Большая Советская Энциклопедия (АТ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 18

18

Атмосфера Земли

Атмосфе'ра Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар), газовая оболочка, окружающая Землю. А. принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Масса А. составляет около 5,15-1015т. А. обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

  Происхождение и роль А. Современная земная А. имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли А. претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами А. и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие А. было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в А. из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из А. вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли А. играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим А. защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои А.

  Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие А. сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. А. задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота — в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает всё возрастающее влияние на состав А. и на климатический режим.

  Строение А. Многочисленные наблюдения показывают, что А. имеет четко выраженное слоистое строение (см. рис.). Основные черты слоистой структуры А. определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части А. — тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание (см. Турбулентностьв атмосфере и гидросфере), температура убывает с увеличением высоты, причём уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы А. Над тропосферой расположен переходный слой — тропопауза с температурой 190—220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остаётся приблизительно постоянной до высоты 25 км — т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать — область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой А., находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой — мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Ещё выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от А. к межпланетному пространству. Обычно все слои А., находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям А. относят также стратосферу или её нижняя часть.

  Все структурные параметры А. (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. отражают лишь среднее состояние А.

  Слоистая структура А. имеет и много других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав А. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание А., относительный состав постоянных компонент А. остаётся практически неизменным (вся эта толща А. получила название гомосферы), то выше 90 км — в гетеросфере — под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава А. с высотой. Типичные черты этой части А. — слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля — взвешенных в А. твёрдых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в А., что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоёв ионосферы.

  Состав А. В отличие от А. Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и А. Марса и Венеры, основного компонента которых — углекислый газ, земная А. состоит преимущественно из азота и кислорода. А. Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объёмная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям А., приведены в табл.

  Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Газ Объемная концентрация (%) Молекулярная масса Азот Кислород Аргон Углекислый газ Неон Гелий Метан Криптон Водород Закись азота Ксенон Двуокись серы Озон Двуокись азота Аммиак Окись углерода Иод 78,084 20,9476 0,934 0,0314 0,001818 0,000524 0,0002 0,000114 0,00005 0,00005 0,0000087 От 0 до 0,0001 От 0 до 0,000007 летом От 0 до 0,000002 зимой От 0 до 0,000002 Следы Следы Следы 28,0134 31,9988 39,948 44,00995 20,179 4,0026 16,04303 83,80 2,01594 44,0128 131,30 64,0628 47,9982 46,0055 17,03061 28,01055 Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,9644

  Наиболее важная переменная составная часть А. — водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах — у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10-5% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе А. в умеренных широтах — около 1,6—1,7 см  «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2—4 мг/кг.