principale dell'atmosfera contiene più dell'80% della massa totale dell'aria atmosferica e circa il 90% del vapore acqueo totale presente nell'atmosfera. Nella troposfera la turbolenza e la convezione sono molto sviluppate, si formano le nuvole e si sviluppano cicloni e anticicloni. La temperatura diminuisce con l'aumentare della quota con un dislivello verticale medio di 0,65°/100 m

Tropopausa

Lo strato di transizione dalla troposfera alla stratosfera, uno strato dell'atmosfera in cui si arresta la diminuzione della temperatura con l'altezza.

Stratosfera

Uno strato dell'atmosfera situato ad un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Caratterizzato da un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (strato inferiore della stratosfera) e da un aumento di temperatura nello strato di 25-40 km da −56,5 a 0,8 ° C (strato superiore della stratosfera o regione di inversione) . Avendo raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0 °C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura rimane costante fino a una quota di circa 55 km. Questa regione a temperatura costante è chiamata stratopausa ed è il confine tra la stratosfera e la mesosfera.

Stratopausa

Lo strato limite dell'atmosfera tra la stratosfera e la mesosfera. Nella distribuzione verticale della temperatura c'è un massimo (circa 0 °C).

Mesosfera

La mesosfera inizia ad un'altitudine di 50 km e si estende fino a 80-90 km. La temperatura diminuisce con l'altezza con un gradiente verticale medio di (0,25-0,3)°/100 m. Il principale processo energetico è il trasferimento di calore radiante. Processi fotochimici complessi che coinvolgono radicali liberi, molecole eccitate dalle vibrazioni, ecc. causano la luminescenza atmosferica.

Mesopausa

Strato di transizione tra mesosfera e termosfera. C'è un minimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa -90 °C).

Linea Karman

L'altezza sopra il livello del mare, che è convenzionalmente accettata come confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio. Secondo la definizione FAI la linea Karman si trova ad una quota di 100 km sul livello del mare.

Confine dell'atmosfera terrestre

Termosfera

Il limite superiore è di circa 800 km. La temperatura sale fino a quote di 200-300 km, dove raggiunge valori dell'ordine di 1500 K, dopodiché si mantiene pressoché costante fino a quote elevate. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta e dei raggi X e della radiazione cosmica, si verifica la ionizzazione dell'aria ("aurore"): le principali regioni della ionosfera si trovano all'interno della termosfera. Ad altitudini superiori a 300 km predomina l'ossigeno atomico. Il limite superiore della termosfera è in gran parte determinato dall'attuale attività del Sole. Durante i periodi di bassa attività, ad esempio nel 2008-2009, si osserva una notevole diminuzione delle dimensioni di questo strato.

Termopausa

La regione dell'atmosfera adiacente alla termosfera. In questa regione l'assorbimento della radiazione solare è trascurabile e la temperatura infatti non cambia con l'altitudine.

Esosfera (sfera di diffusione)

L'esosfera è la zona di dispersione, la parte esterna della termosfera, situata sopra i 700 km. Il gas nell'esosfera è molto rarefatto e da qui le sue particelle fuoriescono nello spazio interplanetario (dissipazione).

Fino ad un'altitudine di 100 km l'atmosfera è una miscela di gas omogenea e ben miscelata. Negli strati più alti, la distribuzione dei gas in altezza dipende dai loro pesi molecolari; la concentrazione dei gas più pesanti diminuisce più velocemente con la distanza dalla superficie terrestre. A causa della diminuzione della densità del gas, la temperatura scende da 0 °C nella stratosfera a -110 °C nella mesosfera. Tuttavia, l’energia cinetica delle singole particelle ad altitudini di 200-250 km corrisponde ad una temperatura di ~150 °C. Al di sopra dei 200 km si osservano fluttuazioni significative della temperatura e della densità dei gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3500 km, l'esosfera si trasforma gradualmente nel cosiddetto vuoto quasi spaziale, che è pieno di particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas rappresenta solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è costituita da particelle di polvere di origine cometaria e meteorica. In questo spazio penetrano, oltre alle particelle di polvere estremamente rarefatte, anche radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari di origine solare e galattica.

La troposfera rappresenta circa l'80% della massa dell'atmosfera, la stratosfera circa il 20%; la massa della mesosfera non è superiore allo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. In base alle proprietà elettriche dell'atmosfera, si distinguono la neutronosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda fino ad un'altitudine di 2000-3000 km.

A seconda della composizione del gas nell'atmosfera si distinguono omosfera ed eterosfera. L'eterosfera è un'area in cui la gravità influisce sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altezza è trascurabile. Ciò implica una composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto si trova una parte ben miscelata e omogenea dell'atmosfera chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa; si trova ad un'altitudine di circa 120 km.

Altre proprietà dell'atmosfera ed effetti sul corpo umano

Già ad un'altitudine di 5 km sul livello del mare, una persona non allenata inizia a sperimentare la carenza di ossigeno e senza adattamento, le prestazioni di una persona diminuiscono significativamente. La zona fisiologica dell'atmosfera finisce qui. A 9 km di altitudine la respirazione umana diventa impossibile, anche se fino a circa 115 km l'atmosfera contiene ossigeno.

L'atmosfera ci fornisce l'ossigeno necessario per respirare. Tuttavia, a causa della diminuzione della pressione totale dell'atmosfera man mano che si sale in quota, la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce di conseguenza.

I polmoni umani contengono costantemente circa 3 litri di aria alveolare. La pressione parziale dell'ossigeno nell'aria alveolare alla normale pressione atmosferica è di 110 mmHg. Art., pressione dell'anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo - 47 mm Hg. Arte. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione dell'ossigeno diminuisce e la pressione totale del vapore di acqua e anidride carbonica nei polmoni rimane quasi costante: circa 87 mm Hg. Arte. L'apporto di ossigeno ai polmoni si interromperà completamente quando la pressione dell'aria ambiente raggiungerà questo valore.

Ad un'altitudine di circa 19-20 km, la pressione atmosferica scende a 47 mm Hg. Arte. Pertanto, a questa altitudine, l'acqua e il liquido interstiziale iniziano a bollire nel corpo umano. Fuori dalla cabina pressurizzata, a queste altitudini, la morte avviene quasi istantaneamente. Pertanto, dal punto di vista della fisiologia umana, lo “spazio” inizia già ad un'altitudine di 15-19 km.

Dense strati d'aria - la troposfera e la stratosfera - ci proteggono dagli effetti dannosi delle radiazioni. Con sufficiente rarefazione dell'aria, ad altitudini superiori a 36 km, le radiazioni ionizzanti - raggi cosmici primari - hanno un effetto intenso sul corpo; Ad altitudini superiori a 40 km, la parte ultravioletta dello spettro solare è pericolosa per l'uomo.

Man mano che saliamo ad un'altezza sempre maggiore sopra la superficie terrestre, i fenomeni familiari osservati negli strati inferiori dell'atmosfera come la propagazione del suono, il verificarsi di portanza e resistenza aerodinamica, il trasferimento di calore per convezione, ecc. si indeboliscono gradualmente fino a scomparire completamente.

Negli strati d’aria rarefatti la propagazione del suono è impossibile. Fino ad altitudini di 60-90 km è ancora possibile sfruttare la resistenza dell'aria e la portanza per il volo aerodinamico controllato. Ma a partire da altitudini di 100-130 km, i concetti familiari a ogni pilota del numero M e della barriera del suono perdono il loro significato: lì si trova la linea convenzionale di Karman, oltre la quale inizia la regione del volo puramente balistico, che può solo essere controllati utilizzando forze reattive.

Ad altitudini superiori a 100 km, l'atmosfera è privata di un'altra proprietà notevole: la capacità di assorbire, condurre e trasmettere energia termica per convezione (cioè mescolando l'aria). Ciò significa che vari elementi dell'attrezzatura sulla stazione spaziale orbitale non potranno essere raffreddati dall'esterno come avviene solitamente su un aereo, con l'aiuto di getti d'aria e radiatori d'aria. A questa quota, come in generale nello spazio, l’unico modo per trasferire calore è la radiazione termica.

Storia della formazione atmosferica

Secondo la teoria più diffusa, l'atmosfera terrestre ha avuto nel tempo tre diverse composizioni. Inizialmente consisteva di gas leggeri (idrogeno ed elio) catturati dallo spazio interplanetario. Questa è la cosiddetta atmosfera primaria (circa quattro miliardi di anni fa). Nella fase successiva, l'attività vulcanica attiva ha portato alla saturazione dell'atmosfera con gas diversi dall'idrogeno (anidride carbonica, ammoniaca, vapore acqueo). È così che si è formata l'atmosfera secondaria (circa tre miliardi di anni prima dei giorni nostri). Questa atmosfera è stata rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:

• perdita di gas leggeri (idrogeno ed elio) nello spazio interplanetario;
• reazioni chimiche che si verificano nell'atmosfera sotto l'influenza di radiazioni ultraviolette, scariche di fulmini e alcuni altri fattori.

A poco a poco, questi fattori portarono alla formazione di un'atmosfera terziaria, caratterizzata da molto meno idrogeno e molto più azoto e anidride carbonica (formata a seguito di reazioni chimiche da ammoniaca e idrocarburi).

Azoto

La formazione di una grande quantità di azoto N2 è dovuta all'ossidazione dell'atmosfera di ammoniaca-idrogeno da parte dell'ossigeno molecolare O2, che iniziò a fuoriuscire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, a partire da 3 miliardi di anni fa. L'azoto N2 viene rilasciato nell'atmosfera anche a seguito della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto. L'azoto viene ossidato dall'ozono in NO nell'alta atmosfera.

L'azoto N2 reagisce solo in condizioni specifiche (ad esempio durante la scarica di un fulmine). L'ossidazione dell'azoto molecolare da parte dell'ozono durante le scariche elettriche viene utilizzata in piccole quantità nella produzione industriale di fertilizzanti azotati. I cianobatteri (alghe blu-verdi) e i batteri noduli che formano la simbiosi rizobiale con le cosiddette leguminose, possono ossidarlo con un basso consumo energetico e convertirlo in una forma biologicamente attiva. concime verde.

Ossigeno

La composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare radicalmente con la comparsa degli organismi viventi sulla Terra, a seguito della fotosintesi, accompagnata dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di anidride carbonica. Inizialmente, l'ossigeno veniva speso per l'ossidazione dei composti ridotti: ammoniaca, idrocarburi, forma ferrosa del ferro contenuta negli oceani, ecc. Alla fine di questa fase, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera iniziò ad aumentare. A poco a poco si formò un'atmosfera moderna con proprietà ossidanti. Poiché ciò causò cambiamenti gravi e improvvisi in molti processi che si verificavano nell’atmosfera, nella litosfera e nella biosfera, questo evento fu chiamato Catastrofe dell’Ossigeno.

Durante il Fanerozoico, la composizione dell'atmosfera e il contenuto di ossigeno subirono cambiamenti. Erano correlati principalmente al tasso di deposizione dei sedimenti organici. Pertanto, durante i periodi di accumulo di carbone, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera apparentemente superava in modo significativo il livello moderno.

Diossido di carbonio

Il contenuto di CO2 nell'atmosfera dipende dall'attività vulcanica e dai processi chimici nei gusci terrestri, ma soprattutto dall'intensità della biosintesi e dalla decomposizione della materia organica nella biosfera terrestre. Quasi tutta la biomassa attuale del pianeta (circa 2,4 1012 tonnellate) è formata dall'anidride carbonica, dall'azoto e dal vapore acqueo contenuti nell'aria atmosferica. I prodotti organici sepolti negli oceani, nelle paludi e nelle foreste si trasformano in carbone, petrolio e gas naturale.

gas nobili

La fonte dei gas nobili - argon, elio e kripton - sono le eruzioni vulcaniche e il decadimento degli elementi radioattivi. La Terra in generale e l'atmosfera in particolare sono impoverite di gas inerti rispetto allo spazio. Si ritiene che la ragione di ciò risieda nella continua fuoriuscita di gas nello spazio interplanetario.

Inquinamento dell'aria

Recentemente, gli esseri umani hanno iniziato a influenzare l’evoluzione dell’atmosfera. Il risultato delle sue attività fu un costante aumento del contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera dovuto alla combustione di combustibili idrocarburici accumulati in ere geologiche precedenti. Enormi quantità di CO2 vengono consumate durante la fotosintesi e assorbite dagli oceani del mondo. Questo gas entra nell'atmosfera a causa della decomposizione di rocce carbonatiche e sostanze organiche di origine vegetale e animale, nonché a causa del vulcanismo e dell'attività industriale umana. Negli ultimi 100 anni, il contenuto di CO2 nell’atmosfera è aumentato del 10%, la maggior parte (360 miliardi di tonnellate) proviene dalla combustione di carburante. Se il tasso di crescita della combustione dei combustibili continua, nei prossimi 200-300 anni la quantità di CO2 nell’atmosfera raddoppierà e potrebbe portare a un cambiamento climatico globale.

La combustione dei combustibili è la principale fonte di gas inquinanti (CO, NO, SO2). L'anidride solforosa viene ossidata dall'ossigeno atmosferico in SO3 e dall'ossido di azoto in NO2 negli strati superiori dell'atmosfera, che a loro volta interagiscono con il vapore acqueo, e l'acido solforico H2SO4 e l'acido nitrico HNO3 risultanti cadono sulla superficie della Terra nel forma del cosiddetto. pioggia acida. L'uso di motori a combustione interna comporta un notevole inquinamento atmosferico da ossidi di azoto, idrocarburi e composti di piombo (piombo tetraetile) Pb(CH3CH2)4.

L'inquinamento da aerosol dell'atmosfera è causato sia da cause naturali (eruzioni vulcaniche, tempeste di polvere, trascinamento di gocce di acqua di mare e polline di piante, ecc.) che da attività economiche umane (estrazione di minerali e materiali da costruzione, combustione di carburante, produzione di cemento, ecc. ). Il rilascio intenso e su larga scala di particolato nell’atmosfera è una delle possibili cause del cambiamento climatico sul pianeta.

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L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso del pianeta. Il limite inferiore dell'atmosfera passa vicino alla superficie terrestre (idrosfera e crosta terrestre), mentre il limite superiore è l'area a contatto con lo spazio esterno (122 km). L'atmosfera contiene molti elementi diversi. I principali sono: 78% azoto, 20% ossigeno, 1% argon, anidride carbonica, neon gallio, idrogeno, ecc. Fatti interessanti possono essere trovati alla fine dell'articolo o cliccando su.

L'atmosfera ha strati d'aria chiaramente definiti. Gli strati d'aria differiscono tra loro per temperatura, differenza di gas e loro densità e. Va notato che gli strati della stratosfera e della troposfera proteggono la Terra dalle radiazioni solari. Negli strati più alti, un organismo vivente può ricevere una dose letale dello spettro solare ultravioletto. Per passare rapidamente al livello dell'atmosfera desiderata, fare clic sul livello corrispondente:

Troposfera e tropopausa

Troposfera: temperatura, pressione, altitudine

Il limite superiore è di circa 8 - 10 km. Alle latitudini temperate è di 16-18 km e alle latitudini polari è di 10-12 km. Troposfera- Questo è lo strato principale inferiore dell'atmosfera. Questo strato contiene più dell'80% della massa totale dell'aria atmosferica e quasi il 90% di tutto il vapore acqueo. È nella troposfera che si verificano la convezione e la turbolenza, si formano e si verificano i cicloni. Temperatura diminuisce con l'aumentare dell'altitudine. Pendenza: 0,65°/100 m. La terra riscaldata e l'acqua riscaldano l'aria circostante. L'aria riscaldata sale, si raffredda e forma le nuvole. La temperatura nei limiti superiori dello strato può raggiungere – 50/70 °C.

È in questo strato che si verificano i cambiamenti delle condizioni climatiche. Viene chiamato il limite inferiore della troposfera piano terra, poiché contiene molti microrganismi volatili e polvere. La velocità del vento aumenta con l'aumentare dell'altezza in questo strato.

Tropopausa

Questo è lo strato di transizione dalla troposfera alla stratosfera. Qui la dipendenza dalla temperatura diminuisce con l'aumentare dell'altitudine si ferma. La tropopausa è l'altezza minima alla quale il gradiente di temperatura verticale scende a 0,2°C/100 m. L'altezza della tropopausa dipende da forti eventi climatici come i cicloni. L'altezza della tropopausa diminuisce al di sopra dei cicloni e aumenta al di sopra degli anticicloni.

Stratosfera e stratopausa

L'altezza dello strato della stratosfera è di circa 11-50 km. Ad un'altitudine di 11 - 25 km si verifica un leggero cambiamento di temperatura. Si osserva ad un'altitudine di 25 - 40 km inversione temperature, da 56,5 si sale a 0,8°C. Da 40 km a 55 km la temperatura rimane intorno a 0°C. Questa zona è chiamata - Stratopausa.

Nella stratosfera si osserva l'effetto della radiazione solare sulle molecole di gas che si dissociano in atomi; Non c'è quasi vapore acqueo in questo strato. I moderni aerei commerciali supersonici volano ad altitudini fino a 20 km a causa di condizioni di volo stabili. I palloni meteorologici ad alta quota raggiungono un'altezza di 40 km. Qui ci sono correnti d'aria stabili, la loro velocità raggiunge i 300 km/h. Concentrato anche in questo strato ozono, uno strato che assorbe i raggi ultravioletti.

Mesosfera e Mesopausa: composizione, reazioni, temperatura

Lo strato della mesosfera inizia a circa 50 km di altitudine e termina a 80 - 90 km. Le temperature diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine, circa 0,25-0,3°C/100 m. Il principale effetto energetico qui è lo scambio di calore radiante. Processi fotochimici complessi che coinvolgono i radicali liberi (ha 1 o 2 elettroni spaiati) perché implementano incandescenza atmosfera.

Quasi tutte le meteore bruciano nella mesosfera. Gli scienziati hanno chiamato questa zona: Ignorosfera. Questa zona è difficile da esplorare, poiché qui l'aerodinamica è molto scarsa a causa della densità dell'aria, che è 1000 volte inferiore a quella della Terra. E per il lancio di satelliti artificiali la densità è ancora molto alta. La ricerca viene effettuata utilizzando razzi meteorologici, ma questa è una perversione. Mesopausa strato di transizione tra mesosfera e termosfera. Ha una temperatura di almeno -90°C.

Linea Karman

Linea tascabile chiamato il confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio. Secondo la Federazione Aeronautica Internazionale (FAI), l'altezza di questo confine è di 100 km. Questa definizione è stata data in onore dello scienziato americano Theodore Von Karman. Ha determinato che approssimativamente a questa altitudine la densità dell'atmosfera è così bassa che qui l'aviazione aerodinamica diventa impossibile, poiché la velocità dell'aereo deve essere maggiore velocità di fuga. A tale altezza, il concetto di barriera del suono perde il suo significato. Qui l'aereo può essere controllato solo utilizzando forze reattive.

Termosfera e Termopausa

Il limite superiore di questo strato è di circa 800 km. La temperatura sale fino a circa 300 km di altitudine dove raggiunge circa 1500 K. Al di sopra la temperatura rimane invariata. In questo strato si verifica Luci polari- Si verifica a causa dell'effetto della radiazione solare sull'aria. Questo processo è anche chiamato ionizzazione dell'ossigeno atmosferico.

A causa della bassa rarefazione dell'aria, i voli sopra la linea Karman sono possibili solo lungo traiettorie balistiche. Tutti i voli orbitali con equipaggio (eccetto i voli verso la Luna) si svolgono in questo strato dell'atmosfera.

Esosfera: densità, temperatura, altezza

L'altezza dell'esosfera è superiore a 700 km. Qui il gas è molto rarefatto e il processo avviene dissipazione— perdita di particelle nello spazio interplanetario. La velocità di tali particelle può raggiungere 11,2 km/sec. Un aumento dell'attività solare porta ad un'espansione dello spessore di questo strato.

• Il guscio di gas non vola nello spazio a causa della gravità. L'aria è costituita da particelle che hanno una propria massa. Dalla legge di gravità possiamo concludere che ogni oggetto dotato di massa è attratto dalla Terra.
• La legge di Buys-Ballot afferma che se ti trovi nell'emisfero settentrionale e stai con le spalle al vento, allora ci sarà un'area di alta pressione a destra e di bassa pressione a sinistra. Nell’emisfero australe tutto andrà al contrario.

Il ruolo dell'atmosfera nella vita della Terra

L'atmosfera è la fonte di ossigeno che le persone respirano. Tuttavia, man mano che si sale in quota, la pressione atmosferica totale diminuisce, il che porta ad una diminuzione della pressione parziale dell'ossigeno.

I polmoni umani contengono circa tre litri di aria alveolare. Se la pressione atmosferica è normale, la pressione parziale dell'ossigeno nell'aria alveolare sarà di 11 mm Hg. Art., pressione dell'anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo - 47 mm Hg. Arte. All'aumentare dell'altitudine, la pressione dell'ossigeno diminuisce e la pressione totale del vapore acqueo e dell'anidride carbonica nei polmoni rimarrà costante: circa 87 mm Hg. Arte. Quando la pressione dell'aria raggiunge questo valore, l'ossigeno smetterà di fluire nei polmoni.

A causa della diminuzione della pressione atmosferica ad un'altitudine di 20 km, qui l'acqua e il fluido interstiziale nel corpo umano bolliranno. Se non si utilizza una cabina pressurizzata, a tale altezza una persona morirà quasi all'istante. Pertanto, dal punto di vista delle caratteristiche fisiologiche del corpo umano, lo “spazio” ha origine da un'altezza di 20 km sul livello del mare.

Il ruolo dell'atmosfera nella vita della Terra è molto grande. Ad esempio, grazie agli strati d'aria densi: la troposfera e la stratosfera, le persone sono protette dall'esposizione alle radiazioni. Nello spazio, nell'aria rarefatta, ad un'altitudine di oltre 36 km, agiscono le radiazioni ionizzanti. Ad un'altitudine di oltre 40 km - ultravioletto.

Quando si sale sopra la superficie terrestre fino ad un'altezza di oltre 90-100 km, si osserverà un graduale indebolimento e quindi la completa scomparsa dei fenomeni familiari all'uomo osservati nello strato atmosferico inferiore:

Nessun suono viaggia.

Non c'è forza aerodinamica o resistenza.

Il calore non viene trasferito per convezione, ecc.

Lo strato atmosferico protegge la Terra e tutti gli organismi viventi dalle radiazioni cosmiche, dai meteoriti, ed è responsabile della regolazione delle fluttuazioni stagionali della temperatura, del bilanciamento e del livellamento dei cicli giornalieri. In assenza di un’atmosfera sulla Terra, le temperature giornaliere oscillerebbero entro +/- 200°C. Lo strato atmosferico è un "cuscinetto" vivificante tra la superficie terrestre e lo spazio, un portatore di umidità e calore nell'atmosfera - i processi più importanti della biosfera;

Strati dell'atmosfera in ordine dalla superficie terrestre

L'atmosfera è una struttura a strati, che rappresenta i seguenti strati dell'atmosfera in ordine dalla superficie terrestre:

Troposfera.

Stratosfera.

Mesosfera.

Termosfera.

Esosfera

Ogni strato non ha confini netti tra loro e la loro altezza è influenzata dalla latitudine e dalle stagioni. Questa struttura a strati si è formata a causa delle variazioni di temperatura a diverse altitudini. È grazie all'atmosfera che vediamo le stelle scintillanti.

Struttura dell'atmosfera terrestre per strati:

Da cosa è composta l'atmosfera terrestre?

Ogni strato atmosferico differisce per temperatura, densità e composizione. Lo spessore totale dell'atmosfera è di 1,5-2,0 mila km. Da cosa è composta l'atmosfera terrestre? Attualmente è una miscela di gas con varie impurità.

Troposfera

La struttura dell'atmosfera terrestre inizia con la troposfera, che è la parte inferiore dell'atmosfera con un'altitudine di circa 10-15 km. Qui è concentrata la maggior parte dell'aria atmosferica. Una caratteristica della troposfera è un calo di temperatura di 0,6 ˚C ogni 100 metri. La troposfera concentra quasi tutto il vapore acqueo atmosferico ed è qui che si formano le nuvole.

L'altezza della troposfera cambia ogni giorno. Inoltre, il suo valore medio varia a seconda della latitudine e della stagione dell'anno. L'altezza media della troposfera sopra i poli è di 9 km, sopra l'equatore - circa 17 km. La temperatura media annuale dell'aria sopra l'equatore è vicina a +26 ˚C, e sopra il Polo Nord -23 ˚C. La linea superiore del confine troposferico sopra l'equatore ha una temperatura media annuale di circa -70 ˚C, e sopra il Polo Nord in estate -45 ˚C e in inverno -65 ˚C. Pertanto, maggiore è l'altitudine, minore è la temperatura. I raggi del sole attraversano senza ostacoli la troposfera, riscaldando la superficie terrestre. Il calore emesso dal sole viene trattenuto dall'anidride carbonica, dal metano e dal vapore acqueo.

Stratosfera

Sopra lo strato della troposfera si trova la stratosfera, che è alta 50-55 km. La particolarità di questo strato è che la temperatura aumenta con l'altezza. Tra la troposfera e la stratosfera si trova uno strato di transizione chiamato tropopausa.

A partire da una quota di 25 chilometri circa, la temperatura dello strato stratosferico comincia ad aumentare e, raggiunta la quota massima di 50 km, acquisisce valori da +10 a +30 ˚C.

C'è pochissimo vapore acqueo nella stratosfera. A volte ad un'altitudine di circa 25 km si possono trovare nuvole piuttosto sottili, chiamate “nuvole di perle”. Di giorno non si notano, ma di notte brillano a causa dell'illuminazione del sole, che è sotto l'orizzonte. La composizione delle nuvole madreperlacee è costituita da goccioline d'acqua superraffreddate. La stratosfera è costituita principalmente da ozono.

Mesosfera

L'altezza dello strato della mesosfera è di circa 80 km. Qui, salendo verso l'alto, la temperatura diminuisce e in alto raggiunge valori di diverse decine di C˚ sotto lo zero. Nella mesosfera si possono osservare anche nuvole, presumibilmente formate da cristalli di ghiaccio. Queste nuvole sono chiamate "nottilucenti". La mesosfera è caratterizzata dalla temperatura più fredda dell'atmosfera: da -2 a -138 ˚C.

Termosfera

Questo strato atmosferico ha preso il nome dalle sue alte temperature. La termosfera è composta da:

Ionosfera.

Esosfera.

La ionosfera è caratterizzata da aria rarefatta, ogni centimetro della quale ad un'altitudine di 300 km è costituito da 1 miliardo di atomi e molecole, e ad un'altitudine di 600 km - più di 100 milioni.

La ionosfera è inoltre caratterizzata da un'elevata ionizzazione dell'aria. Questi ioni sono costituiti da atomi di ossigeno carichi, molecole cariche di atomi di azoto ed elettroni liberi.

Esosfera

Lo strato esosferico inizia ad un'altitudine di 800-1000 km. Le particelle di gas, soprattutto quelle leggere, si muovono qui a una velocità enorme, superando la forza di gravità. Tali particelle, a causa del loro rapido movimento, volano fuori dall'atmosfera nello spazio e si dissipano. Pertanto, l'esosfera è chiamata sfera di dispersione. Per lo più volano nello spazio gli atomi di idrogeno, che costituiscono gli strati più alti dell'esosfera. Grazie alle particelle dell'alta atmosfera e alle particelle del vento solare, possiamo vedere l'aurora boreale.

Satelliti e razzi geofisici hanno permesso di stabilire la presenza negli strati superiori dell'atmosfera della cintura di radiazione del pianeta, costituita da particelle caricate elettricamente: elettroni e protoni.

10.045×10 3 J/(kg*K) (nell'intervallo di temperatura da 0-100°C), C v 8.3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). La solubilità dell'aria in acqua a 0°C è 0,036%, a 25°C - 0,22%.

Composizione atmosferica

Storia della formazione atmosferica

Storia antica

Attualmente, la scienza non è in grado di tracciare tutte le fasi della formazione della Terra con una precisione al cento per cento. Secondo la teoria più diffusa, l'atmosfera terrestre ha avuto nel tempo quattro diverse composizioni. Inizialmente consisteva di gas leggeri (idrogeno ed elio) catturati dallo spazio interplanetario. Questo è il cosiddetto atmosfera primaria. Nella fase successiva, l'attività vulcanica attiva ha portato alla saturazione dell'atmosfera con gas diversi dall'idrogeno (idrocarburi, ammoniaca, vapore acqueo). Ecco come si è formato atmosfera secondaria. Questa atmosfera è stata rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:

• perdita costante di idrogeno nello spazio interplanetario;
• reazioni chimiche che si verificano nell'atmosfera sotto l'influenza di radiazioni ultraviolette, scariche di fulmini e alcuni altri fattori.

A poco a poco questi fattori portarono alla formazione atmosfera terziaria, caratterizzato da un contenuto molto inferiore di idrogeno e un contenuto molto più elevato di azoto e anidride carbonica (formata a seguito di reazioni chimiche da ammoniaca e idrocarburi).

L'emergere della vita e dell'ossigeno

Con la comparsa degli organismi viventi sulla Terra a seguito della fotosintesi, accompagnata dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di anidride carbonica, la composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare. Esistono però dati (analisi della composizione isotopica dell'ossigeno atmosferico e di quello rilasciato durante la fotosintesi) che indicano l'origine geologica dell'ossigeno atmosferico.

Inizialmente, l'ossigeno veniva speso per l'ossidazione dei composti ridotti: idrocarburi, forma ferrosa del ferro contenuta negli oceani, ecc. Alla fine di questa fase, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera ha iniziato ad aumentare.

Negli anni '90 furono condotti esperimenti per creare un sistema ecologico chiuso (“Biosfera 2”), durante il quale non era possibile creare un sistema stabile con una composizione dell'aria uniforme. L'influenza dei microrganismi ha portato ad una diminuzione dei livelli di ossigeno e ad un aumento della quantità di anidride carbonica.

Azoto

La formazione di una grande quantità di N 2 è dovuta all'ossidazione dell'atmosfera primaria di ammoniaca e idrogeno con O 2 molecolare, che cominciò a fuoriuscire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, presumibilmente circa 3 miliardi di anni fa (secondo secondo un'altra versione, l'ossigeno atmosferico è di origine geologica). Negli strati superiori dell'atmosfera l'azoto viene ossidato in NO, utilizzato nell'industria e legato dai batteri che fissano l'azoto, mentre l'N2 viene rilasciato nell'atmosfera a seguito della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto.

L'azoto N 2 è un gas inerte e reagisce solo in condizioni specifiche (ad esempio durante la scarica di un fulmine). I cianobatteri e alcuni batteri (ad esempio i batteri noduli che formano la simbiosi rizobica con le leguminose) possono ossidarlo e convertirlo in forma biologica.

L'ossidazione dell'azoto molecolare mediante scariche elettriche viene utilizzata nella produzione industriale di fertilizzanti azotati e ha portato anche alla formazione di depositi di nitrato unici nel deserto cileno di Atacama.

gas nobili

La combustione dei combustibili è la principale fonte di gas inquinanti (CO, NO, SO2). L'anidride solforosa viene ossidata dall'aria O 2 in SO 3 negli strati superiori dell'atmosfera, che interagisce con i vapori di H 2 O e NH 3, e l'H 2 SO 4 e (NH 4) 2 SO 4 risultanti ritornano sulla superficie terrestre insieme alle precipitazioni. L'utilizzo di motori a combustione interna comporta un notevole inquinamento atmosferico da ossidi di azoto, idrocarburi e composti del Pb.

L'inquinamento da aerosol dell'atmosfera è causato sia da cause naturali (eruzioni vulcaniche, tempeste di polvere, trasporto di goccioline di acqua di mare e particelle di polline, ecc.) che da attività economiche umane (estrazione di minerali e materiali da costruzione, combustione di carburante, produzione di cemento, ecc. ). Il rilascio intenso e su larga scala di particolato nell’atmosfera è una delle possibili cause del cambiamento climatico sul pianeta.

La struttura dell'atmosfera e le caratteristiche dei singoli gusci

Lo stato fisico dell'atmosfera è determinato dal tempo e dal clima. Parametri fondamentali dell'atmosfera: densità dell'aria, pressione, temperatura e composizione. All’aumentare dell’altitudine, la densità dell’aria e la pressione atmosferica diminuiscono. Anche la temperatura cambia con i cambiamenti di altitudine. La struttura verticale dell'atmosfera è caratterizzata da diverse proprietà elettriche e di temperatura e da diverse condizioni dell'aria. A seconda della temperatura dell'atmosfera si distinguono i seguenti strati principali: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, esosfera (sfera di dispersione). Le regioni di transizione dell'atmosfera tra gusci vicini sono chiamate rispettivamente tropopausa, stratopausa, ecc.

Troposfera

Stratosfera

Nella stratosfera, la maggior parte della parte a onde corte della radiazione ultravioletta (180-200 nm) viene trattenuta e l'energia delle onde corte viene trasformata. Sotto l'influenza di questi raggi, i campi magnetici cambiano, le molecole si disintegrano, avviene la ionizzazione e si verifica la nuova formazione di gas e altri composti chimici. Questi processi possono essere osservati sotto forma di aurora boreale, fulmini e altri bagliori.

Nella stratosfera e negli strati più alti, sotto l'influenza della radiazione solare, le molecole di gas si dissociano in atomi (sopra gli 80 km CO 2 e H 2 si dissociano, sopra i 150 km - O 2, sopra i 300 km - H 2). Ad un'altitudine di 100-400 km, la ionizzazione dei gas avviene anche nella ionosfera, ad un'altitudine di 320 km, la concentrazione di particelle cariche (O + 2, O − 2, N + 2) è ~ 1/300; concentrazione di particelle neutre. Negli strati superiori dell'atmosfera ci sono radicali liberi: OH, HO 2, ecc.

Nella stratosfera non c’è quasi vapore acqueo.

Mesosfera

Fino ad un'altitudine di 100 km l'atmosfera è una miscela di gas omogenea e ben miscelata. Negli strati più alti, la distribuzione dei gas in altezza dipende dai loro pesi molecolari; la concentrazione dei gas più pesanti diminuisce più velocemente con la distanza dalla superficie terrestre. A causa della diminuzione della densità del gas, la temperatura scende da 0°C nella stratosfera a -110°C nella mesosfera. Tuttavia, l’energia cinetica delle singole particelle ad altitudini di 200-250 km corrisponde ad una temperatura di ~1500°C. Al di sopra dei 200 km si osservano fluttuazioni significative della temperatura e della densità dei gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3000 km, l'esosfera si trasforma gradualmente nel cosiddetto vuoto quasi spaziale, che è pieno di particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas rappresenta solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è costituita da particelle di polvere di origine cometaria e meteorica. Oltre a queste particelle estremamente rarefatte, in questo spazio penetrano radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari di origine solare e galattica.

La troposfera rappresenta circa l'80% della massa dell'atmosfera, la stratosfera circa il 20%; la massa della mesosfera non è superiore allo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. In base alle proprietà elettriche dell'atmosfera, si distinguono la neutronosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda fino ad un'altitudine di 2000-3000 km.

A seconda della composizione del gas nell'atmosfera, emettono omosfera E eterosfera. Eterosfera- Questa è l'area in cui la gravità influisce sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altitudine è trascurabile. Ciò implica una composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto si trova una parte ben miscelata e omogenea dell'atmosfera chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa e si trova ad un'altitudine di circa 120 km.

Proprietà atmosferiche

Già ad un'altitudine di 5 km sul livello del mare, una persona non allenata inizia a sperimentare la carenza di ossigeno e senza adattamento, le prestazioni di una persona diminuiscono significativamente. La zona fisiologica dell'atmosfera finisce qui. La respirazione umana diventa impossibile ad un'altitudine di 15 km, anche se fino a circa 115 km l'atmosfera contiene ossigeno.

L'atmosfera ci fornisce l'ossigeno necessario per respirare. Tuttavia, a causa della diminuzione della pressione totale dell'atmosfera man mano che si sale in quota, la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce di conseguenza.

I polmoni umani contengono costantemente circa 3 litri di aria alveolare. La pressione parziale dell'ossigeno nell'aria alveolare alla normale pressione atmosferica è di 110 mmHg. Art., pressione dell'anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo −47 mm Hg. Arte. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione dell'ossigeno diminuisce e la pressione totale del vapore di acqua e anidride carbonica nei polmoni rimane quasi costante: circa 87 mm Hg. Arte. L'apporto di ossigeno ai polmoni si interromperà completamente quando la pressione dell'aria ambiente raggiungerà questo valore.

Ad un'altitudine di circa 19-20 km, la pressione atmosferica scende a 47 mm Hg. Arte. Pertanto, a questa altitudine, l'acqua e il liquido interstiziale iniziano a bollire nel corpo umano. Fuori dalla cabina pressurizzata, a queste altitudini, la morte avviene quasi istantaneamente. Pertanto, dal punto di vista della fisiologia umana, lo “spazio” inizia già ad un'altitudine di 15-19 km.

Dense strati d'aria - la troposfera e la stratosfera - ci proteggono dagli effetti dannosi delle radiazioni. Con sufficiente rarefazione dell'aria, ad altitudini superiori a 36 km, le radiazioni ionizzanti - raggi cosmici primari - hanno un effetto intenso sul corpo; Ad altitudini superiori a 40 km, la parte ultravioletta dello spettro solare è pericolosa per l'uomo.