Composizione moderna dell'atmosfera terrestre. Cos'è l'atmosfera? L'atmosfera terrestre: struttura, significato

L'atmosfera ha strati d'aria chiaramente definiti. Gli strati d'aria differiscono tra loro per temperatura, differenza di gas, densità e pressione. 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 le nuvole 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 sopra i cicloni e aumenta sopra gli 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 di 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— fuga 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 del 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.

L'involucro gassoso che circonda il nostro pianeta Terra, noto come atmosfera, è costituito da cinque strati principali. Questi strati hanno origine sulla superficie del pianeta, dal livello del mare (a volte al di sotto) e salgono verso lo spazio nella seguente sequenza:

• Troposfera;
• Stratosfera;
• Mesosfera;
• Termosfera;
• Esosfera.

Schema dei principali strati dell'atmosfera terrestre

Tra ciascuno di questi cinque strati principali ci sono zone di transizione chiamate "pause" dove si verificano cambiamenti nella temperatura, nella composizione e nella densità dell'aria. Insieme alle pause, l'atmosfera terrestre comprende un totale di 9 strati.

Troposfera: dove si verifica il tempo

Di tutti gli strati dell'atmosfera, la troposfera è quello con cui abbiamo più familiarità (che tu te ne accorga o no), poiché viviamo sul suo fondo, la superficie del pianeta. Avvolge la superficie della Terra e si estende verso l'alto per diversi chilometri. La parola troposfera significa "cambiamento del globo". Un nome molto appropriato, poiché questo strato è dove si verifica il nostro clima quotidiano.

Partendo dalla superficie del pianeta, la troposfera raggiunge un'altezza compresa tra 6 e 20 km. Il terzo inferiore dello strato, più vicino a noi, contiene il 50% di tutti i gas atmosferici. Questa è l'unica parte dell'intera atmosfera che respira. A causa del fatto che l'aria viene riscaldata dal basso dalla superficie terrestre, che assorbe l'energia termica del Sole, la temperatura e la pressione della troposfera diminuiscono con l'aumentare dell'altitudine.

Nella parte superiore c'è uno strato sottile chiamato tropopausa, che è semplicemente un cuscinetto tra la troposfera e la stratosfera.

Stratosfera: casa dell'ozono

La stratosfera è lo strato successivo dell'atmosfera. Si estende da 6-20 km a 50 km sopra la superficie terrestre. Questo è lo strato in cui vola la maggior parte degli aerei di linea commerciali e viaggiano le mongolfiere.

Qui l'aria non scorre su e giù, ma si muove parallelamente alla superficie in correnti d'aria molto veloci. Man mano che si sale, la temperatura aumenta, grazie all'abbondanza di ozono naturale (O3), un sottoprodotto della radiazione solare e dell'ossigeno, che ha la capacità di assorbire i dannosi raggi ultravioletti del sole (qualsiasi aumento di temperatura con l'altitudine è noto in meteorologia come "inversione").

Poiché la stratosfera ha temperature più calde nella parte inferiore e temperature più fresche nella parte superiore, la convezione (movimento verticale delle masse d'aria) è rara in questa parte dell'atmosfera. In effetti, è possibile osservare una tempesta che infuria nella troposfera dalla stratosfera perché lo strato agisce come una calotta convettiva che impedisce alle nuvole temporalesche di penetrare.

Dopo la stratosfera c'è di nuovo uno strato cuscinetto, questa volta chiamato stratopausa.

Mesosfera: atmosfera media

La mesosfera si trova a circa 50-80 km dalla superficie terrestre. La mesosfera superiore è il luogo naturale più freddo della Terra, dove le temperature possono scendere sotto i -143°C.

Termosfera: atmosfera superiore

Dopo la mesosfera e la mesopausa arriva la termosfera, situata tra 80 e 700 km sopra la superficie del pianeta, e contiene meno dello 0,01% dell'aria totale nell'involucro atmosferico. Qui le temperature raggiungono i +2000° C, ma a causa dell'estrema rarefazione dell'aria e della mancanza di molecole di gas per trasferire il calore, queste alte temperature sono percepite come molto fredde.

Esosfera: il confine tra l'atmosfera e lo spazio

Ad un'altitudine di circa 700-10.000 km sopra la superficie terrestre si trova l'esosfera, il bordo esterno dell'atmosfera, al confine con lo spazio. Qui i satelliti meteorologici orbitano attorno alla Terra.

E la ionosfera?

La ionosfera non è uno strato separato, ma in realtà il termine è usato per riferirsi all'atmosfera tra 60 e 1000 km di altitudine. Comprende le parti più alte della mesosfera, l'intera termosfera e parte dell'esosfera. La ionosfera prende il nome perché in questa parte dell'atmosfera la radiazione del Sole viene ionizzata quando attraversa i campi magnetici della Terra a e. Questo fenomeno si osserva da terra come l'aurora boreale.

La struttura e la composizione dell'atmosfera terrestre, va detto, non sono sempre stati valori costanti nell'uno o nell'altro periodo dello sviluppo del nostro pianeta. Oggi la struttura verticale di questo elemento, che ha uno “spessore” totale di 1,5-2,0 mila km, è rappresentata da diversi strati principali, tra cui:

1. Troposfera.
2. Tropopausa.
3. Stratosfera.
4. Stratopausa.
5. Mesosfera e mesopausa.
6. Termosfera.
7. Esosfera.

Elementi fondamentali dell'atmosfera

La troposfera è uno strato in cui si osservano forti movimenti verticali e orizzontali; è qui che si formano il tempo, i fenomeni sedimentari e le condizioni climatiche; Si estende per 7-8 chilometri dalla superficie del pianeta quasi ovunque, ad eccezione delle regioni polari (lì fino a 15 km). Nella troposfera si registra una diminuzione graduale della temperatura, di circa 6,4°C per ogni chilometro di altitudine. Questo indicatore può differire a seconda delle latitudini e delle stagioni.

La composizione dell'atmosfera terrestre in questa parte è rappresentata dai seguenti elementi e dalle loro percentuali:

Azoto: circa il 78%;

Ossigeno: quasi il 21%;

Argon: circa l'1%;

Anidride carbonica - inferiore allo 0,05%.

Composizione singola fino a quota 90 chilometri

Inoltre qui si possono trovare polvere, goccioline d'acqua, vapore acqueo, prodotti della combustione, cristalli di ghiaccio, sali marini, molte particelle di aerosol, ecc. Questa composizione dell'atmosfera terrestre si osserva fino a circa novanta chilometri di altitudine, quindi l'aria è approssimativamente lo stesso nella composizione chimica, non solo nella troposfera, ma anche negli strati sovrastanti. Ma lì l'atmosfera ha proprietà fisiche fondamentalmente diverse. Lo strato che ha una composizione chimica generale è chiamato omosfera.

Quali altri elementi compongono l'atmosfera terrestre? In percentuale (in volume, nell'aria secca) gas come kripton (circa 1,14 x 10 -4), xeno (8,7 x 10 -7), idrogeno (5,0 x 10 -5), metano (circa 1,7 x 10 -5) sono rappresentati qui 4), protossido di azoto (5,0 x 10 -5), ecc. In percentuale in massa, la maggior parte dei componenti elencati sono protossido di azoto e idrogeno, seguiti da elio, cripton, ecc.

Proprietà fisiche dei diversi strati atmosferici

Le proprietà fisiche della troposfera sono strettamente legate alla sua vicinanza alla superficie del pianeta. Da qui, il calore solare riflesso sotto forma di raggi infrarossi viene diretto verso l'alto, coinvolgendo i processi di conduzione e convezione. Ecco perché la temperatura diminuisce con la distanza dalla superficie terrestre. Questo fenomeno si osserva fino all'altezza della stratosfera (11-17 chilometri), poi la temperatura diventa quasi invariata fino a 34-35 km, per poi risalire fino a quote di 50 chilometri (limite superiore della stratosfera). . Tra la stratosfera e la troposfera si trova un sottile strato intermedio della tropopausa (fino a 1-2 km), dove si osservano temperature costanti sopra l'equatore - circa meno 70 ° C e sotto. Sopra i poli la tropopausa si “riscalda” in estate fino a meno 45°C, in inverno le temperature oscillano intorno ai -65°C;

La composizione del gas dell'atmosfera terrestre include un elemento così importante come l'ozono. In superficie ce n'è relativamente poco (dieci alla meno sesta potenza dell'1%), poiché il gas si forma sotto l'influenza della luce solare dall'ossigeno atomico nelle parti superiori dell'atmosfera. In particolare, la maggior parte dell’ozono si trova ad un’altitudine di circa 25 km, e l’intero “schermo di ozono” si trova in aree che vanno da 7-8 km ai poli, da 18 km all’equatore e fino a cinquanta chilometri complessivamente sopra il livello del mare. superficie del pianeta.

L'atmosfera protegge dalle radiazioni solari

La composizione dell'aria nell'atmosfera terrestre gioca un ruolo molto importante nella preservazione della vita, poiché i singoli elementi chimici e le composizioni limitano con successo l'accesso della radiazione solare alla superficie terrestre e alle persone, agli animali e alle piante che vivono su di essa. Ad esempio, le molecole di vapore acqueo assorbono efficacemente quasi tutte le gamme di radiazioni infrarosse, ad eccezione delle lunghezze comprese tra 8 e 13 micron. L'ozono assorbe la radiazione ultravioletta fino alla lunghezza d'onda di 3100 A. Senza il suo sottile strato (solo 3 mm in media se posto sulla superficie del pianeta), solo l'acqua ad una profondità superiore a 10 metri e le grotte sotterranee dove la radiazione solare non arriva raggiungere può essere abitato.

Zero Celsius alla stratopausa

Tra i due livelli successivi dell'atmosfera, la stratosfera e la mesosfera, c'è uno strato notevole: la stratopausa. Corrisponde approssimativamente all'altezza massima dell'ozono e la temperatura qui è relativamente confortevole per l'uomo - circa 0°C. Al di sopra della stratopausa, nella mesosfera (inizia da qualche parte ad un'altitudine di 50 km e termina ad un'altitudine di 80-90 km), si osserva nuovamente un calo della temperatura con l'aumentare della distanza dalla superficie terrestre (a meno 70-80 ° C ). Le meteore di solito bruciano completamente nella mesosfera.

Nella termosfera - più 2000 K!

La composizione chimica dell'atmosfera terrestre nella termosfera (inizia dopo la mesopausa da altitudini comprese tra circa 85-90 e 800 km) determina la possibilità di un fenomeno come il riscaldamento graduale di strati di "aria" molto rarefatta sotto l'influenza della radiazione solare . In questa parte della “coperta d'aria” del pianeta, le temperature vanno da 200 a 2000 K, ottenute grazie alla ionizzazione dell'ossigeno (l'ossigeno atomico si trova a oltre 300 km), nonché alla ricombinazione degli atomi di ossigeno in molecole , accompagnato dal rilascio di una grande quantità di calore. La termosfera è il luogo in cui si verificano le aurore.

Sopra la termosfera c'è l'esosfera, lo strato esterno dell'atmosfera, da cui la luce e gli atomi di idrogeno in rapido movimento possono fuggire nello spazio. La composizione chimica dell'atmosfera terrestre qui è rappresentata principalmente da singoli atomi di ossigeno negli strati inferiori, da atomi di elio negli strati intermedi e quasi esclusivamente da atomi di idrogeno negli strati superiori. Qui prevalgono le alte temperature - circa 3000 K e non c'è pressione atmosferica.

Come si è formata l'atmosfera terrestre?

Ma, come accennato in precedenza, il pianeta non ha sempre avuto una composizione così atmosferica. In totale, ci sono tre concetti sull'origine di questo elemento. La prima ipotesi suggerisce che l'atmosfera sia stata prelevata attraverso il processo di accrescimento da una nube protoplanetaria. Tuttavia, oggi questa teoria è soggetta a critiche significative, poiché un’atmosfera così primaria avrebbe dovuto essere distrutta dal “vento” solare proveniente da una stella nel nostro sistema planetario. Inoltre, si presume che gli elementi volatili non possano essere trattenuti nella zona di formazione dei pianeti terrestri a causa delle temperature troppo elevate.

La composizione dell'atmosfera primaria della Terra, come suggerito dalla seconda ipotesi, potrebbe essersi formata a causa del bombardamento attivo della superficie da parte di asteroidi e comete arrivati ​​dalle vicinanze del sistema Solare nelle prime fasi di sviluppo. È abbastanza difficile confermare o confutare questo concetto.

Esperimento presso IDG RAS

La più plausibile sembra essere la terza ipotesi, secondo la quale l'atmosfera è apparsa a seguito del rilascio di gas dal mantello della crosta terrestre circa 4 miliardi di anni fa. Questo concetto è stato testato presso l’Istituto di Geografia dell’Accademia Russa delle Scienze durante un esperimento chiamato “Tsarev 2”, quando un campione di una sostanza di origine meteorica è stato riscaldato nel vuoto. Quindi è stato registrato il rilascio di gas come H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2, ecc. Pertanto, gli scienziati hanno giustamente ipotizzato che la composizione chimica dell'atmosfera primaria della Terra includesse acqua e anidride carbonica, acido fluoridrico (). HF), monossido di carbonio (CO), idrogeno solforato (H 2 S), composti di azoto, idrogeno, metano (CH 4), vapore di ammoniaca (NH 3), argon, ecc. Il vapore acqueo dell'atmosfera primaria ha partecipato alla formazione dell'idrosfera, l'anidride carbonica si trovava in misura maggiore allo stato legato nelle sostanze organiche e nelle rocce, l'azoto è passato nella composizione dell'aria moderna, e ancora nelle rocce sedimentarie e nelle sostanze organiche.

La composizione dell'atmosfera primaria della Terra non consentirebbe agli esseri umani moderni di trovarsi al suo interno senza autorespiratore, poiché allora non c'era ossigeno nella quantità richiesta. Questo elemento è apparso in quantità significative un miliardo e mezzo di anni fa, probabilmente in relazione allo sviluppo del processo di fotosintesi delle alghe blu-verdi e di altre alghe, che sono gli abitanti più antichi del nostro pianeta.

Ossigeno minimo

Il fatto che la composizione dell'atmosfera terrestre fosse inizialmente quasi priva di ossigeno è indicato dal fatto che nelle rocce più antiche (catarchee) si trova grafite (carbonio) facilmente ossidata, ma non ossidata. Successivamente apparvero i cosiddetti minerali di ferro fasciati, che includevano strati di ossidi di ferro arricchiti, il che significa l'apparizione sul pianeta di una potente fonte di ossigeno in forma molecolare. Ma questi elementi venivano trovati solo periodicamente (forse le stesse alghe o altri produttori di ossigeno apparivano in piccole isole in un deserto privo di ossigeno), mentre il resto del mondo era anaerobico. Quest'ultimo è supportato dal fatto che la pirite facilmente ossidabile è stata trovata sotto forma di ciottoli lavorati dal flusso senza tracce di reazioni chimiche. Poiché le acque correnti non possono essere scarsamente aerate, si è sviluppata l'idea che l'atmosfera prima del Cambriano contenesse meno dell'1% della composizione di ossigeno di oggi.

Cambiamento rivoluzionario nella composizione dell'aria

Approssimativamente a metà del Proterozoico (1,8 miliardi di anni fa), si verificò una “rivoluzione dell’ossigeno” quando il mondo passò alla respirazione aerobica, durante la quale si possono ottenere 38 da una molecola di un nutriente (glucosio), e non da due (come nel caso respirazione anaerobica) unità di energia. La composizione dell'atmosfera terrestre, in termini di ossigeno, cominciò a superare l'1% di quella odierna e cominciò ad apparire uno strato di ozono che proteggeva gli organismi dalle radiazioni. Fu da lei che, ad esempio, animali antichi come i trilobiti “si nascondevano” sotto spesse conchiglie. Da allora fino ai nostri giorni, il contenuto del principale elemento “respiratorio” è gradualmente e lentamente aumentato, garantendo la diversità di sviluppo delle forme di vita sul pianeta.

10.045×10 3 J/(kg*K) (nell'intervallo di temperature 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 delle 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.

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.

Non c'è quasi vapore acqueo nella stratosfera.

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 dalle loro masse 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.

L'atmosfera terrestre è eterogenea: a diverse altitudini ci sono diverse densità e pressioni dell'aria, cambiamenti di temperatura e composizione del gas. In base all'andamento della temperatura dell'aria ambiente (cioè la temperatura aumenta o diminuisce con l'altezza), in essa si distinguono i seguenti strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera. I confini tra gli strati sono chiamati pause: ce ne sono 4, perché il confine superiore dell'esosfera è molto sfocato e spesso si riferisce allo spazio vicino. La struttura generale dell'atmosfera può essere trovata nel diagramma allegato.

Fig.1 La struttura dell'atmosfera terrestre. Credito: sito web

Lo strato atmosferico più basso è la troposfera, il cui limite superiore, chiamato tropopausa, varia a seconda della latitudine geografica e varia da 8 km. al polare fino a 20 km. alle latitudini tropicali. Nelle latitudini medie o temperate, il suo limite superiore si trova ad un'altitudine di 10-12 km. Durante l'anno, il limite superiore della troposfera subisce fluttuazioni a seconda dell'afflusso della radiazione solare. Pertanto, in seguito al sondaggio effettuato dal servizio meteorologico statunitense al Polo Sud della Terra, è stato rivelato che da marzo ad agosto o settembre si verifica un costante raffreddamento della troposfera, a seguito del quale per un breve periodo in agosto o settembre il suo confine sale a 11,5 km. Poi, nel periodo da settembre a dicembre, diminuisce rapidamente e raggiunge la posizione più bassa - 7,5 km, dopodiché la sua altezza rimane praticamente invariata fino a marzo. Quelli. La troposfera raggiunge il suo massimo spessore in estate e il suo minimo in inverno.

Vale la pena notare che, oltre a quelle stagionali, ci sono anche fluttuazioni giornaliere nell'altezza della tropopausa. Inoltre, la sua posizione è influenzata dai cicloni e dagli anticicloni: nel primo cade, perché La pressione al loro interno è inferiore a quella dell'aria circostante e, in secondo luogo, aumenta di conseguenza.

La troposfera contiene fino al 90% della massa totale dell'aria terrestre e 9/10 di tutto il vapore acqueo. Qui la turbolenza è molto sviluppata, soprattutto negli strati vicini alla superficie e più alti, si formano nubi di tutti i livelli, si formano cicloni e anticicloni. E a causa dell'accumulo di gas serra (anidride carbonica, metano, vapore acqueo) della luce solare riflessa dalla superficie terrestre, si sviluppa l'effetto serra.

L'effetto serra è associato ad una diminuzione della temperatura dell'aria nella troposfera con l'altezza (poiché la Terra riscaldata cede più calore agli strati superficiali). La pendenza verticale media è di 0,65°/100 m (ovvero la temperatura dell'aria diminuisce di 0,65° C ogni 100 metri di dislivello). Quindi, se la temperatura media annuale dell'aria sulla superficie della Terra vicino all'equatore è +26°, al confine superiore è -70°. La temperatura nella regione della tropopausa sopra il Polo Nord varia durante tutto l'anno da -45° in estate a -65° in inverno.

All’aumentare dell’altitudine, diminuisce anche la pressione atmosferica, pari solo al 12-20% del livello vicino alla superficie al confine superiore della troposfera.

Al confine tra la troposfera e lo strato sovrastante della stratosfera si trova uno strato della tropopausa, spesso 1-2 km. I confini inferiori della tropopausa sono solitamente considerati uno strato d'aria in cui il gradiente verticale diminuisce a 0,2°/100 m contro 0,65°/100 m nelle regioni sottostanti della troposfera.

All'interno della tropopausa si osservano flussi d'aria di una direzione rigorosamente definita, chiamati correnti a getto d'alta quota o “correnti a getto”, formati sotto l'influenza della rotazione della Terra attorno al suo asse e del riscaldamento dell'atmosfera con la partecipazione della radiazione solare . Le correnti si osservano ai confini delle zone con differenze di temperatura significative. Esistono diversi centri di localizzazione di queste correnti, ad esempio artico, subtropicale, subpolare e altri. La conoscenza della localizzazione delle correnti a getto è molto importante per la meteorologia e l'aviazione: la prima utilizza i flussi per previsioni meteorologiche più accurate, la seconda per costruire rotte di volo degli aerei, perché Ai confini dei flussi si formano forti vortici turbolenti, simili a piccoli vortici, detti “turbolenze a cielo sereno” per l'assenza di nubi a queste quote.

Sotto l'influenza delle correnti a getto d'alta quota, spesso si formano delle rotture nella tropopausa e talvolta scompare del tutto, anche se poi si forma di nuovo. Ciò è particolarmente spesso osservato alle latitudini subtropicali, che sono dominate da una potente corrente subtropicale ad alta quota. Inoltre, la differenza negli strati della tropopausa nella temperatura ambiente porta alla formazione di lacune. Ad esempio, esiste un ampio divario tra la tropopausa polare calda e bassa e la tropopausa alta e fredda delle latitudini tropicali. Recentemente è emerso anche uno strato della tropopausa delle latitudini temperate, che presenta discontinuità con i due strati precedenti: polare e tropicale.

Il secondo strato dell'atmosfera terrestre è la stratosfera. La stratosfera può essere approssimativamente divisa in due regioni. Il primo di essi, che si trova fino ad un'altitudine di 25 km, è caratterizzato da temperature quasi costanti, uguali alle temperature degli strati superiori della troposfera su una determinata area. La seconda regione, o regione di inversione, è caratterizzata da un aumento della temperatura dell'aria fino ad altitudini di circa 40 km. Ciò si verifica a causa dell'assorbimento della radiazione ultravioletta solare da parte dell'ossigeno e dell'ozono. Nella parte alta della stratosfera, grazie a questo riscaldamento, la temperatura è spesso positiva o addirittura paragonabile alla temperatura dell'aria superficiale.

Al di sopra della regione di inversione si trova uno strato a temperatura costante, chiamato stratopausa e che costituisce il confine tra la stratosfera e la mesosfera. Il suo spessore raggiunge i 15 km.

A differenza della troposfera, nella stratosfera le perturbazioni turbolente sono rare, ma vi sono forti venti orizzontali o correnti a getto che soffiano in zone ristrette lungo i confini delle latitudini temperate rivolte verso i poli. La posizione di queste zone non è costante: possono spostarsi, espandersi o addirittura scomparire del tutto. Spesso le correnti a getto penetrano negli strati superiori della troposfera o, al contrario, le masse d'aria della troposfera penetrano negli strati inferiori della stratosfera. Tale mescolamento delle masse d'aria è particolarmente tipico nelle zone dei fronti atmosferici.

C'è poco vapore acqueo nella stratosfera. L'aria qui è molto secca, e quindi si formano poche nuvole. Solo ad altitudini di 20-25 km, essendo ad alte latitudini, si possono notare nubi perlescenti molto sottili costituite da goccioline d'acqua superraffreddate. Durante il giorno, queste nuvole non sono visibili, ma con l'inizio dell'oscurità sembrano brillare a causa della loro illuminazione da parte del Sole, che è già tramontato sotto l'orizzonte.

Alla stessa altitudine (20-25 km) nella bassa stratosfera si trova il cosiddetto strato di ozono, l'area con il più alto contenuto di ozono, che si forma sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta (puoi saperne di più processo nella pagina). Lo strato di ozono o ozonosfera è di estrema importanza per il mantenimento della vita di tutti gli organismi che vivono sulla terra, assorbendo i mortali raggi ultravioletti con una lunghezza d'onda fino a 290 nm. È per questo motivo che gli organismi viventi non vivono al di sopra dello strato di ozono che rappresenta il limite superiore della distribuzione della vita sulla Terra;

Sotto l'influenza dell'ozono, cambiano anche i campi magnetici, gli atomi si disintegrano, le molecole si disintegrano, avviene la ionizzazione e si verifica una nuova formazione di gas e altri composti chimici.

Lo strato dell'atmosfera che si trova sopra la stratosfera è chiamato mesosfera. È caratterizzato da una diminuzione della temperatura dell'aria in altezza con un gradiente verticale medio di 0,25-0,3°/100 m, che porta a forti turbolenze. Ai confini superiori della mesosfera, nella regione chiamata mesopausa, si sono registrate temperature fino a -138°C, che rappresenta il minimo assoluto per l'intera atmosfera terrestre nel suo complesso.

Qui, all'interno della mesopausa, si trova il limite inferiore della regione di assorbimento attivo dei raggi X e della radiazione ultravioletta a onde corte provenienti dal Sole. Questo processo energetico è chiamato trasferimento di calore radiante. Di conseguenza, il gas viene riscaldato e ionizzato, facendo brillare l’atmosfera.

Ad altitudini di 75-90 km, ai confini superiori della mesosfera, sono state notate nubi speciali che occupano vaste aree nelle regioni polari del pianeta. Queste nuvole sono chiamate nottilucenti a causa del loro bagliore al crepuscolo, causato dal riflesso della luce solare dai cristalli di ghiaccio di cui sono composte queste nuvole.

La pressione dell'aria nella mesopausa è 200 volte inferiore a quella sulla superficie terrestre. Ciò suggerisce che quasi tutta l'aria nell'atmosfera è concentrata nei suoi 3 strati inferiori: troposfera, stratosfera e mesosfera. Gli strati sovrastanti, la termosfera e l'esosfera, rappresentano solo lo 0,05% della massa dell'intera atmosfera.

La termosfera si trova ad altitudini comprese tra 90 e 800 km sopra la superficie terrestre.

La termosfera è caratterizzata da un continuo aumento della temperatura dell'aria fino ad altitudini di 200-300 km, dove può raggiungere i 2500°C. La temperatura aumenta a causa dell'assorbimento dei raggi X e della radiazione ultravioletta a onde corte provenienti dal Sole da parte delle molecole di gas. Al di sopra dei 300 km sul livello del mare l'aumento della temperatura si ferma.

Contemporaneamente all'aumento della temperatura diminuisce la pressione e, di conseguenza, la densità dell'aria circostante. Quindi, se ai confini inferiori della termosfera la densità è 1,8 × 10 -8 g/cm 3, ai confini superiori è già 1,8 × 10 -15 g/cm 3, che corrisponde approssimativamente a 10 milioni - 1 miliardo di particelle per 1 cm 3.

Tutte le caratteristiche della termosfera, come la composizione dell'aria, la sua temperatura, la densità, sono soggette a forti fluttuazioni: a seconda della posizione geografica, della stagione dell'anno e dell'ora del giorno. Anche la posizione del limite superiore della termosfera cambia.

Lo strato più superficiale dell'atmosfera è chiamato esosfera o strato di dispersione. Il suo limite inferiore cambia costantemente entro limiti molto ampi; L'altitudine media è di 690-800 km. Viene installato dove la probabilità di collisioni intermolecolari o interatomiche può essere trascurata, ad es. la distanza media che una molecola in movimento caotico percorrerà prima di scontrarsi con un'altra molecola simile (il cosiddetto percorso libero) sarà così grande che di fatto le molecole non si scontreranno con una probabilità prossima allo zero. Lo strato in cui avviene il fenomeno descritto è detto pausa termica.

Il limite superiore dell'esosfera si trova ad altitudini di 2-3 mila km. È molto sfocato e si trasforma gradualmente in un vuoto quasi spaziale. A volte, per questo motivo, l'esosfera è considerata parte dello spazio esterno e il suo limite superiore è considerato un'altezza di 190mila km, alla quale l'influenza della pressione della radiazione solare sulla velocità degli atomi di idrogeno supera l'attrazione gravitazionale del pianeta. Terra. Questo è il cosiddetto la corona terrestre, costituita da atomi di idrogeno. La densità della corona terrestre è molto piccola: solo 1000 particelle per centimetro cubo, ma questo numero è più di 10 volte superiore alla concentrazione di particelle nello spazio interplanetario.

A causa dell'estrema rarefazione dell'aria nell'esosfera, le particelle si muovono attorno alla Terra lungo orbite ellittiche senza scontrarsi tra loro. Alcuni di essi, muovendosi lungo traiettorie aperte o iperboliche a velocità cosmiche (atomi di idrogeno ed elio), lasciano l'atmosfera e si dirigono nello spazio, motivo per cui l'esosfera è chiamata sfera di scattering.