Атмосфера, ее состав и строение

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

«Строение и состав атмосферы»

Выполнила Мельник Полина

студентка 1 курса ОФО

географического факультета

направления География (бакалавриат)

Краснодар2010

Содержание:

1. Понятие атмосферы и ее состав

2. Строение атмосферы

2.1Тропосфера

2.2 Тропопауза

2.3Стратосфера

2.4Стратопауза

2.5Мезосфера

2.6Мезопауза

2.7Линия Кармана

2.8Термосфера

2.9Экзосфера

1.Атмосфера – газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами,движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли.На дне атмосферы в основном протекает вся наша жизнь.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В
лёгких человека
постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха.
Парциальное давление
кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110
мм рт. ст.
, давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая
радиация
— первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли, постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают, такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической
подъёмной силы
и сопротивления, передача тепла
конвекцией
и др.

В разреженных слоях воздуха распространение
звука
оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия
числа М
и
звукового барьера
теряют свой смысл, там проходит условная
Линия Кармана
за которой начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является
тепловое излучение
.

2.Атмосферу разделяют на следущие слои:

2.1. Тропосфе́ра (
др.-греч.
τροπή
— «поворот», «изменение» и
σφαῖρα
— «шар») — нижний, наиболее изученный слой
атмосферы
, высотой в
полярных областях
8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на
экваторе
— 16—18 км.

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
. 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 и
атмосферные фронты
, развиваются
циклоны
и
антициклоны
, а также другие процессы, определяющие
погоду
и
климат
. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение
ледников
, называется
хионосфера
.

2.2.Тропопа́уза
(от
греч.
τροπος
— поворот, изменение и
παυσις
— остановка, прекращение) — слой
атмосферы
, в котором прекращается снижение температуры с высотой; переходный слой от
тропосферы
к
стратосфере
. В земной атмосфере тропопауза расположена, на высотах от 8—12 км (над уровнем моря) в полярных районах 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).Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2—3
километров
. В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново.

2.3.Стратосфе́ра
(от
др.-греч.
στρατός
— «слой» и
σφαῖρα
— «шар», «сфера») — 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
.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
(О3
) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О3
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 О3
происходит при его взаимодействии со свободными радикалами,
NO
,
галогенсодержащими
соединениями (в т. ч. «
фреонами
»).В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит
ионизация
, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде
северных сияний
,
зарниц
и других свечений.В стратосфере и более высоких слоях под воздействием
солнечной радиации
молекулы газов
диссоциируют
— на атомы (выше 80 км диссоциируют
СО2

и
Н2

, выше 150 км —
О2

, выше 300 км —
Н2

). На высоте 200-500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О+
2
, О−
2
, N+
2
) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют
свободные радикалы
— ОН•, НО•2
и дрВ стратосфере почти нет водяного пара.Полёты в стратосфереПолёты в стратосферу начались в 1930-годах. Широко известен полёт на первом
стратостате
(FNRS-1), который совершили
Огюст Пикар
и
Пауль Кипфер
27 мая 1931 г. на высоту 16,2 км. Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах в основном до 20 км (хотя
динамический потолок
может быть значительно выше). Высотные
метеозонды
поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 2

2.4. Стратопа́уза — слой
атмосферы
, являющийся пограничным между двумя слоями,
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.

2.5. Мезосфе́ра (от
греч.
μεσο-
— «средний» и
σφαῖρα
— «шар», «сфера») — 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
.Мезосфера с точки зрения летательных аппаратов

Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» — воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты (на высоте 50 км плотность воздуха в 1000 раз меньше, чем на уровне моря), и в то же время слишком плотен для полётов
искусственных спутников
на такой низкой орбите. Прямые исследования мезосферы проводятся в основном с помощью суборбитальных
метеорологических ракет
; в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы, в связи с чем учёные прозвали её «игноросферой»

2.6. Мезопа́уза — 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 −225 °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.

2.7. Линия Ка́рмана — высота над
уровнем моря
, которая условно принимается в качестве границы между
атмосферой Земли
и
космосом
.

В соответствии с определением
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
. Поэтому, для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствами
космонавтики
.

Определение границы условно, так как в действительности не существует какой-либо границы, за которой заканчивается атмосфера и начинается космос. Так, внешняя часть земной атмосферы,
экзосфера
, простирается до высоты 100 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

Достижение Линии Кармана являлось первым условием для получения приза
Ansari X Prize
, так как это является основанием для признания полёта
космическим
.

2.8. Термосфе́ра (от
греч.
θερμός
— «тёплый» и
σφαῖρα
— «шар», «сфера») — 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 O2
). 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
.Полёты в термосфере

Из-за крайней разреженности воздуха полёты выше
линии Кармана
возможны только по
баллистической
траектории. Все
пилотируемые орбитальные полёты
(за исключением полётов американских астронавтов к Луне) проходят в термосфере, преимущественно на высотах от 200 до 500 км — ниже 200 км сильно сказывается тормозящее действие воздуха, а выше 500 км простираются
радиационные пояса
, вредно влияющие на людей.

Беспилотные спутники также по большей части летают в термосфере — с одной стороны, вывод спутника на более высокую орбиту требует бо́льших затрат энергии, а с другой, для многих целей (например, для
дистанционного зондирования Земли
) малая высота предпочтительнее.

Исследования термосферы проводятся также с помощью
суборбитальных
геофизических ракет

2.9.
Экзосфера
— зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (
диссипация
).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу.
Гетеросфера
— это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая
гомосфера
. Граница между этими слоями называется
турбопаузой
, она лежит на высоте около 120 км.

Используемая литература:

1)С.П.Хромов, М.А.Петросянц «Метеорология и климатология», Москва 2006

2) http://ru.wikipedi.org

3)
http://www.geoglobus.ru/earth/geo5/earth01.php