Атмосфера Земли

Атмосфера Земли представляет собой слой газов , обычно известный как воздух , удерживается действием силы тяжести Земли , окружающие планеты Земли и формирования ее планетарной атмосферы . Атмосфера Земли защищает жизнь на Земле путем создания давления , позволяя для жидкой воды существовать на земной поверхности , поглощающий ультрафиолетовое солнечное излучение , нагревая поверхность пути удержания тепла ( парниковый эффект ), а также снижению перепадов температур между днем и ночью (Theсуточный ход температуры ).

Фотография НАСА, показывающая атмосферу Земли на закате с силуэтом Земли
Синий свет рассеивается больше, чем другие длины волн газами в атмосфере, окружая Землю в видимом голубом слое, если смотреть из космоса на борту МКС на высоте 335 км (208 миль). [1]
Состав атмосферы Земли по объему, без водяного пара. Нижняя диаграмма представляет собой следовые газы, которые вместе составляют около 0,043391% атмосферы (0,04402961% при концентрации в апреле 2019 г. [2] [3] ). Цифры в основном от 2000 г., с CO
2и метан с 2019 года и не представляют собой какого-либо единственного источника. [4]

По объему сухой воздух содержит 78,09% азота , 20,95% кислорода , 0,93% аргона , 0,04% углекислого газа и небольшое количество других газов. [8] Воздух также содержит переменное количество водяного пара , в среднем около 1% на уровне моря и 0,4% во всей атмосфере. Воздушный состав, температура и атмосферное давление изменяются с высотой, и воздух , пригодный для использования в процессе фотосинтеза с помощью наземных растений и дыхания из наземных животных обнаруживаются только в земной тропосфере и в искусственной атмосфере .

Атмосфера Земли сильно изменилась с момента ее образования в основном водородной атмосферой, и несколько раз резко изменилась - например, в результате Великого окислительного события 2,4 миллиарда лет назад в атмосфере значительно увеличился кислород от практически полного отсутствия кислорода до уровней, близких к сегодняшним дням. . Люди также внесли свой вклад в значительные изменения в составе атмосферы из-за загрязнения воздуха, особенно после индустриализации , что привело к быстрым изменениям окружающей среды, таким как истощение озонового слоя и глобальное потепление .

Атмосфера имеет массу около 5,15 × 10 18  кг [9], три четверти которой находятся в пределах около 11 км (6,8 миль; 36 000 футов) от поверхности. Атмосфера становится все тоньше и тоньше с увеличением высоты, без определенной границы между атмосферой и космическим пространством . Линия Кармана , расположенная на расстоянии 100 км (62 мили), или 1,57% радиуса Земли, часто используется в качестве границы между атмосферой и космическим пространством. Атмосферные эффекты становятся заметными при входе в атмосферу космического корабля на высоте около 120 км (75 миль). В атмосфере можно выделить несколько слоев на основе таких характеристик, как температура и состав.

Изучение атмосферы Земли и ее процессов называется атмосферной наукой (аэрологией) и включает в себя множество подполей, таких как климатология и физика атмосферы . Первыми пионерами в этой области были Леон Тейссерен де Борт и Ричард Ассманн . [10] Изучение исторической атмосферы называется палеоклиматологией .

Средний атмосферный водяной пар

Три основных компонента атмосферы Земли - это азот , кислород и аргон . Водяной пар составляет примерно 0,25% атмосферы по массе. Концентрация водяного пара (парниковый газ) значительно варьируется от примерно 10 частей на миллион по объему в самых холодных частях атмосферы до целых 5% по объему в горячих влажных воздушных массах, а концентрации других атмосферных газов обычно приводятся в условия сухого воздуха (без водяного пара). [11] Остальные газы часто называют следовыми газами [12], среди которых парниковые газы , в основном двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Помимо уже упомянутого аргона, присутствуют также другие благородные газы , неон, гелий, криптон и ксенон. Фильтрованный воздух содержит следовые количества многих других химических соединений . Многие вещества природного происхождения могут присутствовать в небольших количествах в зависимости от местности и сезона в виде аэрозолей в нефильтрованной пробе воздуха, включая пыль минерального и органического состава, пыльцу и споры , морские брызги и вулканический пепел . Различные промышленные загрязнители также могут присутствовать в виде газов или аэрозолей, таких как хлор (элементарный или в виде соединений), соединения фтора и пары элементарной ртути . Соединения серы, такие как сероводород и диоксид серы (SO 2 ), могут быть получены из природных источников или в результате промышленного загрязнения воздуха.

Основные компоненты сухого воздуха, по объему [8]
Газ Объем (А)
Имя Формула в ppmv (B)в %
Азот № 2780 840 78,084
Кислород O 2209 460 20,946
Аргон Ar 9,340 0,9340
Двуокись углерода
(декабрь 2020 г.) (C) [13]		CO
2 		415,00 0,041500
Неон Ne 18,18 0,001818
Гелий Он 5,24 0,000524
Метан CH 41,87 0,000187
Криптон Kr 1.14 0,000114
Не входит в указанную выше сухую атмосферу:
Водяной пар (D)H 2 O0–30 000 (D)0–3% (E)
заметки:

(A) объемная доля равна мольной доле только для идеального газа,
    также см. Объем (термодинамика)
(B) ppmv: части на миллион по объему
(C) Концентрация CO
2было увеличение в последних десятилетиях
(D) водяной пар составляет около 0,25% по массе более чем полна атмосфера
(E) водяной пар значительно меняется локально [11]

Средняя молекулярная масса сухого воздуха, которую можно использовать для расчета плотности или преобразования мольной доли в массовую долю, составляет около 28,946 [14] или 28,96 [15] [16]  г / моль. Это уменьшается, когда воздух влажный.

Относительная концентрация газов остается постоянной примерно до 10 000 м (33 000 футов). [17]

Объемная доля основных составляющих атмосферы Земли в зависимости от высоты согласно атмосферной модели MSIS-E-90.

Атмосфера Земли Нижние 4 слоя атмосферы в 3-х измерениях, если смотреть по диагонали сверху экзобазы. Слои нарисованы в масштабе, объекты внутри слоев не масштабируются. Полярные сияния, показанные здесь на дне термосферы, могут фактически формироваться на любой высоте в этом слое атмосферы.

Как правило, давление и плотность воздуха снижаются с высотой в атмосфере. Однако температура имеет более сложный профиль с высотой и может оставаться относительно постоянной или даже увеличиваться с высотой в некоторых регионах (см. Раздел температуры ниже). Поскольку общая картина профиля температуры / высоты или градиента постоянна и измеряется с помощью инструментальных зондирований с аэростата , поведение температуры обеспечивает полезную метрику для различения слоев атмосферы. Таким образом, атмосфера Земли может быть разделена (так называемая атмосферная стратификация) на пять основных слоев. За исключением экзосферы, атмосфера состоит из четырех основных слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы. [18] От самого высокого до самого низкого пять основных уровней:

  • Экзосфера: от 700 до 10 000 км (от 440 до 6200 миль)
  • Термосфера: от 80 до 700 км (от 50 до 440 миль) [19]
  • Мезосфера: от 50 до 80 км (от 31 до 50 миль)
  • Стратосфера: от 12 до 50 км (от 7 до 31 мили)
  • Тропосфера: от 0 до 12 км (от 0 до 7 миль) [20]

Экзосфера

Экзосфера - это самый внешний слой атмосферы Земли (то есть верхний предел атмосферы). Он простирается от экзобазы , которая расположена в верхней части термосферы на высоте около 700 км над уровнем моря, до примерно 10 000 км (6 200 миль; 33 000 000 футов), где она сливается с солнечным ветром .

Этот слой в основном состоит из чрезвычайно низких плотностей водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ, ближе к экзобазе. Атомы и молекулы настолько удалены друг от друга, что могут преодолевать сотни километров, не сталкиваясь друг с другом. Таким образом, экзосфера больше не ведет себя как газ, и частицы постоянно убегают в космос. Эти свободно движущиеся частицы следуют по баллистическим траекториям и могут перемещаться в магнитосферу или солнечный ветер и из них.

Экзосфера расположена слишком далеко над Землей, чтобы какие-либо метеорологические явления были возможны. Однако северное сияние и аврора австралис иногда возникают в нижней части экзосферы, где они накладываются на термосферу. Экзосфера содержит множество спутников, вращающихся вокруг Земли.

Термосфера

Термосфера - второй по высоте слой атмосферы Земли. Он простирается от мезопаузы (которая отделяет ее от мезосферы) на высоте около 80 км (50 миль; 260 000 футов) до термопаузы в диапазоне высот 500–1000 км (310–620 миль; 1 600 000–3 300 000 футов). ). Высота термопаузы значительно меняется из-за изменений солнечной активности. [19] Поскольку термопауза находится на нижней границе экзосферы, ее также называют экзобазой . Нижняя часть термосферы, на высоте от 80 до 550 километров (от 50 до 342 миль) над поверхностью Земли, содержит ионосферу .

Температура термосферы постепенно увеличивается с высотой и может достигать 1500 ° C (2700 ° F), хотя молекулы газа так далеко друг от друга, что ее температура в обычном смысле не имеет большого значения. Воздух настолько разрежен, что отдельная молекула ( например, кислорода ) проходит в среднем 1 километр (0,62 мили; 3300 футов) между столкновениями с другими молекулами. [21] Хотя в термосфере много молекул с высокой энергией, она не будет ощущаться горячей для человека при прямом контакте, потому что ее плотность слишком мала, чтобы проводить значительное количество энергии к коже или от нее.

Этот слой абсолютно безоблачный и не содержит водяного пара. Однако в термосфере иногда наблюдаются негидрометеорологические явления, такие как северное сияние и аврора австралис . Международная космическая станция орбиты в этом слое, между ними. 350 и 420 км (220 и 260 миль). Именно в этом слое находятся многие из спутников, вращающихся вокруг Земли.

Мезосфера

Мезосфера - третий по высоте слой атмосферы Земли, занимающий область над стратосферой и под термосферой. Она простирается от стратопаузы на высоте около 50 км (31 миль; 160 000 футов) до мезопаузы на высоте 80–85 км (50–53 миль; 260 000–280 000 футов) над уровнем моря.

Температура падает с увеличением высоты до мезопаузы, которая отмечает верхнюю часть этого среднего слоя атмосферы. Это самое холодное место на Земле со средней температурой около -85  ° C (-120  ° F ; 190  K ). [22] [23]

Прямо под мезопаузой воздух настолько холоден, что даже очень скудный водяной пар на этой высоте может быть сублимирован в полярно-мезосферные серебристые облака . Это самые высокие облака в атмосфере, и их можно увидеть невооруженным глазом, если солнечный свет отражается от них примерно через час или два после захода солнца или аналогично до восхода солнца. Лучше всего они видны, когда Солнце находится на 4-16 градусах ниже горизонта. Вызванные молнией разряды, известные как переходные световые явления (TLE), иногда образуются в мезосфере над тропосферными грозовыми облаками . Мезосфера также является слоем, где сгорает большинство метеоров при входе в атмосферу. Оно слишком высоко над Землей, чтобы быть доступным для реактивных самолетов и воздушных шаров, и слишком низко для орбитальных космических аппаратов. Доступ к мезосфере осуществляется в основном с помощью зондирующих ракет и самолетов с ракетными двигателями .

Стратосфера

Стратосфера - это второй по низу слой атмосферы Земли. Он расположен над тропосферой и отделен от нее тропопаузой . Этот слой простирается от верхней части тропосферы на высоте примерно 12 км (7,5 миль; 39 000 футов) над поверхностью Земли до стратопаузы на высоте примерно от 50 до 55 км (от 31 до 34 миль; от 164 000 до 180 000 футов).

Атмосферное давление в верхней части стратосферы составляет примерно 1/1000 давления на уровне моря . Он содержит озоновый слой , который является частью атмосферы Земли, которая содержит относительно высокие концентрации этого газа. Стратосфера определяет слой, в котором температура повышается с увеличением высоты. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца озоновым слоем, что ограничивает турбулентность и перемешивание. Хотя температура в тропопаузе может составлять -60 ° C (-76 ° F; 210 K), верхняя часть стратосферы намного теплее и может быть около 0 ° C. [24]

Профиль температуры в стратосфере создает очень стабильные атмосферные условия, поэтому в стратосфере отсутствует вызывающая погодные условия турбулентность воздуха, которая так характерна для тропосферы. Следовательно, стратосфера почти полностью свободна от облаков и других погодных условий. Однако полярные стратосферные или перламутровые облака иногда наблюдаются в нижней части этого слоя атмосферы, где воздух наиболее холодный. Стратосфера - это самый высокий уровень, доступный для реактивных самолетов .

Тропосфера

Тропосфера - это самый нижний слой атмосферы Земли. Он простирается от поверхности Земли до средней высоты около 12 км (7,5 миль; 39000 футов), хотя эта высота варьируется от примерно 9 км (5,6 миль; 30000 футов) на географических полюсах до 17 км (11 миль; 56000 футов). на экваторе , [20] с некоторыми изменениями из - за погодных условий . Сверху тропосфера ограничена тропопаузой , границей, отмеченной в большинстве мест температурной инверсией (т. Е. Слоем относительно теплого воздуха над более холодным), а в других - зоной, изотермической по высоте. [25] [26]

Хотя колебания действительно происходят, температура обычно снижается с увеличением высоты в тропосфере, потому что тропосфера в основном нагревается за счет передачи энергии от поверхности. Таким образом, самая нижняя часть тропосферы (т. Е. Поверхность Земли) обычно является самой теплой частью тропосферы. Это способствует вертикальному перемешиванию (отсюда и название этого слова от греческого слова τρόπος, тропос , что означает «поворот»). Тропосфера содержит примерно 80% массы атмосферы Земли. [27] Тропосфера более плотная, чем все ее вышележащие слои атмосферы, потому что больший атмосферный вес находится на вершине тропосферы и вызывает ее наиболее сильное сжатие. Пятьдесят процентов общей массы атмосферы расположено в нижних 5,6 км (3,5 миль; 18 000 футов) тропосферы.

Практически весь атмосферный водяной пар или влага находится в тропосфере, поэтому именно в этом слое происходит большая часть погоды на Земле. Он имеет в основном все связанные с погодой типы облаков, порожденные активной циркуляцией ветра, хотя очень высокие кучево-дождевые грозовые облака могут проникать через тропопаузу снизу и подниматься в нижнюю часть стратосферы. Наиболее обычная авиационная деятельность происходит в тропосфере, и это единственный слой, к которому могут получить доступ винтовые самолеты .

Космический корабль " Индевор" на орбите в термосфере. Из-за угла наклона фотографии кажется, что она охватывает стратосферу и мезосферу, которые на самом деле лежат более чем на 250 км (160 миль) ниже. Оранжевый слой - это тропосфера , которая уступает место беловатой стратосфере, а затем голубой мезосфере . [28]

Другие слои

В пяти основных вышеупомянутых слоях, которые в значительной степени определяются температурой, несколько вторичных слоев могут отличаться другими свойствами:

  • Озоновый слой содержится в стратосфере. В этом слое концентрация озона составляет от 2 до 8 частей на миллион, что намного выше, чем в нижних слоях атмосферы, но все же очень мало по сравнению с основными компонентами атмосферы. Он в основном расположен в нижней части стратосферы на расстоянии примерно 15–35 км (9,3–21,7 миль; 49 000–115 000 футов), хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географического положения. Около 90% озона в атмосфере Земли содержится в стратосфере.
  • Ионосфера представляет собой область атмосферы , которая ионизируется солнечным излучением. Он отвечает за полярные сияния . В дневное время она простирается от 50 до 1000 км (от 31 до 621 мили; от 160 000 до 3 280000 футов) и включает в себя мезосферу, термосферу и части экзосферы. Однако ионизация в мезосфере в основном прекращается в ночное время, поэтому полярные сияния обычно наблюдаются только в термосфере и нижней экзосфере. Ионосфера образует внутренний край магнитосферы . Это имеет практическое значение, поскольку влияет, например, на распространение радиоволн на Земле.
  • Гомосфера и гетеросфера определяются тем, хорошо ли перемешаны атмосферные газы. Гомосфера на поверхности включает тропосферу, стратосферу, мезосферу и нижнюю часть термосферы, где химический состав атмосферы не зависит от молекулярной массы, поскольку газы перемешиваются турбулентностью. [29] Этот относительно однородный слой заканчивается турбопаузой, находящейся примерно в 100 км (62 миль; 330 000 футов), на самом краю космоса , как принято FAI , которое помещает его примерно в 20 км (12 миль; 66 000 футов) над уровнем моря. мезопауза.
Выше этой высоты находится гетеросфера, которая включает экзосферу и большую часть термосферы. Здесь химический состав меняется с высотой. Это связано с тем, что расстояние, на которое частицы могут перемещаться, не сталкиваясь друг с другом , велико по сравнению с размером движений, вызывающих перемешивание. Это позволяет газам расслаиваться по молекулярной массе, причем более тяжелые, такие как кислород и азот, присутствуют только в нижней части гетеросферы. Верхняя часть гетеросферы почти полностью состоит из водорода, самого легкого элемента. [ требуется разъяснение ]
  • Планетарный пограничный слой является частью тропосферы , которая находится ближе всего к поверхности Земли и непосредственно пострадавших от него, в основном за счет турбулентной диффузии . Днем планетарный пограничный слой обычно хорошо перемешан, а ночью он становится стабильно стратифицированным со слабым или прерывистым перемешиванием. Глубина планетарного пограничного слоя колеблется от всего лишь примерно 100 метров (330 футов) в ясные безветренные ночи до 3000 м (9800 футов) или более днем ​​в засушливых регионах.

Средняя температура атмосферы на поверхности Земли составляет 14 ° C (57 ° F; 287 K) [30] или 15 ° C (59 ° F; 288 K), [31] в зависимости от ссылки. [32] [33] [34]

Сравнение графика геометрической высоты по стандарту атмосферы США 1962 года в зависимости от плотности воздуха , давления , скорости звука и температуры с приблизительными высотами различных объектов. [35]

Давление и толщина

Среднее атмосферное давление на уровне моря определено Международной стандартной атмосферой как 101325 паскалей (760,00  торр ; 14,6959  фунтов на квадратный дюйм ; 760,00  мм рт . Ст. ). Иногда это называется единицей стандартных атмосфер (атм) . Общая масса атмосферы составляет 5,1480 × 10 18 кг (1,135 × 10 19 фунтов), [36] примерно на 2,5% меньше, чем можно было бы вывести из среднего давления на уровне моря и площади Земли в 51007,2 мегагектара, причем эта часть смещена гористой местностью Земли. Атмосферное давление - это общий вес воздуха над единицей площади в точке измерения давления. Таким образом, давление воздуха зависит от местоположения и погоды .

Если бы вся масса атмосферы имела однородную плотность, равную плотности на уровне моря (около 1,2 кг на м 3 ) от уровня моря вверх, она бы резко закончилась на высоте 8,50 км (27 900 футов). На самом деле она уменьшается экспоненциально с высотой, уменьшаясь вдвое каждые 5,6 км (18000 футов) или в 1 / e каждые 7,64 км (25100 футов), средняя высота атмосферы ниже 70 км (43 мили; 230000 футов). . Однако атмосфера более точно моделируется с помощью индивидуального уравнения для каждого слоя, которое учитывает градиенты температуры, молекулярного состава, солнечного излучения и силы тяжести.

Таким образом, масса атмосферы Земли распределяется примерно следующим образом: [37]

  • 50% ниже 5,6 км (18 000 футов).
  • 90% - ниже 16 км (52000 футов).
  • 99,99997% находится ниже 100 км (62 миль; 330 000 футов), линия Карман . По международному соглашению, это начало космоса, в котором путешественники считаются космонавтами .

Для сравнения, вершина горы. Эверест находится на высоте 8 848 м (29 029 футов); коммерческие авиалайнеры обычно курсируют на расстояние от 10 до 13 км (от 33 000 до 43 000 футов), где более разреженный воздух улучшает экономию топлива; метеозонд достигают высоты 30,4 км (100 000 футов) и выше; а самый высокий полет X-15 в 1963 году достиг 108,0 км (354 300 футов).

Даже выше линии Кармана все еще происходят значительные атмосферные эффекты, такие как полярные сияния . В этой области начинают светиться метеоры , хотя более крупные из них могут не гореть, пока не проникнут глубже. Различные слои ионосферы Земли , важные для распространения КВ радиоволн, начинаются ниже 100 км и простираются за пределы 500 км. Для сравнения: Международная космическая станция и космический шаттл обычно вращаются на высоте 350–400 км в F-слое ионосферы, где они сталкиваются с достаточным сопротивлением атмосферы, чтобы требовать перезагрузки каждые несколько месяцев, в противном случае произойдет затухание орбиты, что приведет к возврату к земля. В зависимости от солнечной активности спутники могут испытывать заметное сопротивление атмосферы на высотах до 700–800 км.

Температура и скорость звука

Температурные тренды в двух толстых слоях атмосферы, измеренные с января 1979 года по декабрь 2005 года с помощью устройств микроволнового зондирования и усовершенствованных устройств микроволнового зондирования на метеорологических спутниках NOAA . Приборы регистрируют микроволны, излучаемые молекулами кислорода в атмосфере. Источник: [38]

Разделение атмосферы на слои в основном по температуре обсуждалось выше. Температура уменьшается с высотой, начиная с уровня моря, но изменения в этой тенденции начинаются выше 11 км, где температура стабилизируется на большом вертикальном расстоянии через остальную часть тропосферы. В стратосфере , начиная с высоты примерно 20 км, температура увеличивается с высотой из-за нагрева озонового слоя, вызванного захватом значительного ультрафиолетового излучения Солнца кислородом и озоном в этой области. Еще одна область повышения температуры с высотой происходит на очень больших высотах, в хорошо названной термосфере выше 90 км.

Поскольку в идеальном газе постоянного состава скорость звука зависит только от температуры, а не от давления или плотности газа, скорость звука в атмосфере с высотой принимает форму сложного температурного профиля (см. Иллюстрацию справа). , и не отражает высотные изменения плотности или давления.

Плотность и масса

Температура и массовая плотность в зависимости от высоты из стандартной модели атмосферы NRLMSISE-00 (восемь пунктирных линий в каждой «декаде» находятся на восьми кубах 8, 27, 64, ..., 729)

Плотность воздуха на уровне моря составляет около 1,2 кг / м 3 (1,2 г / л, 0,0012 г / см 3 ). Плотность не измеряется напрямую, а рассчитывается на основе измерений температуры, давления и влажности с использованием уравнения состояния воздуха (форма закона идеального газа ). Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это изменение можно приблизительно смоделировать с помощью барометрической формулы . Для предсказания орбитального распада спутников используются более сложные модели.

Средняя масса атмосферы составляет около 5 квадриллионов (5 × 10 15 ) тонн или 1 / 1,200,000 массы Земли. По данным Американского национального центра атмосферных исследований , «общая средняя масса атмосферы составляет 5,1480 × 10 18  кг с годовым диапазоном, обусловленным водяным паром, равным 1,2 или 1,5 × 10 15  кг, в зависимости от давления на поверхности или данных водяного пара используются; несколько меньше, чем предыдущая оценка. Средняя масса водяного пара оценивается как 1,27 × 10 16  кг, а масса сухого воздуха как 5,1352 ± 0,0003 × 10 18  кг ».

Солнечное излучение (или солнечный свет) - это энергия, которую Земля получает от Солнца . Земля также испускает излучение обратно в космос, но на более длинных волнах, которые мы не видим. Часть входящего и испускаемого излучения поглощается или отражается атмосферой. В мае 2017 года было обнаружено, что мерцающие блики от орбитального спутника, находящегося на расстоянии в миллион миль, являются отраженным светом от кристаллов льда в атмосфере. [39] [40]

Рассеяние

Когда свет проходит через атмосферу Земли, фотоны взаимодействуют с ней посредством рассеяния . Если свет не взаимодействует с атмосферой, это называется прямым излучением, и это то, что вы увидите, если посмотрите прямо на Солнце. Косвенное излучение - это свет, рассеянный в атмосфере. Например, в пасмурный день, когда вы не видите свою тень, прямое излучение не достигает вас, оно все рассеяно. В качестве другого примера, из-за явления, называемого рэлеевским рассеянием , более короткие (синие) волны рассеиваются легче, чем более длинные (красные) волны. Вот почему небо кажется голубым; вы видите рассеянный синий свет. Вот почему закаты красные. Поскольку Солнце находится близко к горизонту, солнечные лучи проходят через большую часть атмосферы, чем обычно, чтобы достичь вашего глаза. Большая часть синего света была рассеяна, оставив красный свет на закате.

Абсорбция

Грубый график пропускания (или непрозрачности) атмосферы Земли для различных длин волн электромагнитного излучения, включая видимый свет .

Разные молекулы поглощают разные длины волн излучения. Например, O 2 и O 3 поглощают почти все длины волн короче 300 нанометров . Вода (H 2 O) поглощает многие длины волн выше 700 нм. Когда молекула поглощает фотон, это увеличивает энергию молекулы. Это нагревает атмосферу, но она также охлаждается за счет излучения, как обсуждается ниже.

Комбинированные спектры поглощения газов в атмосфере оставляют «окна» низкой непрозрачности , позволяя пропускать только определенные полосы света. В оптическое окно проходит от около 300 нм ( ультрафиолетовый -C) до в диапазон люди могут видеть, видимый спектр (обычно называемый свет), при примерно 400-700 нм и продолжается до инфракрасного до приблизительно 1100 нм. Есть также инфракрасные и радио окна, которые пропускают инфракрасные и радиоволны на более длинных волнах. Например, радиоокно проходит от примерно одного сантиметра до примерно одиннадцатиметровой волны.

Эмиссия

Эмиссия противоположна поглощению, это когда объект испускает излучение. Объекты имеют тенденцию испускать количество и длины волн излучения в зависимости от их кривых излучения « черного тела », поэтому более горячие объекты, как правило, излучают больше излучения с более короткими длинами волн. Более холодные объекты излучают меньше излучения с более длинными волнами. Например, Солнце имеет температуру примерно 6000  К (5730  ° C ; 10340  ° F ), его излучение достигает максимума около 500 нм и видно человеческому глазу. Земля имеет температуру около 290 К (17 ° C; 62 ° F), поэтому ее излучение достигает максимума около 10 000 нм и слишком длинное, чтобы быть видимым для людей.

Из-за своей температуры атмосфера излучает инфракрасное излучение. Например, в ясные ночи поверхность Земли остывает быстрее, чем в пасмурные ночи. Это связано с тем, что облака (H 2 O) являются сильными поглотителями и источниками инфракрасного излучения. Вот почему ночью на возвышенностях становится холоднее.

Парниковый эффект непосредственно связан с этим поглощением и испусканием эффекта. Некоторые газы в атмосфере поглощают и излучают инфракрасное излучение, но не взаимодействуют с солнечным светом в видимом спектре. Типичными примерами этого являются CO
2и H 2 O.

Показатель преломления

Искажающее влияние атмосферной рефракции на форму солнца на горизонте.

Показатель преломления воздуха близок к, но как раз больше , чем 1. Систематические изменения показателя преломления может привести к изгибу световых лучей на больших оптических путей. Одним из примеров является то, что при некоторых обстоятельствах наблюдатели на борту кораблей могут видеть другие суда прямо над горизонтом, потому что свет преломляется в том же направлении, что и кривизна поверхности Земли.

Показатель преломления воздуха зависит от температуры [41], что приводит к возникновению эффектов преломления при большом градиенте температуры. Пример таких эффектов - мираж .

Идеализированный вид трех пар больших циркуляционных ячеек.

Атмосферная циркуляция - это крупномасштабное движение воздуха через тропосферу и средство (с циркуляцией океана ), с помощью которого тепло распространяется вокруг Земли. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная структура остается довольно постоянной, поскольку она определяется скоростью вращения Земли и разницей в солнечной радиации между экватором и полюсами.

Самая ранняя атмосфера

Первая атмосфера состояла из газов в солнечной туманности , в первую очередь водорода . Вероятно, это были простые гидриды, такие как те, что сейчас обнаруживаются у газовых гигантов ( Юпитер и Сатурн ), особенно водяной пар, метан и аммиак . [42]

Вторая атмосфера

Газовыделение из вулканизма , дополненные газов , образующихся во время поздней тяжелой бомбардировки Земли с помощью огромных астероидов , произвел следующую атмосферу, состоящую в основном из азота плюс двуокиси углерода и инертных газов. [42] Большая часть выбросов углекислого газа растворяется в воде и вступает в реакцию с металлами, такими как кальций и магний, во время выветривания горных пород земной коры с образованием карбонатов, которые откладывались в виде отложений. Отложения, связанные с водой, были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад. [43]

Примерно 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основную часть тогда стабильной «второй атмосферы». Влияние жизни должно быть принято во внимание довольно скоро в истории атмосферы, потому что намеки на ранние формы жизни появились уже 3,5 миллиарда лет назад. [44] Как Земля в то время поддерживала климат, достаточно теплый для жидкой воды и жизни, если раннее Солнце излучало солнечное сияние на 30% меньше, чем сегодня, - это загадка, известная как « парадокс слабого молодого Солнца ».

Однако геологическая летопись показывает непрерывную относительно теплую поверхность во время полной ранней записи температуры Земли - за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В поздний архейский эон начала формироваться кислородсодержащая атмосфера, очевидно, создаваемая фотосинтезирующими цианобактериями (см. Великое событие оксигенации ), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода ( пропорции изотопного отношения ) убедительно свидетельствует об условиях, аналогичных нынешним, и о том, что фундаментальные особенности углеродного цикла установились еще 4 миллиарда лет назад.

Древние отложения в Габоне, датируемые примерно 2,15–2,08 миллиарда лет назад, свидетельствуют о динамической эволюции оксигенации Земли. Эти колебания в оксигенации, вероятно, были вызваны экскурсией изотопов углерода Ломагунди. [45]

Третья атмосфера

Содержание кислорода в атмосфере за последний миллиард лет [46] [47]

Постоянное переупорядочение континентов в результате тектоники плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы за счет переноса углекислого газа в крупные континентальные хранилища карбонатов и из них. Свободный кислород не существовал в атмосфере примерно 2,4 миллиарда лет назад во время Великого события оксигенации, и на его появление указывает конец полосчатых железных образований .

Раньше любой кислород, производимый фотосинтезом, потреблялся при окислении восстановленных материалов, особенно железа. Молекулы свободного кислорода не начинали накапливаться в атмосфере до тех пор, пока скорость производства кислорода не стала превышать доступность восстановительных материалов, удаляющих кислород. Этот момент означает переход от восстановительной атмосферы к окислительной атмосфере. O 2 демонстрировал большие колебания, пока к концу докембрия не достиг устойчивого состояния более 15%. [48] Следующий промежуток времени с 541 миллиона лет назад до наших дней - это фанерозойский эон, в самый ранний период которого начали появляться кембрийские , нуждающиеся в кислороде многоклеточные формы жизни.

Количество кислорода в атмосфере колебалось в течение последних 600 миллионов лет, достигнув пика около 30% около 280 миллионов лет назад, что значительно превышает сегодняшние 21%. Изменения в атмосфере регулируются двумя основными процессами: растения используют углекислый газ из атмосферы и выделяют кислород, а затем растения используют немного кислорода в ночное время в процессе фотодыхания, а оставшаяся часть кислорода используется для разложения соседнего органического материала. При разложении пирита и извержений вулканов в атмосферу выделяется сера , которая окисляется и, следовательно, снижает количество кислорода в атмосфере. Однако извержения вулканов также выделяют углекислый газ, который растения могут преобразовывать в кислород. Точная причина изменения количества кислорода в атмосфере неизвестна. Периоды с повышенным содержанием кислорода в атмосфере связаны с быстрым развитием животных. Сегодняшняя атмосфера содержит 21% кислорода, чего достаточно для быстрого развития животных. [49]

Загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха - это попадание в атмосферу химикатов , твердых частиц или биологических материалов, которые причиняют вред или дискомфорт организмам. [50] Истощение стратосферного озонового слоя вызвано загрязнением воздуха, в основном хлорфторуглеродами и другими озоноразрушающими веществами.

Научный консенсус в том , что антропогенные парниковые газы в настоящее время накапливающиеся в атмосфере являются основной причиной изменения климата . [51]

"> Воспроизвести медиа
Анимация показывает накопление тропосферного CO.
2в Северном полушарии с максимумом около мая. Максимум вегетационного цикла приходится на конец лета. После пика растительности, сокращение выбросов CO в атмосфере
2за счет фотосинтеза, особенно над бореальными лесами .

19 октября 2015 года НАСА открыло веб-сайт http://epic.gsfc.nasa.gov/, содержащий ежедневные изображения полностью освещенной солнечной стороны Земли . Изображения взяты из Обсерватории глубокого космоса (DSCOVR) и показывают вращение Земли в течение дня. [52]

  • Синий свет рассеивается газами в атмосфере больше, чем другие длины волн, что придает Земле синий ореол, если смотреть из космоса.

  • В геомагнитных бурях вызывают проявление сияний через атмосферу.

  • Вид на конечности атмосферы Земли. Цвета примерно обозначают слои атмосферы.

  • На этом изображении в центре изображена Луна, а край Земли у ее дна переходит в тропосферу оранжевого цвета. Тропосфера резко заканчивается тропопаузой, которая появляется на изображении как резкая граница между оранжевой и голубой атмосферой. Серебристо-голубые серебристые облака простираются далеко над тропосферой Земли.

  • Атмосфера Земли освещена Солнцем во время затмения, наблюдаемого из дальнего космоса на борту Аполлона-12 в 1969 году.

  • Воздушная перспектива
  • Воздух (классическая стихия)
  • Свечение воздуха
  • Сарай
  • Моделирование атмосферной дисперсии
  • Атмосферное электричество
  • Центр исследования климата для измерения атмосферной радиации (ARM) (в США)
  • Атмосферная стратификация
  • Биосфера
  • Климатическая система
    • Энергетический бюджет Земли
  • Международная эталонная атмосфера COSPAR (CIRA)
  • Воздействие авиации на окружающую среду
  • Глобальное затемнение
  • Исторический температурный рекорд
  • Гидросфера
  • Гипермобильность (путешествия)
  • Киотский протокол
  • Выщелачивание (сельское хозяйство)
  • Литосфера
  • Эталонная атмосферная модель

  1. ^ "Ворота к фотографиям Земли астонавтов" . НАСА . Проверено 29 января 2018 .
  2. ^ а б «Тенденции изменения двуокиси углерода в атмосфере» , Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA , 2019 г. , данные получены 31 мая 2019 г.
  3. ^ а б «Тенденции атмосферного метана» , Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA , 2019 г. , данные получены 31 мая 2019 г.
  4. ^ а б Хейнс, HM, изд. (2016–2017), Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.), CRC Press, стр. 14-3, ISBN 978-1-4987-5428-6, который цитирует Астрофизические Величины Аллена, но включает только десять из его самых больших составляющих.
  5. ^ Кокс, Артур Н., изд. (2000), Астрофизические величины Аллена (четвертое издание), AIP Press, стр. 258–259, ISBN 0-387-98746-0, который округляет N 2 и O 2 до четырех значащих цифр, не влияя на общую сумму, поскольку 0,004% было удалено из N 2 и добавлено к O 2 . Он включает 20 составляющих.
  6. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (1976 г.), Стандартная атмосфера США, 1976 г. (PDF) , стр. 3
  7. ^ Аллен, К.У. (1976), Astrophysical Quantities (Третье изд.), Athlone Press, стр. 119, ISBN 0-485-11150-0
  8. ^ a b Два недавних надежных источника, процитированных здесь, имеют общий состав атмосферы, включая следовые количества молекул, который превышает 100%. Это Astrophysical Quantities [5] (2000, 100,001241343%) и CRC Handbook of Chemistry and Physics [4] (2016–2017, 100,004667%), в котором цитируются астрофизические величины Аллена . Оба используются в качестве ссылок в этой статье. Оба превышают 100%, потому что их значения CO 2 были увеличены до 345 ppmv без изменения их других составляющих для компенсации. Это усугубляется апрельским CO.
    2    значение, которое составляет 413,32 ppmv. [2] Несмотря на незначительное значение, значение CH за январь 2019 г.
    4    составляет 1866,1 ppbv (частей на миллиард). [3] Два старых надежных источника содержат сухой состав атмосферы, включая следовые количества молекул, которые составляют менее 100%: стандартная атмосфера США, 1976 г. [6] (99,9997147%); и астрофизические величины [7] (1976, 99,9999357%).
  9. ^ Лиде, Дэвид Р. Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: CRC, 1996: 14–17
  10. ^ Васкес, М .; Ханслмайер, А. (2006). «Историческое введение» . Ультрафиолетовое излучение в Солнечной системе . Библиотека астрофизики и космической науки. 331 . Springer Science & Business Media. п. 17. Bibcode : 2005ASSL..331 ..... V . DOI : 10.1007 / 1-4020-3730-9_1 . ISBN 978-1-4020-3730-6.
  11. ^ a b Уоллес, Джон М. и Питер В. Хоббс. Наука об атмосфере: вводный обзор, заархивированный 28 июля 2018 г. в Wayback Machine . Эльзевир. Издание второе, 2006 г. ISBN  978-0-12-732951-2 . Глава 1
  12. ^ «Следовые газы» . Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинала 9 октября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 .
  13. ^ «Жизненно важные признаки: углекислый газ» . НАСА Климат . Декабрь 2020 . Проверено 29 декабря 2020 года .
  14. ^ Детлеф Мёллер: Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Рехт. Вальтер де Грюйтер, 2003 г., ISBN  3-11-016431-0 , S. 173. (См. В Google Книгах) .
  15. ^ Юнус Шенгель. Termodinamica e trasmissione del calore .
  16. ^ «Воздух - молекулярный вес и состав» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 27 апреля 2021 .
  17. ^ «Состав воздуха» . Engineering ToolBox . Проверено 4 июля 2017 . Состав воздуха не меняется до отметки около 10.000 м.
  18. ^ Зелл, Холли (2015-03-02). «Верхняя атмосфера Земли» . НАСА . Проверено 20 февраля 2017 .
  19. ^ а б Рэнди Рассел (2008). «Термосфера» . Проверено 18 октября 2013 .
  20. ^ а б «Разгар тропопаузы» . Das.uwyo.edu . Проверено 18 апреля 2012 .
  21. ^ Аренс, К. Дональд. Основы метеорологии. Опубликовано Томсон Брукс / Коул, 2005.
  22. ^ Штаты, Роберт Дж .; Гарднер, Честер С. (январь 2000 г.). «Термическая структура области мезопаузы (80–105 км) на 40 ° северной широты. Часть I: сезонные колебания» . Журнал атмосферных наук . 57 (1): 66–77. Bibcode : 2000JAtS ... 57 ... 66S . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (2000) 057 <0066: TSOTMR> 2.0.CO; 2 .
  23. ^ Джо Бухдал. «Информационная программа по атмосфере, климату и окружающей среде» . Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинала на 2010-07-01 . Проверено 18 апреля 2012 .
  24. ^ Журнал атмосферных наук (1993). "стратопауза" . Проверено 18 октября 2013 .
  25. ^ Барри, Р.Г.; Чорли, Р.Дж. (1971). Атмосфера, погода и климат . Лондон: Menthuen & Co Ltd., стр. 65 .
  26. ^ Тайсон, PD; Престон-Уайт, РА (2013). Погода и климат южной части Африки (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета . п. 4.
  27. ^ «Тропосфера». Краткая энциклопедия науки и технологий . Макгроу-Хилл . 1984. Он содержит около четырех пятых массы всей атмосферы.
  28. ^ «Заголовок ISS022-E-062672» . НАСА . Проверено 21 сентября 2012 года .
  29. ^ « Гомосфера - Глоссарий АПП» . Amsglossary.allenpress.com. Архивировано 14 сентября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 .
  30. ^ «Атмосфера Земли» . Архивировано из оригинала на 2009-06-14.
  31. ^ «НАСА - Информационный бюллетень о Земле» . Nssdc.gsfc.nasa.gov. Архивировано 30 октября 2010 года . Проверено 16 октября 2010 .
  32. ^ «Глобальные аномалии температуры поверхности» . Архивировано из оригинала на 2009-03-03.
  33. ^ «Радиационный баланс Земли и тепловые потоки в океане» . Архивировано из оригинала на 2005-03-03.
  34. ^ «Контрольный прогон проекта взаимного сравнения сопряженных моделей» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 28 мая 2008 года.
  35. ^ Геометрическая высота в зависимости от температуры, давления, плотности и скорости звука, полученная из Стандартной атмосферы США 1962 года.
  36. ^ Тренберт, Кевин Э .; Смит, Лесли (1970-01-01). «Масса атмосферы: ограничение на глобальный анализ». Журнал климата . 18 (6): 864. Bibcode : 2005JCli ... 18..864T . CiteSeerX  10.1.1.727.6573 . DOI : 10.1175 / JCLI-3299.1 . S2CID  16754900 .
  37. ^ Lutgens, Фредерик К. и Эдвард Дж Тарбук (1995) Атмосфера , Prentice Hall, 6е изд., Стр. 14-17, ISBN  0-13-350612-6
  38. ^ «Тенденции атмосферной температуры, 1979–2005 годы: образ дня» . Earthobservatory.nasa.gov. 2000-01-01 . Проверено 10 июня 2014 .
  39. ^ Санкт-Флер, Николас (19 мая 2017 г.). «Обнаружение таинственных мерцаний на Земле за миллион миль» . Нью-Йорк Таймс . Дата обращения 20 мая 2017 .
  40. ^ Маршак Александр; Варнаи, Тамаш; Костинский, Александр (15 мая 2017 г.). «Земной блеск, видимый из глубокого космоса: ориентированные кристаллы льда, обнаруженные из точки Лагранжа» . Письма о геофизических исследованиях . 44 (10): 5197. Bibcode : 2017GeoRL..44.5197M . DOI : 10.1002 / 2017GL073248 .
  41. ^ Эдлен, Бенгт (1966). «Показатель преломления воздуха». Метрология . 2 (2): 71–80. Bibcode : 1966Metro ... 2 ... 71E . DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 2/2/002 .
  42. ^ а б Zahnle, K .; Schaefer, L .; Фегли, Б. (2010). «Древнейшие атмосферы Земли» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (10): а004895. DOI : 10.1101 / cshperspect.a004895 . PMC  2944365 . PMID  20573713 .
  43. ^ Б. Виндли: Развивающиеся континенты. Wiley Press, Нью-Йорк, 1984 г.
  44. ^ Дж. Шопф: Древнейшая биосфера Земли: ее происхождение и эволюция. Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси, 1983 г.
  45. ^ Тимоти В. Лайонс, Кристофер Т. Рейнхард и Ноа Дж. Планавски (2014). «Оксигенация атмосферы три миллиарда лет назад». Природа . 506 (7488): 307–15. Bibcode : 2014Natur.506..307L . DOI : 10,1038 / природа13068 . PMID  24553238 . S2CID  4443958 .
  46. ^ Мартин, Даниэль; Маккенна, Хелен; Ливина, Валери (2016). «Физиологическое воздействие глобальной деоксигенации на человека» . Журнал физиологических наук . 67 (1): 97–106. DOI : 10.1007 / s12576-016-0501-0 . ISSN  1880-6546 . PMC  5138252 . PMID  27848144 .
  47. ^ http://www.nap.edu/openbook/0309100615/gifmid/30.gif
  48. ^ Кристофер Р. Скотез, Назад к истории Земли: сводная диаграмма для докембрия , проект Палеомар
  49. ↑ Питер Уорд: [1] Из воздуха: динозавры, птицы и древняя атмосфера Земли.
  50. ^ Начиная с [2] Загрязнение - определение из онлайн-словаря Merriam-Webster
  51. ^ «Резюме для политиков» (PDF) . Изменение климата 2007: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 5 февраля 2007 г.
  52. ^ Нортон, Карен (2015-10-19). «Ежедневные обзоры Земли доступны на новом веб-сайте НАСА» . НАСА . Проверено 21 октября 2015 .

  • Интерактивная глобальная карта текущего состояния атмосферы и поверхности океана.