Атмосфера Земли. Строение и состав

Слайд 1

Слайд 2

Химический состав Газ Содержание по объёму, % Содержание по массе, % Азот 78,084 75,50 Кислород 20,946 23,10 Аргон 0,932 1,286 Вода 0,5-4 — Углекислый газ 0,0387 0,059 Неон 1,818·10 −3 1,3·10 −3 Гелий 4,6·10 −4 7,2·10 −5 Метан 1,7·10 −4 — Криптон 1,14·10 −4 2,9·10 −4 Водород 5·10 −5 7,6·10 −5 Ксенон 8,7·10 −6 — Закись азота 5·10 −5 7,7·10 −5

Слайд 3

Строение атмосферы Термосфера Мезопауза Мезосфера Стратопауза Стратосфера Тропопауза Тропосфера Линия Кармана Экзосфера (сфера рассеяния ) Пропустить

Слайд 4

Термосфера Термосфера — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150—300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O 2 ). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере — джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в приполярных широтах, особенно во время магнитных бурь.

Слайд 5

Мезопауза Мезопауза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, мезосферой и термосферой. На Земле располагается на высоте 80 — 90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около -100°C (температура постоянная или медленно повышается), выше неё (до высоты около 400 км) температура снова начинает расти. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака. Мезопауза имеется не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

Слайд 6

Мезосфера Мезосфера — слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое понижение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения)озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году. Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит около 80% азота и 20% кислорода. Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы — мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой. Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере. В мезосфере могут появляться серебристые облака .

Слайд 7

Стратопауза Стратопауза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя c лоями , стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы — около 0 °C. Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу. На Земле стратопауза находится на высоте 50 — 55 км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря .

Слайд 8

Стратосфера Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше чем в н.у . Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О 3 ) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О 3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами »). Первый прыжок человека из стратосферы 2012г.

Слайд 9

Тропопауза Тропопауза — слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой; переходный слой от тропосферы кстратосфере. В земной атмосфере тропопауза расположена на высотах от 8—12 км (над уровнем моря) в полярных районах и до 16—18 км над экватором. Высота тропопаузы зависит также от времени года (летом тропопауза расположена выше, чем зимой) и циклонической деятельности (в циклонах она ниже, а в антициклонах — выше)

Слайд 10

Тропосфера Тропосфера — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, наэкваторе — 16—18 км [1] . При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 К через каждые 100 м и достигает 180÷220 К (—90 ÷ —53° C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопаузой [2] . Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера. В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются иатмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат [1] . Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

Слайд 11

Линия Кармана Линия Кармана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря. Название высота получила по имени Теодора фон Кармана, американского учёного венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэронавтика становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения больших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики. Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомовводорода , способных покидать атмосферу.

Слайд 12

Экзосфера (сфера рассеяния ) Экзосфера — самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет с низкой концентрацией нейтральных атомов (концентрация частиц n 0 <10 7 см −3 ). Нижняя граница экзосферы — экзобаза — определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном побаллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений [1] . Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной ; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы [1] . Геокорона распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км [2] , а корона Венеры — до 200 тыс.км . Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода.

Слайд 13

История образования атмосферы Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами: утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство; химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов. Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы , характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Слайд 14

Загрязнение атмосферы В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО 2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество СО 2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Слайд 15

Физические свойства Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·10 18 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·10 18 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10 16 кг. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м 3 . Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; C p при 0 °C — 1,0048·10 3 Дж/( кг·К ), C v — 0,7159·10 3 Дж/( кг·К ) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %. За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м 3 , барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Слайд 16

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