Atmosfera (dal greco ατμός - "vapore" e σφαῖρα - "sfera") - il guscio gassoso di un corpo celeste, tenuto attorno ad esso dalla gravità. atmosfera - il guscio gassoso del pianeta, costituito da una miscela di vari gas, vapore acqueo e polvere. Lo scambio di materia tra la Terra e il Cosmo avviene attraverso l'atmosfera. La Terra riceve polvere cosmica e materiale meteoritico, perde i gas più leggeri: idrogeno ed elio. L'atmosfera della Terra è penetrata in tutto e per tutto dalla potente radiazione del Sole, che determina il regime termico della superficie del pianeta, provocando la dissociazione delle molecole di gas atmosferico e la ionizzazione degli atomi.

L'atmosfera terrestre contiene ossigeno, utilizzato dalla maggior parte degli organismi viventi per la respirazione, e anidride carbonica, che viene consumata da piante, alghe e cianobatteri durante la fotosintesi. L'atmosfera è anche uno strato protettivo del pianeta, proteggendo i suoi abitanti dalle radiazioni ultraviolette solari.

Tutti i corpi massicci hanno un'atmosfera: pianeti terrestri, giganti gassosi.

Composizione dell'atmosfera

L'atmosfera è una miscela di gas costituita da azoto (78,08%), ossigeno (20,95%), anidride carbonica (0,03%), argon (0,93%), piccole quantità di elio, neon, xeno, cripton (0,01%), 0,038% di anidride carbonica e piccole quantità di idrogeno, elio, altri gas nobili e inquinanti.

La moderna composizione dell'aria terrestre è stata stabilita più di cento milioni di anni fa, ma l'attività produttiva umana fortemente aumentata ha comunque portato al suo cambiamento. Attualmente si registra un aumento del contenuto di CO 2 di circa il 10-12% I gas che compongono l'atmosfera svolgono diversi ruoli funzionali. Tuttavia, il significato principale di questi gas è determinato principalmente dal fatto che assorbono molto fortemente l'energia radiante e quindi hanno un effetto significativo sul regime di temperatura della superficie terrestre e dell'atmosfera.

La composizione iniziale dell'atmosfera di un pianeta dipende solitamente dalle proprietà chimiche e termiche del sole durante la formazione dei pianeti e il successivo rilascio di gas esterni. Quindi la composizione dell'involucro del gas si evolve sotto l'influenza di vari fattori.

Le atmosfere di Venere e Marte sono per lo più anidride carbonica con piccole aggiunte di azoto, argon, ossigeno e altri gas. L'atmosfera terrestre è in gran parte un prodotto degli organismi che vi abitano. I giganti gassosi a bassa temperatura - Giove, Saturno, Urano e Nettuno - possono contenere gas per lo più a basso peso molecolare - idrogeno ed elio. I giganti gassosi ad alta temperatura, come Osiride o 51 Pegasi b, al contrario, non riescono a trattenerla e le molecole della loro atmosfera sono disperse nello spazio. Questo processo è lento e continuo.

Azoto, il gas più comune nell'atmosfera, chimicamente poco attivo.

Ossigeno, a differenza dell'azoto, è un elemento chimicamente molto attivo. La funzione specifica dell'ossigeno è l'ossidazione della materia organica di organismi eterotrofi, rocce e gas sottoossidati emessi nell'atmosfera dai vulcani. Senza ossigeno, non ci sarebbe decomposizione della materia organica morta.

Struttura atmosferica

La struttura dell'atmosfera è composta da due parti: l'interno - troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera, o ionosfera, e l'esterno - magnetosfera (esosfera).

1) Troposfera- questa è la parte inferiore dell'atmosfera, in cui è concentrato 3/4, ad es. ~ 80% dell'intera atmosfera terrestre. La sua altezza è determinata dall'intensità delle correnti d'aria verticali (ascendenti o discendenti) causate dal riscaldamento della superficie terrestre e dell'oceano, quindi lo spessore della troposfera all'equatore è di 16-18 km, alle latitudini temperate di 10-11 km e ai poli - fino a 8 km. La temperatura dell'aria nella troposfera in quota diminuisce di 0,6ºС ogni 100 m e varia da +40 a -50ºС.

2) Stratosfera situato sopra la troposfera e ha un'altezza fino a 50 km dalla superficie del pianeta. La temperatura ad un'altitudine fino a 30 km è costante -50ºС. Quindi inizia a salire e ad un'altitudine di 50 km raggiunge +10ºС.

Il limite superiore della biosfera è lo schermo dell'ozono.

Lo schermo dell'ozono è uno strato dell'atmosfera all'interno della stratosfera, situato a diverse altezze dalla superficie terrestre e con una densità massima di ozono ad un'altitudine di 20-26 km.

L'altezza dello strato di ozono ai poli è stimata in 7-8 km, all'equatore in 17-18 km, e l'altezza massima della presenza di ozono è di 45-50 km. Al di sopra dello schermo di ozono, la vita è impossibile a causa della dura radiazione ultravioletta del sole. Se comprimi tutte le molecole di ozono, ottieni uno strato di ~ 3 mm attorno al pianeta.

3) Mesosfera– il limite superiore di questo strato si trova fino ad un'altezza di 80 km. La sua caratteristica principale è un forte calo della temperatura -90ºС al suo limite superiore. Qui sono fissate nuvole argentee costituite da cristalli di ghiaccio.

4) Ionosfera (termosfera) - situato fino a un'altitudine di 800 km ed è caratterizzato da un notevole aumento della temperatura:

150 km temperatura +240ºС,

200 km di temperatura +500ºС,

600 km di temperatura +1500ºС.

Sotto l'influenza della radiazione ultravioletta del sole, i gas sono in uno stato ionizzato. La ionizzazione è associata al bagliore dei gas e al verificarsi delle aurore.

La ionosfera ha la capacità di riflettere ripetutamente le onde radio, che forniscono comunicazioni radio a lungo raggio sul pianeta.

5) Esosfera- si trova sopra gli 800 km e si estende fino a 3000 km. Qui la temperatura è >2000ºС. La velocità del movimento del gas si avvicina al critico ~ 11,2 km/sec. Dominano gli atomi di idrogeno ed elio, che formano una corona luminosa intorno alla Terra, che si estende fino a un'altitudine di 20.000 km.

Funzioni dell'atmosfera

1) Termoregolazione: il tempo e il clima sulla Terra dipendono dalla distribuzione del calore, della pressione.

2) Supporto vitale.

3) Nella troposfera c'è un movimento verticale e orizzontale globale delle masse d'aria, che determina il ciclo dell'acqua, il trasferimento di calore.

4) Quasi tutti i processi geologici superficiali sono dovuti all'interazione tra atmosfera, litosfera e idrosfera.

5) Protettivo: l'atmosfera protegge la terra dallo spazio, dalla radiazione solare e dalla polvere di meteoriti.

Funzioni dell'atmosfera. Senza un'atmosfera, la vita sulla Terra sarebbe impossibile. Una persona consuma quotidianamente 12-15 kg. aria, inalando ogni minuto da 5 a 100 litri, che supera notevolmente il fabbisogno medio giornaliero di cibo e acqua. Inoltre, l'atmosfera protegge in modo affidabile una persona dai pericoli che lo minacciano dallo spazio: non lascia passare meteoriti e radiazioni cosmiche. Una persona può vivere cinque settimane senza cibo, cinque giorni senza acqua e cinque minuti senza aria. La vita normale delle persone richiede non solo aria, ma anche una certa purezza di essa. La salute delle persone, lo stato della flora e della fauna, la resistenza e la durabilità delle strutture di edifici e strutture dipendono dalla qualità dell'aria. L'aria inquinata è dannosa per le acque, la terra, i mari, i suoli. L'atmosfera determina la luce e regola i regimi termici della terra, contribuisce alla ridistribuzione del calore sul globo. L'involucro di gas protegge la Terra dal raffreddamento e dal riscaldamento eccessivi. Se il nostro pianeta non fosse circondato da un guscio d'aria, entro un giorno l'ampiezza delle fluttuazioni di temperatura raggiungerebbe i 200 C. L'atmosfera salva tutto ciò che vive sulla Terra dai distruttivi raggi ultravioletti, raggi X e cosmici. L'importanza dell'atmosfera nella distribuzione della luce è grande. La sua aria scompone i raggi del sole in un milione di piccoli raggi, li disperde e crea un'illuminazione uniforme. L'atmosfera funge da conduttore di suoni.

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

L'insieme delle sezioni di fisica e chimica che studiano l'atmosfera è comunemente chiamato fisica atmosferica. L'atmosfera determina il tempo sulla superficie della Terra, la meteorologia si occupa dello studio del 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 di aria nell'atmosfera è (5,1-5,3) 1018 kg. Di questi, la massa di aria secca è (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, la massa totale di vapore acqueo è in media di 1,27 1016 kg.

La massa molare dell'aria pulita e secca è di 28,966 g/mol, la densità dell'aria vicino alla superficie del mare è di circa 1,2 kg/m3. La pressione a 0 °C sul livello del mare è di 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). La solubilità dell'aria in acqua (in massa) a 0 ° C - 0,0036%, a 25 ° C - 0,0023%.

Per le "condizioni normali" sulla superficie terrestre si prendono: densità 1,2 kg/m3, pressione barometrica 101,35 kPa, temperatura più 20 °C e umidità relativa 50%. Questi indicatori condizionali hanno un valore puramente ingegneristico.

Composizione chimica

L'atmosfera terrestre è sorta a seguito del rilascio di gas durante le eruzioni vulcaniche. Con l'avvento degli oceani e della biosfera, si è formato anche a causa dello scambio di gas con acqua, piante, animali e dei loro prodotti di 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 di 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, vapore di Hg, I2, oltre a NO e molti altri gas in piccole quantità. Nella troposfera c'è 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 nelle latitudini polari, 10-12 km nelle temperate e 16-18 km nelle latitudini tropicali; inferiore in inverno che in estate. Lo strato inferiore e principale dell'atmosfera contiene oltre l'80% della massa totale di aria atmosferica e circa il 90% di tutto il vapore acqueo presente nell'atmosfera. Nella troposfera, la turbolenza e la convezione sono molto sviluppate, compaiono nuvole, si sviluppano cicloni e anticicloni. La temperatura diminuisce con la quota con un gradiente verticale medio di 0,65°/100 m

tropopausa

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

Stratosfera

Lo strato dell'atmosfera situato a un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (lo strato inferiore della stratosfera) e il suo aumento nello strato di 25-40 km da -56,5 a 0,8 °C (lo strato superiore della stratosfera o regione di inversione) sono tipici. Raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0 °C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura si mantiene costante fino ad 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. C'è un massimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa 0 °C).

Mesosfera

La mesosfera inizia a 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. Complessi processi fotochimici che coinvolgono radicali liberi, molecole vibrazionalmente eccitate, 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

Altitudine sopra il livello del mare, che è convenzionalmente accettata come il confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio. Secondo la definizione FAI, la Linea Karman si trova a un'altitudine di 100 km sul livello del mare.

Limite dell'atmosfera terrestre

Termosfera

Il limite superiore è di circa 800 km. La temperatura sale a quote di 200-300 km, dove raggiunge valori dell'ordine di 1500 K, dopodiché rimane pressoché costante fino a quote elevate. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta e dei raggi X e della radiazione cosmica, l'aria viene ionizzata ("luci polari") - 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 verifica una notevole diminuzione delle dimensioni di questo strato.

Termopausa

La regione dell'atmosfera sopra la termosfera. In questa regione l'assorbimento della radiazione solare è insignificante e la temperatura non cambia effettivamente con l'altezza.

Esosfera (sfera di dispersione)

Esosfera - zona di dispersione, la parte esterna della termosfera, situata sopra i 700 km. Il gas nell'esosfera è altamente rarefatto e quindi le sue particelle penetrano nello spazio interplanetario (dissipazione).

Fino a un'altezza 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 a una temperatura di ~150 °C. Al di sopra dei 200 km si osservano significative fluttuazioni di temperatura e densità del gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3500 km, l'esosfera passa gradualmente nel cosiddetto vuoto dello spazio vicino, che è pieno di particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas è solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è composta da particelle simili a polvere di origine cometaria e meteorica. Oltre a particelle simili a polvere 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 supera lo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. Sulla base delle proprietà elettriche nell'atmosfera, si distinguono la neutrosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda 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 ha un effetto sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altezza è trascurabile. Di qui segue la composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto si trova una parte omogenea e ben mescolata dell'atmosfera, chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa e si trova a un'altitudine di circa 120 km.

Altre proprietà dell'atmosfera ed effetti sul corpo umano

Già a un'altitudine di 5 km sul livello del mare, una persona non allenata sviluppa carenza di ossigeno e, senza adattamento, le prestazioni di una persona si riducono notevolmente. Qui finisce la zona fisiologica dell'atmosfera. La respirazione umana diventa impossibile a un'altitudine di 9 km, sebbene fino a circa 115 km l'atmosfera contenga ossigeno.

L'atmosfera ci fornisce l'ossigeno di cui abbiamo bisogno per respirare. Tuttavia, a causa del calo della pressione totale dell'atmosfera man mano che si sale in quota, anche 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 mm Hg. Art., pressione di 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 acqueo e dell'anidride carbonica nei polmoni rimane quasi costante - circa 87 mm Hg. Arte. Il flusso di ossigeno nei polmoni si interromperà completamente quando la pressione dell'aria circostante raggiungerà questo valore.

Ad un'altitudine di circa 19-20 km, la pressione atmosferica scende a 47 mm Hg. Arte. Pertanto, a questa altezza, l'acqua e il fluido 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 a un'altitudine di 15-19 km.

Densi 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, i raggi cosmici primari, hanno un effetto intenso sul corpo; ad altitudini superiori a 40 km opera la parte ultravioletta dello spettro solare, pericolosa per l'uomo.

Man mano che saliamo a un'altezza sempre maggiore sopra la superficie terrestre, tali fenomeni che ci sono 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., gradualmente si indeboliscono e poi scompaiono completamente.

Negli strati d'aria rarefatti la propagazione del suono è impossibile. Fino ad altitudini di 60-90 km, è ancora possibile utilizzare la resistenza dell'aria e la portanza per il volo aerodinamico controllato. Ma a partire da quote di 100-130 km, i concetti del numero M e della barriera del suono familiari a ogni pilota perdono di significato: passa la linea condizionale di Karman, oltre la quale inizia l'area di volo prettamente balistico, che può essere controllata solo usando forze reattive.

Ad altitudini superiori a 100 km, l'atmosfera è anche privata di un'altra notevole proprietà: la capacità di assorbire, condurre e trasferire energia termica per convezione (cioè mediante miscelazione dell'aria). Ciò significa che vari elementi di equipaggiamento, equipaggiamento della stazione spaziale orbitale non potranno essere raffreddati dall'esterno come avviene di solito su un aereo, con l'aiuto di getti d'aria e radiatori d'aria. A questa altitudine, così come nello spazio in generale, l'unico modo per trasferire calore è l'irraggiamento termico.

Storia della formazione dell'atmosfera

Secondo la teoria più comune, l'atmosfera terrestre ha avuto nel tempo tre diverse composizioni. Inizialmente, era costituito da 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 fino ai giorni nostri). Questa atmosfera era rigenerante. Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato dai seguenti fattori:

• fuoriuscita 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 altri fattori.

A poco a poco, questi fattori hanno portato alla formazione di un'atmosfera terziaria, caratterizzata da un contenuto molto inferiore di idrogeno e da un contenuto molto più elevato di azoto e anidride carbonica (formatasi 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 ha iniziato a provenire dalla superficie del pianeta a seguito della fotosintesi, a partire da 3 miliardi di anni fa. L'azoto N2 viene anche rilasciato nell'atmosfera a seguito della denitrificazione dei nitrati e di altri composti contenenti azoto. L'azoto viene ossidato dall'ozono a NO nell'alta atmosfera.

L'azoto N2 entra in reazioni solo in condizioni specifiche (ad esempio durante una scarica di fulmini). L'ossidazione dell'azoto molecolare da parte dell'ozono durante le scariche elettriche viene utilizzata in piccole quantità nella produzione industriale di fertilizzanti azotati. Può essere ossidato con un basso consumo energetico e convertito in una forma biologicamente attiva da cianobatteri (alghe blu-verdi) e batteri noduli che formano una simbiosi rizobica con i legumi, la cosiddetta. sovescio.

Ossigeno

La composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare radicalmente con l'avvento 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 di composti ridotti: ammoniaca, idrocarburi, la forma ferrosa del ferro contenuto negli oceani, ecc. Al termine di questa fase, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera iniziò a crescere. A poco a poco, si è formata un'atmosfera moderna con proprietà ossidanti. Poiché ciò ha causato gravi e improvvisi cambiamenti in molti processi che si verificano nell'atmosfera, nella litosfera e nella biosfera, questo evento è stato chiamato la Catastrofe dell'Ossigeno.

Durante il Fanerozoico, la composizione dell'atmosfera e il contenuto di ossigeno subirono cambiamenti. Si correlavano principalmente con il tasso di deposizione delle rocce sedimentarie organiche. Quindi, durante i periodi di accumulo di carbone, il contenuto di ossigeno nell'atmosfera, a quanto pare, ha notevolmente superato 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 della decomposizione della materia organica nella biosfera terrestre. Quasi l'intera biomassa attuale del pianeta (circa 2,4 1012 tonnellate) si forma a causa dell'anidride carbonica, dell'azoto e del vapore acqueo contenuti nell'aria atmosferica. Sepolta nell'oceano, nelle paludi e nelle foreste, la materia organica si trasforma in carbone, petrolio e gas naturale.

gas nobili

La fonte dei gas inerti - argon, elio e krypton - sono le eruzioni vulcaniche e il decadimento degli elementi radioattivi. La terra nel suo insieme 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, l'uomo ha cominciato 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 epoche 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 delle attività produttive umane. Negli ultimi 100 anni, il contenuto di CO2 nell'atmosfera è aumentato del 10%, con la maggior parte (360 miliardi di tonnellate) proveniente dalla combustione di carburanti. Se il tasso di crescita della combustione del carburante continua, nei prossimi 200-300 anni la quantità di CO2 nell'atmosfera raddoppierà e potrebbe portare al cambiamento climatico globale.

La combustione del carburante è la principale fonte di gas inquinanti (CO, NO, SO2). L'anidride solforosa viene ossidata dall'ossigeno dell'aria in SO3 e l'ossido nitrico in NO2 nell'atmosfera superiore, che a loro volta interagiscono con il vapore acqueo, e l'acido solforico H2SO4 e l'acido nitrico HNO3 risultanti cadono sulla superficie terrestre sotto forma del cosiddetto. pioggia acida. L'utilizzo di motori a combustione interna comporta un notevole inquinamento atmosferico con 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 sabbia, trascinamento di goccioline di acqua marina e polline di piante, ecc.) sia da attività economiche umane (estrazione di minerali e materiali da costruzione, combustione di combustibili, produzione di cemento, ecc.). L'intensa rimozione su larga scala di particelle solide nell'atmosfera è una delle possibili cause del cambiamento climatico sul pianeta.

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Troposfera

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

tropopausa

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

Stratosfera

Lo strato dell'atmosfera situato a un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (lo strato inferiore della stratosfera) e il suo aumento nello strato di 25-40 km da -56,5 a 0,8 °C (lo strato superiore della stratosfera o regione di inversione) sono tipici. Raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0 °C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura si mantiene costante fino ad 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. C'è un massimo nella distribuzione verticale della temperatura (circa 0 °C).

Mesosfera

La mesosfera inizia a 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. Complessi processi fotochimici che coinvolgono radicali liberi, molecole vibrazionalmente eccitate, 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

Altitudine sopra il livello del mare, che è convenzionalmente accettata come il confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio. La linea Karmana si trova ad un'altitudine di 100 km sul livello del mare.

Limite dell'atmosfera terrestre

Termosfera

Il limite superiore è di circa 800 km. La temperatura sale a quote di 200-300 km, dove raggiunge valori dell'ordine di 1500 K, dopodiché rimane pressoché costante fino a quote elevate. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta e dei raggi X e della radiazione cosmica, l'aria viene ionizzata ("luci polari") - 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, c'è una notevole diminuzione delle dimensioni di questo strato.

Termopausa

La regione dell'atmosfera sopra la termosfera. In questa regione l'assorbimento della radiazione solare è insignificante e la temperatura non cambia effettivamente con l'altezza.

Esosfera (sfera di dispersione)

Strati atmosferici fino a un'altezza di 120 km

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

Fino a un'altezza 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 a una temperatura di ~150 °C. Al di sopra dei 200 km si osservano significative fluttuazioni di temperatura e densità del gas nel tempo e nello spazio.

Ad un'altitudine di circa 2000-3500 km, l'esosfera passa gradualmente nel cosiddetto vuoto dello spazio vicino, che è pieno di particelle altamente rarefatte di gas interplanetario, principalmente atomi di idrogeno. Ma questo gas è solo una parte della materia interplanetaria. L'altra parte è composta da particelle simili a polvere di origine cometaria e meteorica. Oltre a particelle simili a polvere 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 supera lo 0,3%, la termosfera è inferiore allo 0,05% della massa totale dell'atmosfera. Sulla base delle proprietà elettriche nell'atmosfera, si distinguono la neutrosfera e la ionosfera. Attualmente si ritiene che l'atmosfera si estenda 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 ha un effetto sulla separazione dei gas, poiché la loro miscelazione a tale altezza è trascurabile. Di qui segue la composizione variabile dell'eterosfera. Al di sotto si trova una parte omogenea e ben mescolata dell'atmosfera, chiamata omosfera. Il confine tra questi strati è chiamato turbopausa e si trova a un'altitudine di circa 120 km.

La composizione dell'atmosfera. Il guscio d'aria del nostro pianeta - atmosfera protegge la superficie terrestre dagli effetti dannosi sugli organismi viventi delle radiazioni ultraviolette del sole. Protegge anche la Terra dalle particelle cosmiche: polvere e meteoriti.

L'atmosfera è costituita da una miscela meccanica di gas: il 78% del suo volume è azoto, il 21% è ossigeno e meno dell'1% è elio, argon, cripton e altri gas inerti. La quantità di ossigeno e azoto nell'aria è praticamente invariata, perché l'azoto quasi non entra in combinazione con altre sostanze, e l'ossigeno, che, sebbene molto attivo e viene speso per la respirazione, l'ossidazione e la combustione, viene costantemente reintegrato dalle piante.

Fino a un'altezza di circa 100 km la percentuale di questi gas rimane praticamente invariata. Ciò è dovuto al fatto che l'aria è costantemente mescolata.

Oltre a questi gas, l'atmosfera contiene circa lo 0,03% di anidride carbonica, che di solito è concentrata vicino alla superficie terrestre ed è distribuita in modo non uniforme: nelle città, nei centri industriali e nelle aree di attività vulcanica, la sua quantità aumenta.

C'è sempre una certa quantità di impurità nell'atmosfera: vapore acqueo e polvere. Il contenuto di vapore acqueo dipende dalla temperatura dell'aria: più alta è la temperatura, più vapore trattiene l'aria. A causa della presenza di acqua vaporosa nell'aria, sono possibili fenomeni atmosferici come arcobaleni, rifrazione della luce solare, ecc.

La polvere entra nell'atmosfera durante eruzioni vulcaniche, tempeste di sabbia e polvere, con combustione incompleta del combustibile nelle centrali termiche, ecc.

La struttura dell'atmosfera. La densità dell'atmosfera cambia con l'altezza: è massima sulla superficie terrestre e diminuisce man mano che sale. Quindi, ad un'altitudine di 5,5 km, la densità dell'atmosfera è 2 volte, e ad un'altitudine di 11 km - 4 volte inferiore rispetto allo strato superficiale.

A seconda della densità, della composizione e delle proprietà dei gas, l'atmosfera è divisa in cinque strati concentrici (Fig. 34).

Riso. 34. Sezione verticale dell'atmosfera (stratificazione atmosferica)

1. Lo strato inferiore è chiamato troposfera. Il suo limite superiore corre ad un'altitudine di 8-10 km ai poli e 16-18 km all'equatore. La troposfera contiene fino all'80% della massa totale dell'atmosfera e quasi tutto il vapore acqueo.

La temperatura dell'aria nella troposfera diminuisce con l'altezza di 0,6 °C ogni 100 m e al suo limite superiore è di -45-55 °C.

L'aria nella troposfera è costantemente mescolata, muovendosi in direzioni diverse. Solo qui si osservano nebbie, piogge, nevicate, temporali, tempeste e altri fenomeni meteorologici.

2. Sopra si trova stratosfera, che si estende per un'altezza di 50-55 km. La densità e la pressione dell'aria nella stratosfera sono trascurabili. L'aria rarefatta consiste degli stessi gas della troposfera, ma contiene più ozono. La più alta concentrazione di ozono si osserva a un'altitudine di 15-30 km. La temperatura nella stratosfera aumenta con l'altezza e raggiunge 0 °C o più al limite superiore. Ciò è dovuto al fatto che l'ozono assorbe la parte a onde corte dell'energia solare, a seguito della quale l'aria si riscalda.

3. Sopra la stratosfera si trova mesosfera, si estende per un'altezza di 80 km. In essa la temperatura scende nuovamente e raggiunge i -90°C. La densità dell'aria è 200 volte inferiore rispetto alla superficie della Terra.

4. Sopra la mesosfera è termosfera(da 80 a 800 km). La temperatura in questo strato sale: a un'altitudine di 150 km fino a 220 °C; ad un'altitudine di 600 km a 1500 °C. I gas atmosferici (azoto e ossigeno) sono in uno stato ionizzato. Sotto l'azione della radiazione solare a onde corte, i singoli elettroni vengono staccati dai gusci degli atomi. Di conseguenza, in questo strato - ionosfera compaiono strati di particelle cariche. Il loro strato più denso si trova a un'altitudine di 300-400 km. A causa della bassa densità, i raggi del sole non si disperdono lì, quindi il cielo è nero, su di esso brillano stelle e pianeti.

Nella ionosfera ci sono luci polari, vengono generate potenti correnti elettriche che provocano disturbi nel campo magnetico terrestre.

5. Al di sopra di 800 km, si trova il guscio esterno - esosfera. La velocità di movimento delle singole particelle nell'esosfera si avvicina a quella critica - 11,2 mm/s, quindi le singole particelle possono superare la gravità terrestre e fuggire nello spazio del mondo.

Il valore dell'atmosfera. Il ruolo dell'atmosfera nella vita del nostro pianeta è eccezionalmente grande. Senza di esso, la Terra sarebbe morta. L'atmosfera protegge la superficie terrestre dall'intenso riscaldamento e raffreddamento. La sua influenza può essere paragonata al ruolo del vetro nelle serre: far entrare i raggi del sole e impedire la fuoriuscita del calore.

L'atmosfera protegge gli organismi viventi dalle onde corte e dalla radiazione corpuscolare del Sole. L'atmosfera è l'ambiente in cui si verificano i fenomeni meteorologici, a cui è associata tutta l'attività umana. Lo studio di questo guscio viene effettuato presso le stazioni meteorologiche. Giorno e notte, con qualsiasi tempo, i meteorologi monitorano lo stato della bassa atmosfera. Quattro volte al giorno, e in molte stazioni ogni ora misurano la temperatura, la pressione, l'umidità dell'aria, rilevano la nuvolosità, la direzione e la velocità del vento, le precipitazioni, i fenomeni elettrici e sonori nell'atmosfera. Le stazioni meteorologiche si trovano ovunque: in Antartide e nelle foreste pluviali tropicali, in alta montagna e nelle vaste distese della tundra. Vengono effettuate anche osservazioni sugli oceani da navi appositamente costruite.

Dagli anni '30. 20 ° secolo le osservazioni iniziarono nell'atmosfera libera. Hanno iniziato a lanciare radiosonde, che raggiungono un'altezza di 25-35 km, e con l'ausilio di apparecchiature radio trasmettono alla Terra informazioni su temperatura, pressione, umidità dell'aria e velocità del vento. Al giorno d'oggi, anche i razzi e i satelliti meteorologici sono ampiamente utilizzati. Questi ultimi hanno installazioni televisive che trasmettono immagini della superficie terrestre e delle nuvole.

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5. Guscio d'aria della terra§ 31. Riscaldamento dell'atmosfera

Strati dell'atmosfera in ordine dalla superficie terrestre

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, determinando 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 di anidride carbonica - 40 mm Hg. Art. e vapore acqueo - 47 mm Hg. Arte. Con un aumento 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 a un'altitudine di 20 km, l'acqua e il fluido corporeo interstiziale nel corpo umano bolliranno qui. Se non usi una cabina pressurizzata, a una 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. Quindi, ad esempio, grazie a densi strati d'aria - 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 ad un'altezza di oltre 90-100 km, ci sarà un graduale indebolimento, e quindi la completa scomparsa dei fenomeni familiari all'uomo, osservati nello strato atmosferico inferiore:

Il suono non si propaga.

Non c'è forza aerodinamica e 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, è responsabile della regolazione delle fluttuazioni stagionali della temperatura, del bilanciamento e dell'equalizzazione di quelle giornaliere. In assenza di un'atmosfera sulla Terra, la temperatura giornaliera oscillerebbe entro +/-200С˚. Lo strato atmosferico è un "cuscinetto" vitale tra la superficie terrestre e lo spazio esterno, un portatore di umidità e calore; nell'atmosfera avvengono processi di fotosintesi e scambio di energia, i più importanti processi biosferici.

Strati dell'atmosfera in ordine dalla superficie terrestre

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

Troposfera.

Stratosfera.

Mesosfera.

Termosfera.

Esosfera

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

La struttura dell'atmosfera terrestre per strati:

Di cosa è fatta 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. Di cosa è fatta 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 alta circa 10-15 km. È qui che si concentra la maggior parte dell'aria atmosferica. Una caratteristica della troposfera è un calo di temperatura di 0,6 ˚C quando ci si alza ogni 100 metri. La troposfera ha concentrato in sé quasi tutto il vapore acqueo atmosferico e qui si formano anche 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 della troposfera sopra l'equatore è la 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 passano liberamente attraverso la troposfera, riscaldando la superficie della Terra. Il calore irradiato dal sole viene trattenuto da anidride carbonica, metano e vapore acqueo.

Stratosfera

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

A partire da un'altezza di circa 25 chilometri, la temperatura dello strato stratosferico inizia ad aumentare e, raggiunta un'altezza massima di 50 km, assume 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 "madreperla". Di giorno non si notano, ma di notte brillano a causa dell'illuminazione del sole, che è sotto l'orizzonte. La composizione delle nuvole di madreperla è costituita da goccioline d'acqua super raffreddate. 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 al limite superiore raggiunge valori di diverse decine di C˚ sotto lo zero. Nella mesosfera si possono osservare anche le nuvole, che presumibilmente sono formate da cristalli di ghiaccio. Queste nuvole sono chiamate "argentee". La mesosfera è caratterizzata dalla temperatura più fredda dell'atmosfera: da -2 a -138 ˚C.

Termosfera

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

Ionosfera.

esosfere.

La ionosfera è caratterizzata da aria rarefatta, ogni centimetro della quale a 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 anche caratterizzata da un'elevata ionizzazione dell'aria. Questi ioni sono composti da atomi di ossigeno carichi, molecole cariche di atomi di azoto ed elettroni liberi.

Esosfera

Da un'altezza di 800-1000 km inizia lo strato esosferico. Le particelle di gas, soprattutto quelle leggere, si muovono qui a grande velocità, vincendo la forza di gravità. Tali particelle, a causa del loro rapido movimento, volano fuori dall'atmosfera nello spazio e si disperdono. Pertanto, l'esosfera è chiamata sfera di dispersione. Sono prevalentemente gli atomi di idrogeno che volano nello spazio, che costituiscono gli strati più alti dell'esosfera. Grazie alle particelle nell'alta atmosfera e alle particelle del vento solare, possiamo osservare l'aurora boreale.

Satelliti e razzi geofisici hanno permesso di stabilire la presenza nell'alta atmosfera della fascia di radiazione del pianeta, costituita da particelle elettricamente cariche: elettroni e protoni.