Общие сведения об атмосфере
Атмосфера – это воздушная оболочка Земли.
Специалисты считают, что эта газовая оболочка планеты, мощностью до $1000$ км, является результатом геологической эволюции и постоянной деятельности организмов. За миллиарды лет живые существа изменяли её состав, и сегодня она характеризуется высокой динамичностью, физической неоднородностью и большой уязвимостью к биологическим факторам.
Общая масса земной атмосферы равна $5,3 \cdot 1015$ т (по разным оценкам $5,15—5,9 \cdot 1015$). В околоземном слое, толщиной около $16$ км, сосредоточено $90\%$ воздуха.
Эта наружная оболочка Земли находится между планетой и космическим пространством, ослабляя космическое излучение и сглаживая резкие колебания температуры в биосфере. Атмосфера – это прекрасная среда распространения микроорганизмов, семян, плодов и местообитание многих насекомых, птиц, млекопитающих.
Значительное влияние на атмосферу оказывают солнечная активность и магнитные бури, температура в атмосфере изменяется неравномерно, а плотность и давление уменьшаются с высотой. На разных высотах поглощение солнечной энергии атмосферными газами разное, поэтому в границах атмосферы происходит изменение температуры. Тепловые процессы наиболее интенсивно происходят в тропосфере, а нагревание происходит от поверхности океана и суши.
С высотой содержание кислорода в атмосфере сокращается, и дыхание становится невозможным на высоте $9$ км, а на отметке $5$ км появляется кислородное голодание – здесь кончается физиологическая зона атмосферы. На отметке $100$ км атмосфера теряет свое свойство поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путем конвекции.
Атмосфера имеет большое экологическое значение, защищая все живые организмы Земли:
- Задерживает космическое излучение;
- Защищает планету от ударов метеоритов;
- Регулирует сезонные колебания температуры;
- Уравновешивает и выравнивает суточные колебания.
- Является носителем тепла и влаги.
Характер и динамика всех экзогенных процессов, происходящих в литосфере – физическое и химическое выветривание, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников – так или иначе, связаны с атмосферой.
История развития атмосферы
Воздух – это смесь разных газов, хотя на первый взгляд он кажется совершенно однородным. Разнообразие состава воздуха появилось не сразу, а в результате уникальных совпадений химических элементов и наличия жизни. Геологические следы этих процессов планета сохранила, поэтому можно заглянуть в историю развития атмосферы.
Водород и гелий были первыми газами с небольшой концентрацией, окутавшие Землю. Они быстро улетучивались в космос. Вулканы выбрасывали из недр Земли большое количество аммиака, метана, углекислого газа, а при разложении аммиака и метана появлялся азот, который со временем стал преобладающим газом. Вулканы выделяли и водяной пар, при расщеплении он образовывал водород и кислород.
С появлением кислорода в составе атмосферы планеты началась настоящая революция. Правда, вступая в реакции с угарным газом, свободным железом, серой, находящимися на поверхности планеты, кислород долго задерживаться в атмосфере не мог. Солнечное излучение и высокие температуры катализировали химические процессы. Ситуация изменилась с появлением живых организмов, выделявших кислорода столько, что он начал накапливаться и за два миллиарда лет его количество выросло до $21\%$ всей массы атмосферы.
Для построения собственных скелетов живые организмы активно использовали углерод атмосферы, результатом деятельности которых явились целые геологические пласты органических материалов и ископаемых. Количество углекислого газа в связи с этим уменьшилось. Избыточный кислород сформировал озоновый слой, ставший главным барьером на пути ультрафиолетовых лучей. С наличием кислорода жизнь стала активнее эволюционировать и приобретать новые, более сложные формы. Среди бактерий и водорослей появились высокоорганизованные существа.
Кислород создает синий цвет неба – из всего радужного спектра Солнца он лучше рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. В космосе действует этот же эффект – Земля на расстоянии как бы окутывается голубой дымкой, превращаясь в синюю точку.
Кроме известных газов, присутствующих в составе атмосферы, есть в ней и благородные газы, например, аргон. Попадает он на поверхность по микротрещинам в плитах литосферы, и через вулканическую деятельность, а источником этого газа являются ядерные процессы в глубинах планеты. Гелий в атмосфере появляется таким же образом. Гелий и аргон поднимаются в верхние слои атмосферы и улетучиваются в космическое пространство.
За всю историю существования планеты состав её атмосферы существенно менялся не один раз, на что ушли миллионы лет, но последние $50$ млн. лет, как считают ученые, состав атмосферы стабилизировался.
Роль атмосферы в природных процессах
Центральным компонентом климата выступает атмосфера. Состояние атмосферы – температура и влажность воздуха, облачность, осадки и ветер, воздействующие на погоду и климат – непрерывно меняются. Особенности прохождения солнечной радиации через воздушную оболочку определяются наличием облачности, аэрозольных частичек, водяного пара, различных примесей и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космос.
Солнечная радиация определяет жизнь и деятельность на Земле, а также действие и направленность природных процессов. Поверхность Земли достигает только часть солнечной энергии, $\frac{1}{3}$ общего её количества, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается в мировое пространство, а $13\%$ поглощается озоновым слоем.
Только за одни сутки Земля получает суммарной солнечной радиации в виде энергии столько, сколько человечество получило за последнее тысячелетие в результате сжигания всех видов топлива. Распределение солнечной радиации на поверхности планеты тесно связано с облачностью и прозрачностью атмосферы. Максимальное количество рассеянной радиации приходится на полярные районы. В аридных тропических и субтропических поясах в засушливый период в атмосфере содержится много пыли. Потоки теплого воздуха выносят эту пыль в верхние слои, где она может находиться продолжительное время.
Содержание водяного пара в атмосфере переменное и в абсолютном исчислении его количество составляет от $2-5\%$. Водяной пар, первоисточником которого является поверхность Мирового океана, усиливает парниковый эффект. С поверхности океана ежегодно испаряется слой воды толщиной до $110$ см. После конденсации часть влаги возвращается в океан, а другая часть с помощью воздушных потоков движется в сторону суши. Происходит увлажнение почвы в областях переменно-влажного климата, а во влажных областях происходит накопление грунтовых вод.
Это говорит о том, что атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков.
Распределение влаги происходит благодаря подвижности атмосферы – сложной системы ветров и распределения атмосферного давления, которые постоянно меняются.
Движение атмосферы или циркуляция может изменяться от микрометеорологических размеров до глобальных размеров. Общую циркуляцию атмосферы определяют огромные атмосферные вихри, принимающие участие в создании систем воздушных течений и, являющиеся источниками катастрофических атмосферных явлений.
С атмосферным давлением связано распределение на планете погодных и климатических условий, а также функционирование живого вещества. При изменении давления происходят фронтальные явления, приводящие к изменениям погоды. Колебание давления в небольших пределах не оказывает большого влияния на самочувствие людей, поведение животных и не отражается на физиологических функциях растений.
Атмосферное давление имеет фундаментальное значение для формирования ветра, который является рельефообразующим фактором и сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир.
