Oro apvalkalas, kuris supa mūsų planetą ir sukasi kartu su ja, vadinamas atmosfera. Pusė visos atmosferos masės yra sutelkta apatiniame 5 km, o trys ketvirtadaliai masės yra apatiniame 10 km. Aukščiau oras gerokai išretėjęs, nors jo dalelės randamos 2000-3000 km aukštyje virš žemės paviršiaus.
Oras, kuriuo kvėpuojame, yra dujų mišinys. Daugiausia jame yra azoto – 78 % ir deguonies – 21 %. Argonas sudaro mažiau nei 1%, o 0,03% yra anglies dioksidas. Daugybė kitų dujų, tokių kaip kriptonas, ksenonas, neonas, helis, vandenilis, ozonas ir kitos, sudaro tūkstantąsias ir milijonines procentų dalis. Ore taip pat yra vandens garų, dalelių įvairių medžiagų, bakterijos, žiedadulkės ir kosminės dulkės.
Atmosfera susideda iš kelių sluoksnių. Apatinis sluoksnis iki 10-15 km aukščio virš Žemės paviršiaus vadinamas troposfera. Jį šildo Žemė, todėl oro temperatūra čia nukrenta 6 °C, o aukštis 1 kilometrui kilimo. Troposferoje yra beveik visi vandens garai ir susidaro beveik visi debesys – apytiksliai.Troposferos aukštis įvairiose planetos platumose nėra vienodas. Virš ašigalių pakyla iki 9 km, virš vidutinio klimato platumų - iki 10-12 km, o virš pusiaujo - iki 15 km. Troposferoje vykstantys procesai – oro masių susidarymas ir judėjimas, ciklonų ir anticiklonų susidarymas, debesų atsiradimas ir krituliai – lemia orus ir klimatą žemės paviršiuje.
Virš troposferos yra stratosfera, kuri tęsiasi iki 50-55 km. Troposferą ir stratosferą skiria 1-2 km storio pereinamasis sluoksnis – tropopauzė. Stratosferoje, maždaug 25 km aukštyje, oro temperatūra pamažu pradeda kilti ir 50 km aukštyje pasiekia + 10 +30 °C. Tokį temperatūros padidėjimą lemia tai, kad stratosferoje 25-30 km aukštyje yra ozono sluoksnis. Žemės paviršiuje jo kiekis ore yra nereikšmingas, o dideliame aukštyje dviatominės deguonies molekulės sugeria ultravioletinę saulės spinduliuotę, sudarydamos triatomes ozono molekules.
Jei ozonas būtų apatiniuose atmosferos sluoksniuose, aukštyje esant normaliam slėgiui, jo sluoksnio storis būtų tik 3 mm. Tačiau net ir tokiu nedideliu kiekiu jis atlieka labai svarbų vaidmenį: sugeria dalį gyviems organizmams kenksmingos saulės spinduliuotės.
Virš stratosferos mezosfera tęsiasi iki maždaug 80 km aukščio, kuriame oro temperatūra nukrinta iki kelių dešimčių laipsnių žemiau nulio.
Viršutinė atmosferos dalis pasižymi labai aukšta temperatūra ir vadinama termosfera – apytiksliai.Ji yra padalinta į dvi dalis – jonosferą – iki maždaug 1000 km aukščio, kur oras labai jonizuotas, ir egzosferą – virš 1000 km. Jonosferoje atmosferos dujų molekulės sugeria ultravioletinę Saulės spinduliuotę, todėl susidaro įkrauti atomai ir laisvieji elektronai. Auroros stebimos jonosferoje.
Atmosfera vaidina labai svarbų vaidmenį mūsų planetos gyvenime. Jis apsaugo Žemę nuo stipraus saulės kaitimo dieną ir nuo hipotermijos naktį. Dauguma meteoritų sudega atmosferos sluoksniuose prieš pasiekdami planetos paviršių. Atmosferoje yra deguonis, būtinas visiems organizmams, ozono skydas, apsaugantis gyvybę Žemėje nuo žalingos saulės ultravioletinės spinduliuotės dalies.
SAULĖS SISTEMOS PLANETŲ ATMOSFERAS
Merkurijaus atmosfera yra tokia reta, kad galima sakyti, kad jos praktiškai nėra. Veneros oro apvalkalas susideda iš anglies dioksidas(96%) ir azoto (apie 4%), jis yra labai tankus – atmosferos slėgis planetos paviršiuje yra beveik 100 kartų didesnis nei Žemėje. Marso atmosferą taip pat daugiausia sudaro anglies dioksidas (95%) ir azotas (2,7%), tačiau jos tankis yra apie 300 kartų mažesnis nei Žemės, o slėgis - beveik 100 kartų mažesnis. Matomas Jupiterio paviršius iš tikrųjų yra viršutinis vandenilio-helio atmosferos sluoksnis. Saturno ir Urano oro apvalkalų sudėtis yra tokia pati. Urano gražią mėlyną spalvą lemia didelė metano koncentracija viršutinėje atmosferos dalyje – maždaug Neptūnas, apgaubtas angliavandenilių miglos, turi du pagrindinius debesų sluoksnius: vieną susideda iš sušalusio metano kristalų, o antrąjį. esantis žemiau, turintis amoniako ir vandenilio sulfido.
Atmosfera turi sluoksniuotą struktūrą. Ribos tarp sluoksnių nėra aštrios, jų aukštis priklauso nuo platumos ir metų laiko. Sluoksniuota struktūra yra temperatūros pokyčių skirtinguose aukščiuose rezultatas. Oras susidaro troposferoje (žemiau apie 10 km: apie 6 km virš ašigalių ir daugiau nei 16 km virš pusiaujo). O viršutinė troposoferos riba vasarą yra aukštesnė nei žiemą.
Nuo Žemės paviršiaus į viršų šie sluoksniai yra:
Troposfera
Stratosfera
Mezosfera
Termosfera
Egzosfera
Troposfera
Apatinė atmosferos dalis iki 10-15 km aukščio, kurioje sutelkta 4/5 visos atmosferos oro masės, vadinama troposfera. Būdinga, kad temperatūra čia didėjant aukščiui nukrenta vidutiniškai 0,6°/100 m (kai kuriais atvejais vertikalus temperatūros pasiskirstymas labai skiriasi). Troposferoje yra beveik visi atmosferos vandens garai ir susidaro beveik visi debesys. Turbulencija čia taip pat labai išvystyta, ypač šalia žemės paviršiaus, taip pat vadinamuosiuose reaktyviniuose srautuose viršutinėje troposferos dalyje.
Aukštis, iki kurio troposfera tęsiasi per kiekvieną Žemės vietą, kiekvieną dieną skiriasi. Be to, net ir vidutiniškai jis skiriasi skirtingose platumose ir skirtingais metų laikais. Vidutiniškai metinė troposfera virš ašigalių tęsiasi iki maždaug 9 km aukščio, vidutinio klimato platumose iki 10-12 km ir virš pusiaujo iki 15-17 km. Vidutinė metinė oro temperatūra žemės paviršiuje yra apie +26° ties pusiauju ir apie -23° ties šiaurės ašigaliu. Viršutinėje troposferos riboje virš pusiaujo vidutinė temperatūra yra apie -70°, virš Šiaurės ašigalio žiemą apie -65°, vasarą apie -45°.
Oro slėgis viršutinėje troposferos riboje, atitinkantis jos aukštį, yra 5-8 kartus mažesnis nei žemės paviršiuje. Todėl didžioji dalis atmosferos oro yra troposferoje. Troposferoje vykstantys procesai yra tiesiogiai ir lemiamai svarbūs orams ir klimatui žemės paviršiuje.
Visi vandens garai yra susitelkę troposferoje, todėl visi debesys susidaro troposferoje. Temperatūra mažėja didėjant aukščiui.
Saulės spinduliai nesunkiai prasiskverbia pro troposferą, o iš Žemės sklindanti šiluma, įkaitinta saulės spindulių, kaupiasi troposferoje: tokios dujos kaip anglies dioksidas, metanas ir vandens garai sulaiko šilumą. Šis atmosferos atmosferos atšilimo nuo Žemės, įkaitintos saulės spinduliuotės, mechanizmas vadinamas šiltnamio efektu. Būtent dėl to, kad atmosferos šilumos šaltinis yra Žemė, oro temperatūra mažėja didėjant aukščiui
Riba tarp neramios troposferos ir ramios stratosferos vadinama tropopauze. Čia susidaro greitai judantys vėjai, vadinami „reaktyviniais srautais“.
Kažkada buvo manoma, kad atmosferos temperatūra nukrenta aukščiau troposoferos, tačiau matavimai aukštuose atmosferos sluoksniuose parodė, kad taip nėra: iš karto virš tropopauzės temperatūra yra beveik pastovi, o vėliau pradeda kilti. Stipri horizontali vėjai pučia stratosferoje nesudarydami turbulencijos. Oras stratosferoje yra labai sausas, todėl debesys yra reti. Susidaro vadinamieji perlamutriniai debesys.
Stratosfera labai svarbi gyvybei Žemėje, nes būtent šiame sluoksnyje didelis skaičius ozonas, kuris sugeria stiprią ultravioletinę spinduliuotę, kuri kenkia gyvybei. Sugerdamas ultravioletinę spinduliuotę, ozonas šildo stratosferą.
Stratosfera
Virš troposferos iki 50–55 km aukščio yra stratosfera, kuriai būdinga tai, kad temperatūra joje vidutiniškai didėja didėjant aukščiui. Pereinamasis sluoksnis tarp troposferos ir stratosferos (1-2 km storio) vadinamas tropopauze.
Aukščiau buvo pateikti duomenys apie temperatūrą ties viršutine troposferos riba. Šios temperatūros būdingos ir žemutinei stratosferai. Taigi oro temperatūra žemutinėje stratosferoje virš pusiaujo visada yra labai žema; Be to, vasarą jis yra daug žemiau nei virš stulpo.
Žemutinė stratosfera yra daugiau ar mažiau izoterminė. Tačiau, pradedant nuo maždaug 25 km aukščio, temperatūra stratosferoje greitai didėja didėjant aukščiui ir pasiekia didžiausias teigiamas vertes maždaug 50 km aukštyje (nuo +10 iki +30°). Dėl temperatūros padidėjimo didėjant aukščiui turbulencija stratosferoje yra maža.
Stratosferoje vandens garų yra nežymiai. Tačiau 20-25 km aukštyje didelėse platumose kartais stebimi labai ploni, vadinamieji perlamutriniai debesys. Dieną jų nesimato, bet naktį atrodo, kad jie švyti, nes žemiau horizonto juos apšviečia saulė. Šie debesys sudaryti iš peršalusių vandens lašelių. Stratosfera taip pat pasižymi tuo, kad joje daugiausia yra atmosferos ozono, kaip minėta aukščiau
Mezosfera
Virš stratosferos yra mezosferos sluoksnis, maždaug iki 80 km. Čia temperatūra nukrinta iki kelių dešimčių laipsnių žemiau nulio. Dėl greito temperatūros kritimo didėjant aukščiui, turbulencija labai išvystyta mezosferoje. Netoli mezosferos viršutinės ribos aukštyje (75-90 km) stebimi dar viena ypatinga debesų rūšis, kurią naktį taip pat apšviečia saulė, vadinamieji noktiliucentiniai. Jie greičiausiai sudaryti iš ledo kristalų.
Viršutinėje mezosferos riboje oro slėgis yra 200 kartų mažesnis nei žemės paviršiuje. Taigi troposferoje, stratosferoje ir mezosferoje kartu, iki 80 km aukščio, yra daugiau nei 99,5% visos atmosferos masės. Viršutiniai sluoksniai sudaro nedidelį oro kiekį
Maždaug 50 km aukštyje virš Žemės temperatūra vėl pradeda kristi, žymi viršutinę stratosferos ribą ir kito sluoksnio – mezosferos – pradžią. Mezosfera turi daugiausia šalta temperatūra atmosferoje: nuo -2 iki -138 laipsnių Celsijaus. Čia išsidėstę ir aukščiausi debesys: giedru oru juos galima pamatyti saulei leidžiantis. Jie vadinami noctilucent (šviečiantys naktį).
Termosfera
Viršutinė atmosferos dalis, esanti virš mezosferos, pasižymi labai aukšta temperatūra, todėl vadinama termosfera. Tačiau jame išskiriamos dvi dalys: jonosfera, besitęsianti nuo mezosferos iki tūkstančio kilometrų aukščio, ir virš jos esanti išorinė dalis – egzosfera, kuri virsta žemės vainiku.
Oras jonosferoje yra labai retas. Jau nurodėme, kad 300-750 km aukštyje ji vidutinis tankis apie 10-8-10-10 g/m3. Tačiau net ir esant tokiam mažam tankiui, kiekviename kubiniame oro centimetre 300 km aukštyje vis dar yra apie milijardą (109) molekulių ar atomų, o 600 km aukštyje – daugiau nei 10 milijonų (107). Tai keliomis eilėmis daugiau nei dujų kiekis tarpplanetinėje erdvėje.
Jonosfera, kaip sako pats pavadinimas, pasižymi labai stipriu oro jonizacijos laipsniu – jonų kiekis čia daug kartų didesnis nei apatiniuose sluoksniuose, nepaisant stipraus bendro oro retėjimo. Šie jonai daugiausia yra įkrauti deguonies atomai, įkrautos azoto oksido molekulės ir laisvieji elektronai. Jų kiekis 100-400 km aukštyje yra apie 1015-106 kubiniame centimetre.
Jonosferoje, ypač 100-120 km ir 200-400 km aukštyje, išskiriami keli sluoksniai arba regionai, turintys didžiausią jonizaciją. Tačiau net ir tarpuose tarp šių sluoksnių atmosferos jonizacijos laipsnis išlieka labai aukštas. Jonosferos sluoksnių padėtis ir jonų koncentracija juose nuolat kinta. Sporadinės ypač didelės koncentracijos elektronų rinkiniai vadinami elektronų debesimis.
Atmosferos elektrinis laidumas priklauso nuo jonizacijos laipsnio. Todėl jonosferoje oro elektrinis laidumas paprastai yra 1012 kartų didesnis nei žemės paviršiaus. Radijo bangos patiria absorbciją, refrakciją ir atspindį jonosferoje. Ilgesnės nei 20 m bangos išvis negali prasiskverbti pro jonosferą: jas atspindi mažos koncentracijos elektronų sluoksniai apatinėje jonosferos dalyje (70-80 km aukštyje). Vidutinės ir trumposios bangos atsispindi viršutiniuose jonosferos sluoksniuose.
Dėl atspindžio iš jonosferos įmanomas tolimojo susisiekimo ryšys trumpomis bangomis. Daugybiniai atspindžiai nuo jonosferos ir žemės paviršiaus leidžia trumpoms bangoms zigzago būdu nukeliauti didelius atstumus, lenkiant aplink Žemės rutulio paviršių. Kadangi jonosferos sluoksnių padėtis ir koncentracija nuolat kinta, kinta ir radijo bangų sugerties, atspindžio bei sklidimo sąlygos. Todėl norint užtikrinti patikimą radijo ryšį, būtina nuolat tirti jonosferos būklę. Radijo bangų sklidimo stebėjimai yra būtent tokių tyrimų priemonė.
Jonosferoje stebimos auroros ir į jas savo prigimtimi panašus naktinio dangaus švytėjimas - nuolatinė atmosferos oro liuminescencija, taip pat staigūs svyravimai. magnetinis laukas- jonosferinės magnetinės audros.
Jonizacija jonosferoje atsiranda dėl saulės ultravioletinės spinduliuotės poveikio. Jį absorbuojant atmosferos dujų molekulėms, susidaro įkrauti atomai ir laisvieji elektronai, kaip aptarta aukščiau. Magnetinio lauko svyravimai jonosferoje ir aurose priklauso nuo saulės aktyvumo svyravimų. Saulės aktyvumo pokyčiai yra susiję su korpuskulinės spinduliuotės, patenkančios iš Saulės į žemės atmosferą, srauto pokyčiais. Būtent korpuskulinė spinduliuotė šiems jonosferos reiškiniams yra ypač svarbi.
Temperatūra jonosferoje didėja didėjant aukščiui iki labai aukštų verčių. Maždaug 800 km aukštyje jis pasiekia 1000°.
Kai kalbame apie aukštą temperatūrą jonosferoje, turime omenyje, kad atmosferos dujų dalelės ten juda labai dideliu greičiu. Tačiau oro tankis jonosferoje yra toks mažas, kad jonosferoje esantis kūnas, pavyzdžiui, skraidantis palydovas, nebus šildomas dėl šilumos mainų su oru. Palydovo temperatūros režimas priklausys nuo jo tiesioginės saulės spinduliuotės sugerties ir nuo jo paties radiacijos išleidimo į aplinkinę erdvę. Termosfera yra virš mezosferos 90–500 km aukštyje virš Žemės paviršiaus. Dujų molekulės čia yra labai išsklaidytos ir sugeria rentgeno spindulius bei trumpabangius ultravioletinius spindulius. Dėl šios priežasties temperatūra gali siekti 1000 laipsnių Celsijaus.
Termosfera iš esmės atitinka jonosferą, kur jonizuotos dujos atspindi radijo bangas atgal į Žemę – reiškinys, dėl kurio galimas radijo ryšys.
Egzosfera
Virš 800-1000 km atmosfera pereina į egzosferą ir palaipsniui į tarpplanetinę erdvę. Dujų, ypač lengvųjų, dalelių judėjimo greičiai čia labai dideli, o dėl itin retėjančio oro šiuose aukščiuose dalelės gali skrieti aplink Žemę elipsinėmis orbitomis nesusidurdamos viena su kita. Atskiros dalelės gali turėti pakankamai greitį, kad įveiktų gravitaciją. Neįkrautoms dalelėms kritinis greitis bus 11,2 km/sek. Tokios ypač greitos dalelės, judėdamos hiperbolinėmis trajektorijomis, gali išskristi iš atmosferos į kosmosą, „pabėgti“ ir išsisklaidyti. Todėl egzosfera dar vadinama sklaidos sfera.
Dažniausiai pabėga vandenilio atomai, kurie yra dominuojančios dujos aukščiausiuose egzosferos sluoksniuose.
Neseniai buvo manoma, kad egzosfera, o kartu ir Žemės atmosfera apskritai, baigiasi maždaug 2000–3000 km aukštyje. Tačiau iš raketų ir palydovų stebėjimų paaiškėjo, kad iš egzosferos ištrūkęs vandenilis aplink Žemę sudaro vadinamąją Žemės vainiką, besitęsiančią daugiau nei 20 000 km. Žinoma, dujų tankis žemės karūnoje yra nereikšmingas. Kiekviename kubiniame centimetre vidutiniškai yra tik apie tūkstantis dalelių. Tačiau tarpplanetinėje erdvėje dalelių (daugiausia protonų ir elektronų) koncentracija yra bent dešimt kartų mažesnė.
Palydovų ir geofizinių raketų pagalba viršutinėje atmosferos dalyje ir artimoje žemei erdvėje egzistuoja Žemės radiacinė juosta, prasidedanti kelių šimtų kilometrų aukštyje ir besitęsianti dešimtis tūkstančių kilometrų nuo žemės paviršiaus, buvo įsteigta. Šis diržas susideda iš elektra įkrautų dalelių – protonų ir elektronų, užfiksuotų Žemės magnetinio lauko ir judančių labai dideliu greičiu. Jų energija siekia šimtus tūkstančių elektronų voltų. Radiacinė juosta nuolat praranda daleles žemės atmosferoje ir pasipildo saulės korpuso spinduliuotės srautais.
atmosferos temperatūra stratosfera troposfera
Atmosfera
Atmosfera yra dujinis apvalkalas, supantis Žemę. Ją laiko Žemės traukos jėga, kurios įtakoje didžioji dalis dujų susikaupia virš žemės paviršiaus – žemiausiame atmosferos sluoksnyje – troposferoje.
Mes gyvename žemiausiame atmosferos sluoksnyje. Lėktuvai skrenda sluoksniu, vadinamu atmosfera. Tokie reiškiniai kaip auroros šiauriniame ir pietiniame pusrutulyje vyksta termosferoje. Viršuje yra erdvė.
Atmosferos sluoksniai
Kiek sluoksnių yra atmosferoje?
Yra penki pagrindiniai atmosferos sluoksniai. Žemiausias sluoksnis yra troposfera, esanti 18 km aukštyje nuo žemės paviršiaus. Kitas sluoksnis yra stratosfera, kuri tęsiasi iki 50 km aukščio, o aukščiau yra mezosfera, apie 80 km virš žemės. Viršutinis sluoksnis vadinamas termosfera. Kuo aukščiau kylate, tuo mažiau tankėja atmosfera; virš 1000 km žemės atmosfera beveik išnyksta, o egzosfera (labai retas penktasis sluoksnis) pereina į beorę erdvę.
Kaip atmosfera mus saugo?
Stratosferoje yra ozono sluoksnis (trijų deguonies atomų junginys), kuris sudaro apsauginį skydą, kuris blokuoja didžiąją dalį kenksmingos ultravioletinės spinduliuotės. Atmosferos pakraštyje yra dvi radiacijos zonos, žinomos kaip Van Alleno juostos, kurios taip pat veikia kaip skydas, atspindintis kosminius spindulius.
Kodėl dangus mėlynos spalvos?
Saulės šviesa prasiskverbia per atmosferą ir yra išsklaidyta atsispindėdamas nuo mažų dulkių ir vandens garų dalelių ore. Taip baltoji saulės šviesa skirstoma į spektrines dalis – vaivorykštės spalvas.Mėlyni spinduliai sklaidosi greičiau nei kiti. Dėl to saulės spektre matome daugiau mėlynos nei bet kurios kitos spalvos, todėl dangus atrodo mėlynas.
Debesys nuolat keičia formą. To priežastis – vėjas. Vieni pakyla didžiulėmis masėmis, kiti primena šviesias plunksnas. Kartais virš mūsų dangų visiškai uždengia debesys.
Atmosfera yra Žemę supantis dujų apvalkalas. Atmosfera turi „daugiaaukštę“ struktūrą ir yra padalinta į tokius sluoksnius kaip troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera ir egzosfera. Sausų atmosferos likučių sudėtis visame jos storyje yra beveik vienoda. Tačiau skiriasi jo tankis ir temperatūra, o apatiniame sluoksnyje (troposferoje) padidėja vandens, kietųjų dalelių ir anglies dioksido kiekis virš dirvožemio. Troposfera apima apie 80% visos atmosferos masės.
Pagrindiniai atmosferos komponentai yra azotas (daugiau nei 78%) ir deguonis (daugiau nei 20%), taip pat nemažai kitų dujų (iki 1%) – argonas, neonas, anglies dioksidas, metanas, helis, vandenilis. , kriptonas, ksenonas, azoto oksidas, ozonas, sieros dioksidas. Yra keletas dujų atmosferos oras nedideliais kiekiais.
Dujų sudėtis
Azoto atmosferoje yra daug didesnė koncentracija (78%) nei kitose dujose. Maždaug prieš tris milijonus metų dėl žalių augalų atsiradimo ir atitinkamai fotosintezės į atmosferą pradėjo išsiskirti dideli deguonies kiekiai. Kai amoniako-vandenilio atmosferą oksidavo molekulinis deguonis, atsirado didžiulis azoto kiekis. Šiuo metu šios dujos į atmosferą patenka mikroorganizmų gyvavimo metu, nes šis cheminis elementas yra neatsiejama augalinės ir gyvūninės kilmės baltymų dalis. Atmosferos oras praturtinamas azotu nitratų ir kai kurių azoto turinčių junginių denitrifikacijos metu. Viršutiniuose atmosferos sluoksniuose azotas oksiduojamas ozonu į azoto oksidą. Laisvas azotas į chemines reakcijas patenka tik specialios sąlygos, pavyzdžiui, žaibo smūgio metu. Azotas dalyvauja natūraliame medžiagų cikle ir reguliuoja molekulinio deguonies koncentraciją atmosferoje, užkertant kelią per dideliam jo kaupimuisi.
Deguonis, po azoto, užima antrąją vietą procentais pagal tūrį atmosferos ore (20,85%). Dramatiški atmosferos sudėties pokyčiai įvyko po to, kai Žemėje pasirodė gyvi organizmai, ypač augalai, kurie dėl fotosintezės praturtina orą deguonimi ir sugeria anglies dioksidą. Įjungta pradiniai etapai Vystantis Žemės atmosferai, išsiskyręs deguonis buvo panaudotas amoniako, angliavandenilių ir geležies oksidacijai. Pasibaigus šiam laikotarpiui, deguonies kiekis ore palaipsniui didėjo. Senovės planetos atmosfera pradėjo įgyti šiuolaikinei būdingų bruožų. Oksidacinių savybių įgijimas atmosferoje lėmė pokyčių atsiradimą litosferoje ir biosferoje. Atmosferoje esantis deguonis yra būtinas gyviems organizmams svarbiems procesams, tokiems kaip kvėpavimas, skilimas ir degimas, vykti. Taigi be šio cheminio elemento gyvenimas neįmanomas. Šiuo metu beveik visas laisvas deguonis patenka į atmosferą dėl fotosintezės augalų ląstelėse.
Svarbus oro komponentas yra anglies dioksidas, kurio atmosferoje yra nedideliais kiekiais (0,03%). Jo koncentracija priklauso nuo ugnikalnių aktyvumo, cheminių procesų Žemės apvalkaluose ( mineralinių šaltinių, dirvožemiai, puvimo produktai). Taip pat dideli kiekiai anglies dioksido patenka į atmosferą iš pramonės įmonės. Tačiau didžioji šio junginio dalis patenka į atmosferą dėl biosintezės ir organinių medžiagų skilimo mūsų planetos biosferoje. Anglies dioksidas laikomas Žemės šildytuvu, nes jis gerai perduoda saulės spinduliuotę planetos paviršiui ir sulaiko iš jo skleidžiamą šilumą.
Kitų dujų kiekis atmosferoje yra nereikšmingas. Tauriosios dujos, tokios kaip neonas, argonas, ksenonas, patenka į atmosferą dėl ugnikalnių išsiveržimų ir kai kurių radioaktyvių elementų irimo. Mokslininkai mano, kad žemės atmosferoje toks mažas kiekis tauriųjų dujų yra dėl nuolatinio jų sklaidos kosmose.
Garai ir dalelės
Be dujų, atmosferos ore yra vandens garų ir kietų dalelių aerozolio pavidalu. Vandens garų koncentracija ore didėja dėl vandens garavimo nuo Žemės paviršiaus. Jo turinys įvairiose srityse skiriasi, taip pat gali keistis ištisus metus. Iš vandens garų susidaro krituliai ir debesys. Dėl vandens garų atmosfera sulaiko apie 60% žemės paviršiaus šilumos.
Atmosferos ore esančios kietosios dalelės – tai kosminės ir vulkaninės kilmės dulkės, druskų kristalai, dūmai, mikroorganizmai, augalų organizmų žiedadulkės ir kt. Kietųjų dalelių suspensijos sumažina saulės spinduliuotę, pasiekiančią Žemės paviršių, taip pat pagreitina vandens garų kondensaciją ir debesų susidarymą.
Susijusios medžiagos:
ATMOSFERA
dujinis apvalkalas, supantis dangaus kūną. Jo charakteristikos priklauso nuo konkretaus dangaus kūno dydžio, masės, temperatūros, sukimosi greičio ir cheminės sudėties, taip pat jas lemia jo formavimosi istorija nuo jo atsiradimo momento. Žemės atmosferą sudaro dujų mišinys, vadinamas oru. Pagrindiniai jo komponentai yra azotas ir deguonis santykiu maždaug 4:1. Žmogų daugiausia veikia atmosferos žemutinės 15–25 km būklės, nes būtent šiame apatiniame sluoksnyje koncentruojasi didžioji dalis oro. Mokslas, tiriantis atmosferą, vadinamas meteorologija, nors šio mokslo tema taip pat yra oras ir jo poveikis žmogui. Keičiasi ir viršutinių atmosferos sluoksnių, esančių 60–300 ir net 1000 km aukštyje nuo Žemės paviršiaus, būklė. Čia kyla stiprūs vėjai, audros, atsiranda nuostabūs elektros reiškiniai, tokie kaip pašvaistė. Daugelis išvardintų reiškinių yra susiję su saulės spindulių srautu, kosmine spinduliuote, Žemės magnetiniu lauku. Aukšti atmosferos sluoksniai taip pat yra cheminė laboratorija, nes ten, esant artimoms vakuumui, kai kurios atmosferos dujos, veikiamos galingo saulės energijos srauto, patenka į chemines reakcijas. Mokslas, tiriantis šiuos tarpusavyje susijusius reiškinius ir procesus, vadinamas aukštos atmosferos fizika.
BENDROSIOS ŽEMĖS ATMOSFEROS CHARAKTERISTIKOS
Matmenys. Kol zonduojančios raketos ir dirbtiniai palydovai tyrinėjo išorinius atmosferos sluoksnius kelis kartus didesniais nei Žemės spindulys, buvo manoma, kad tolstant nuo žemės paviršiaus atmosfera palaipsniui retėja ir sklandžiai pereina į tarpplanetinę erdvę. . Dabar nustatyta, kad energijos srautai iš gilių Saulės sluoksnių prasiskverbia į kosmosą toli už Žemės orbitos, iki pat išorinių Saulės sistemos ribų. Šis vadinamasis Saulės vėjas teka aplink Žemės magnetinį lauką, sudarydamas pailgą „ertmę“, kurioje koncentruojasi Žemės atmosfera. Žemės magnetinis laukas yra pastebimai susiaurėjęs dienos pusėje, nukreiptoje į Saulę, ir sudaro ilgą liežuvį, tikriausiai tęsiasi už Mėnulio orbitos, priešingoje, naktinėje. Žemės magnetinio lauko riba vadinama magnetopauze. Dienos pusėje ši riba eina maždaug septynių Žemės spindulių atstumu nuo paviršiaus, tačiau padidėjusio Saulės aktyvumo laikotarpiais pasirodo esanti dar arčiau Žemės paviršiaus. Magnetopauzė yra ir Žemės atmosferos riba, kurios išorinis apvalkalas dar vadinamas magnetosfera, nes joje susitelkusios įkrautos dalelės (jonai), kurių judėjimą lemia Žemės magnetinis laukas. Bendra atmosferos dujų masė yra apie 4,5 * 1015 tonų, taigi atmosferos „svoris“ ploto vienetui, arba atmosferos slėgis, jūros lygyje yra apie 11 tonų/m2.
Prasmė gyvenimui. Iš to, kas išdėstyta aukščiau, išplaukia, kad Žemė yra atskirta nuo tarpplanetinės erdvės galingu apsauginiu sluoksniu. Kosmosas yra persmelktas galingos ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės iš Saulės ir dar stipresnės kosminės spinduliuotės, o šios spinduliuotės rūšys naikina visas gyvas būtybes. Išoriniame atmosferos pakraštyje spinduliuotės intensyvumas yra mirtinas, tačiau didelę jos dalį sulaiko toli nuo Žemės paviršiaus esanti atmosfera. Šios spinduliuotės sugertis paaiškina daugelį aukštųjų atmosferos sluoksnių savybių ir ypač ten vykstančius elektros reiškinius. Žemiausias, žemėje esantis atmosferos sluoksnis ypač svarbus žmonėms, gyvenantiems kietojo, skysto ir dujinio Žemės apvalkalo sąlyčio taške. Viršutinis "kietos" Žemės apvalkalas vadinamas litosfera. Apie 72% Žemės paviršiaus dengia vandenynų vandenys, kurie sudaro didžiąją hidrosferos dalį. Atmosfera ribojasi ir su litosfera, ir su hidrosfera. Žmogus gyvena oro vandenyno dugne ir šalia arba virš vandens vandenyno lygio. Šių vandenynų sąveika yra viena iš svarbius veiksnius, nustatantis atmosferos būklę.
Junginys. Apatiniai atmosferos sluoksniai susideda iš dujų mišinio (žr. lentelę). Be išvardytų lentelėje, mažų priemaišų pavidalu ore yra ir kitų dujų: ozono, metano, tokių medžiagų kaip anglies monoksidas (CO), azoto ir sieros oksidai, amoniakas.
ATMOSFEROS SUDĖTIS
Aukštuosiuose atmosferos sluoksniuose oro sudėtis keičiasi veikiant kietai saulės spinduliuotei, dėl kurios deguonies molekulės suskaidomos į atomus. Atominis deguonis yra pagrindinis aukštųjų atmosferos sluoksnių komponentas. Galiausiai labiausiai nuo Žemės paviršiaus nutolusiuose atmosferos sluoksniuose pagrindiniai komponentai yra lengviausios dujos – vandenilis ir helis. Kadangi didžioji medžiagos dalis yra sutelkta žemesniuose 30 km aukštyje, oro sudėties pokyčiai didesniame nei 100 km aukštyje neturi pastebimo poveikio bendrai atmosferos sudėčiai.
Energijos mainai. Saulė yra pagrindinis Žemei tiekiamos energijos šaltinis. Maždaug atstumu. 150 milijonų km atstumu nuo Saulės Žemė gauna maždaug vieną du milijardus jos skleidžiamos energijos, daugiausia matomoje spektro dalyje, kurią žmonės vadina „šviesa“. Didžiąją šios energijos dalį sugeria atmosfera ir litosfera. Žemė taip pat skleidžia energiją, daugiausia ilgųjų bangų infraraudonųjų spindulių pavidalu. Tokiu būdu nustatoma pusiausvyra tarp iš Saulės gaunamos energijos, Žemės ir atmosferos įkaitimo bei atvirkštinio šiluminės energijos srauto, išleidžiamo į erdvę. Šios pusiausvyros mechanizmas yra labai sudėtingas. Dulkių ir dujų molekulės išsklaido šviesą, iš dalies atspindėdamos ją į kosmosą. Dar daugiau gaunamos spinduliuotės atspindi debesys. Dalį energijos tiesiogiai sugeria dujų molekulės, bet daugiausia uolienos, augmenija ir paviršinis vanduo. Atmosferoje esantys vandens garai ir anglies dioksidas perduoda matomą spinduliuotę, bet sugeria infraraudonąją spinduliuotę. Šiluminė energija daugiausia kaupiasi apatiniuose atmosferos sluoksniuose. Panašus efektas atsiranda ir šiltnamyje, kai į stiklą patenka šviesa, o dirva įkaista. Kadangi stiklas yra palyginti nepermatomas infraraudoniesiems spinduliams, šiltnamyje kaupiasi šiluma. Žemutinio atmosferos sluoksnio įkaitimas dėl vandens garų ir anglies dioksido buvimo dažnai vadinamas šiltnamio efektu. Debesuotumas vaidina svarbų vaidmenį palaikant šilumą apatiniuose atmosferos sluoksniuose. Jei debesys praskaidrėja arba oras tampa skaidresnis, temperatūra neišvengiamai nukrenta, nes Žemės paviršius laisvai spinduliuoja šilumos energiją į aplinkinę erdvę. Vanduo Žemės paviršiuje sugeria saulės energiją ir išgaruoja, virsdamas dujomis – vandens garais, kurie perneša didžiulį energijos kiekį į apatinius atmosferos sluoksnius. Kai vandens garai kondensuojasi ir susidaro debesys arba rūkas, ši energija išsiskiria kaip šiluma. Maždaug pusė saulės energijos, pasiekiančios žemės paviršių, sunaudojama vandens išgaravimui ir patenka į apatinius atmosferos sluoksnius. Taigi dėl šiltnamio efekto ir vandens garavimo atmosfera įšyla iš apačios. Tai iš dalies paaiškina didelį jo cirkuliacijos aktyvumą, palyginti su Pasaulio vandenyno cirkuliacija, kuri šildoma tik iš viršaus ir todėl yra daug stabilesnė už atmosferą.
Taip pat žr. METEOROLOGIJA IR KLIMATOLOGIJA. Be bendro atmosferos šildymo saulės spinduliais, kai kurie jos sluoksniai žymiai įkaista dėl ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės iš Saulės. Struktūra. Palyginti su skysčiais ir kietosiomis medžiagomis, dujinėse medžiagose traukos jėga tarp molekulių yra minimali. Didėjant atstumui tarp molekulių, dujos gali neribotai plėstis, jei niekas joms netrukdo. Apatinė atmosferos riba yra Žemės paviršius. Griežtai kalbant, ši kliūtis yra nepraeinama, nes dujų mainai vyksta tarp oro ir vandens ir netgi tarp oro ir uolienų, tačiau tokiu atvejušių veiksnių galima nepaisyti. Kadangi atmosfera yra sferinis apvalkalas, ji neturi šoninių ribų, o tik apatinę ir viršutinę (išorinę) ribą, atvirą iš tarpplanetinės erdvės pusės. Per išorinė siena Yra kai kurių neutralių dujų nuotėkis, taip pat medžiaga patenka iš aplinkinės erdvės. Daugumą įkrautų dalelių, išskyrus didelės energijos kosminius spindulius, magnetosfera sugauna arba atstumia. Atmosferą veikia ir gravitacijos jėga, kuri laiko oro apvalkalą Žemės paviršiuje. Atmosferos dujos suspaudžiamos pagal savo svorį. Šis suspaudimas didžiausias ties apatine atmosferos riba, todėl čia ir oro tankis didžiausias. Bet kuriame aukštyje virš žemės paviršiaus oro suspaudimo laipsnis priklauso nuo viršutinio oro stulpelio masės, todėl, didėjant aukščiui, oro tankis mažėja. Slėgis, lygus viršutinio oro stulpelio masei ploto vienetui, tiesiogiai priklauso nuo tankio, todėl didėjant aukščiui mažėja. Jei atmosfera būtų „idealios dujos“, kurios pastovi sudėtis, nepriklausoma nuo aukščio, pastovi temperatūra ir nuolatinė gravitacijos jėga, veikianti ją, slėgis sumažėtų 10 kartų kas 20 km aukščio. Tikroji atmosfera šiek tiek skiriasi nuo idealių dujų iki maždaug 100 km aukščio, o tada slėgis mažėja lėčiau didėjant aukščiui, keičiantis oro sudėčiai. Nedideli pakeitimai Aprašytas modelis taip pat apima gravitacijos jėgos sumažėjimą, esant atstumui nuo Žemės centro, kuris yra maždaug. 3% už kiekvieną 100 km aukščio. Skirtingai nuo atmosferos slėgio, temperatūra nemažėja didėjant aukščiui. Kaip parodyta pav. 1, jis sumažėja iki maždaug 10 km aukščio, o tada vėl pradeda didėti. Tai atsitinka, kai ultravioletinę saulės spinduliuotę sugeria deguonis. Taip susidaro ozono dujos, kurių molekulės susideda iš trijų deguonies atomų (O3). Jis taip pat sugeria ultravioletinę spinduliuotę, todėl šis atmosferos sluoksnis, vadinamas ozonosfera, įšyla. Aukštyn temperatūra vėl nukrenta, nes ten daug mažiau dujų molekulių ir atitinkamai sumažėja energijos sugertis. Dar aukštesniuose sluoksniuose temperatūra vėl pakyla, nes atmosfera sugeria trumpiausio bangos ilgio ultravioletinius ir rentgeno spindulius iš Saulės. Šios galingos spinduliuotės įtakoje vyksta atmosferos jonizacija, t.y. dujų molekulė praranda elektroną ir įgyja teigiamą elektros krūvį. Tokios molekulės tampa teigiamai įkrautais jonais. Dėl laisvųjų elektronų ir jonų buvimo šis atmosferos sluoksnis įgauna elektros laidininko savybes. Manoma, kad temperatūra ir toliau kyla iki aukštumų, kai plona atmosfera pereina į tarpplanetinę erdvę. Kelių tūkstančių kilometrų atstumu nuo Žemės paviršiaus greičiausiai vyraus nuo 5000° iki 10000° C. Nors molekulės ir atomai turi labai didelį judėjimo greitį, taigi ir aukštą temperatūrą, šios išretintos dujos nėra „karšta“ įprasta prasme . Dėl nedidelio molekulių skaičiaus dideliame aukštyje jų bendra šiluminė energija yra labai maža. Taigi atmosfera susideda iš atskirų sluoksnių (t.y. eilės koncentrinių apvalkalų arba sferų), kurių atskyrimas priklauso nuo to, kuri savybė labiausiai domina. Remdamiesi vidutinės temperatūros pasiskirstymu, meteorologai parengė idealios „vidutinės atmosferos“ sandaros diagramą (žr. 1 pav.).
Troposfera yra apatinis atmosferos sluoksnis, besitęsiantis iki pirmojo šiluminio minimumo (vadinamosios tropopauzės). Viršutinė troposferos riba priklauso nuo geografinė platuma(tropikuose – 18-20 km, vidutinio klimato platumose – apie 10 km) ir metų laiku. JAV nacionalinė orų tarnyba atliko zondavimą netoli Pietų ašigalio ir atskleidė sezoninius tropopauzės aukščio pokyčius. Kovo mėnesį tropopauzė yra maždaug 1000 m aukštyje. 7,5 km. Nuo kovo iki rugpjūčio arba rugsėjo mėnesio troposfera nuolat vėsta, o jos riba trumpam rugpjūčio arba rugsėjo mėn. pakyla į maždaug 11,5 km aukštį. Tada nuo rugsėjo iki gruodžio sparčiai mažėja ir pasiekia žemiausią padėtį – 7,5 km, kur išlieka iki kovo mėnesio, svyruodamas vos 0,5 km ribose. Būtent troposferoje daugiausia susidaro oras, kuris lemia žmogaus egzistavimo sąlygas. Didžioji dalis atmosferos vandens garų yra susitelkę troposferoje, čia pirmiausia susidaro debesys, nors dalis, sudaryta iš ledo kristalų, yra aukštesniuose sluoksniuose. Troposferai būdinga turbulencija ir galingos oro srovės (vėjai) ir audros. Viršutinėje troposferoje yra stiprios oro srovės griežtai apibrėžta kryptimi. Turbulentiniai sūkuriai, panašūs į mažus sūkurius, susidaro veikiami trinties ir dinaminės sąveikos tarp lėtai ir greitai judančių oro masių. Kadangi tokiuose aukštuose lygiuose paprastai nėra debesų dangos, ši turbulencija vadinama „grynaus oro turbulencija“.
Stratosfera. Viršutinis atmosferos sluoksnis dažnai klaidingai apibūdinamas kaip santykinai pastovios temperatūros sluoksnis, kuriame vėjai pučia daugiau ar mažiau pastoviai, o meteorologiniai elementai mažai kinta. Viršutiniai stratosferos sluoksniai įkaista, kai deguonis ir ozonas sugeria ultravioletinę saulės spinduliuotę. Viršutinė stratosferos riba (stratopauzė) yra ta vieta, kur temperatūra šiek tiek pakyla ir pasiekia tarpinį maksimumą, kuris dažnai panašus į paviršinio oro sluoksnio temperatūrą. Remiantis stebėjimais, atliktais naudojant lėktuvus ir oro balionus, skirtus skristi pastoviame aukštyje, stratosferoje buvo nustatyti neramūs trikdžiai ir stiprūs vėjai, pučiantys skirtingomis kryptimis. Kaip ir troposferoje, čia yra galingų oro sūkurių, kurie ypač pavojingi greitaeigiams lėktuvams. Stiprūs vėjai, vadinamos reaktyviniais srautais, pučia siaurose zonose palei vidutinio klimato platumų ribas, nukreiptas į ašigalius. Tačiau šios zonos gali pasislinkti, išnykti ir vėl atsirasti. Reaktyviniai srautai paprastai prasiskverbia per tropopauzę ir atsiranda viršutinėje troposferos dalyje, tačiau jų greitis greitai mažėja mažėjant aukščiui. Gali būti, kad dalis energijos, patenkančios į stratosferą (daugiausia sunaudojama ozono susidarymui), veikia procesus troposferoje. Ypač aktyvus maišymasis siejamas su atmosferos frontais, kur dideli stratosferos oro srautai buvo užfiksuoti gerokai žemiau tropopauzės, o troposferos oras buvo įtrauktas į apatinius stratosferos sluoksnius. Tyrimo metu padaryta didelė pažanga vertikali konstrukcija žemesni atmosferos sluoksniai, nes patobulinta radiozondų paleidimo į 25-30 km aukštį technologija. Mezosfera, esanti virš stratosferos, yra apvalkalas, kuriame iki 80–85 km aukščio temperatūra nukrenta iki minimalių visos atmosferos verčių. Rekordiškai žema –110°C temperatūra buvo užfiksuota orų raketomis, paleistos iš JAV ir Kanados instaliacijos Fort Čerčilyje (Kanada). Viršutinė mezosferos riba (mezopauzė) maždaug sutampa su apatine rentgeno ir trumpųjų bangų ultravioletinių saulės spindulių aktyvios absorbcijos srities riba, kurią lydi dujų kaitinimas ir jonizacija. Poliariniuose regionuose debesų sistemos dažnai atsiranda mezopauzės metu vasarą, užimančios didelį plotą, bet mažai besivystančios vertikaliai. Tokie naktį švytintys debesys dažnai atskleidžia didelio masto bangas primenančius oro judėjimus mezosferoje. Šių debesų sudėtis, drėgmės ir kondensacijos branduolių šaltiniai, dinamika ir ryšiai su meteorologiniais veiksniais dar nėra pakankamai ištirti. Termosfera yra atmosferos sluoksnis, kuriame temperatūra nuolat kyla. Jo galia gali siekti 600 km. Slėgis ir, atitinkamai, dujų tankis nuolat mažėja didėjant aukščiui. Netoli žemės paviršiaus 1 m3 oro yra maždaug. 2,5 x 1025 molekulės, maždaug aukštyje. 100 km, apatiniuose termosferos sluoksniuose - maždaug 1019, 200 km aukštyje, jonosferoje - 5 * 10 15 ir, remiantis skaičiavimais, maždaug aukštyje. 850 km – maždaug 1012 molekulių. Tarpplanetinėje erdvėje molekulių koncentracija yra 10 8-10 9 1 m3. Maždaug aukštyje virš jūros lygio. 100 km molekulių skaičius yra mažas ir jos retai susiduria viena su kita. Vidutinis atstumas, kurį chaotiškai judanti molekulė nukeliauja prieš susidurdama su kita panašia molekule, vadinamas jos vidutiniu laisvu keliu. Sluoksnis, kuriame ši vertė padidėja tiek, kad galima nepaisyti tarpmolekulinių ar tarpatominių susidūrimų tikimybės, yra ant ribos tarp termosferos ir viršutinio apvalkalo (egzosferos) ir vadinamas termopauze. Termopauzė yra maždaug 650 km atstumu nuo žemės paviršiaus. Tam tikroje temperatūroje molekulės greitis priklauso nuo jos masės: lengvesnės molekulės juda greičiau nei sunkesnės. Žemutinėje atmosferoje, kur laisvas kelias yra labai trumpas, nėra pastebimo dujų atsiskyrimo pagal jų molekulinę masę, tačiau jis išreiškiamas virš 100 km. Be to, veikiamos Saulės ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės, deguonies molekulės suyra į atomus, kurių masė yra pusė molekulės masės. Todėl, tolstant nuo Žemės paviršiaus, atominis deguonis tampa vis svarbesnis atmosferos sudėtyje ir maždaug aukštyje virš jūros lygio. 200 km tampa pagrindine jo dalimi. Aukščiau, maždaug 1200 km atstumu nuo Žemės paviršiaus, vyrauja lengvosios dujos – helis ir vandenilis. Iš jų susideda išorinis atmosferos apvalkalas. Šis atskyrimas pagal svorį, vadinamas difuziniu stratifikavimu, panašus į mišinių atskyrimą naudojant centrifugą. Egzosfera yra išorinis atmosferos sluoksnis, susidarantis dėl temperatūros pokyčių ir neutralių dujų savybių. Molekulės ir atomai egzosferoje sukasi aplink Žemę balistinėmis orbitomis, veikiamos gravitacijos. Kai kurios iš šių orbitų yra parabolinės ir primena sviedinių trajektorijas. Molekulės gali suktis aplink Žemę ir elipsinėmis orbitomis, kaip palydovai. Kai kurios molekulės, daugiausia vandenilio ir helio, turi atviras trajektorijas ir patenka į kosmosą (2 pav.).
SAULĖS IR ŽEMĖS RYŠYS IR JŲ ĮTAKA ATMOSFERAI
Atmosferos potvyniai. Saulės ir Mėnulio trauka sukelia potvynius atmosferoje, panašius į žemės ir jūros potvynius. Tačiau atmosferos potvyniai turi reikšmingą skirtumą: atmosfera stipriausiai reaguoja į saulės trauką, o Žemės pluta o vandenynas – traukiant Mėnulį. Tai paaiškinama tuo, kad atmosferą šildo Saulė ir, be gravitacinio, atsiranda galingas šiluminis potvynis. Apskritai atmosferos ir jūros potvynių susidarymo mechanizmai yra panašūs, išskyrus tai, kad norint prognozuoti oro reakciją į gravitacinius ir šiluminius poveikius, būtina atsižvelgti į jo gniuždomumą ir temperatūros pasiskirstymą. Nėra visiškai aišku, kodėl pusiau paros (12 valandų) saulės potvyniai atmosferoje vyrauja prieš kasdienius saulės ir pusiau paros mėnulio potvynius, nors varomosios jėgos Paskutiniai du procesai yra daug galingesni. Anksčiau buvo manoma, kad atmosferoje atsiranda rezonansas, kuris sustiprina svyravimus 12 valandų laikotarpiu. Tačiau stebėjimai, atlikti naudojant geofizines raketas, rodo, kad tokio rezonanso temperatūros priežasčių nėra. Sprendžiant šią problemą, ko gero, reikia atsižvelgti į visas hidrodinamines ir šilumines atmosferos ypatybes. Žemės paviršiuje prie pusiaujo, kur potvynio svyravimų įtaka yra didžiausia, atmosferos slėgio pokytis yra 0,1%. Potvynio vėjo greitis yra apytiksliai. 0,3 km/val. Dėl sudėtingos šiluminės atmosferos struktūros (ypač esant minimaliai temperatūrai mezopauzėje) potvynių ir atoslūgių oro srovės sustiprėja, o, pavyzdžiui, 70 km aukštyje jų greitis yra maždaug 160 kartų didesnis nei atmosferos. žemės paviršiaus, o tai turi svarbių geofizinių pasekmių. Manoma, kad apatinėje jonosferos dalyje (E sluoksnyje) potvynio svyravimai jonizuotas dujas perkelia vertikaliai Žemės magnetiniame lauke, todėl čia kyla elektros srovės. Šios nuolat atsirandančios srovių sistemos Žemės paviršiuje susidaro dėl magnetinio lauko trikdžių. Kasdieniai magnetinio lauko svyravimai gana gerai sutampa su apskaičiuotomis vertėmis, o tai įtikina „atmosferos dinamo“ potvynių mechanizmų teorijos naudai. Apatinėje jonosferos dalyje (E sluoksnyje) susidarančios elektros srovės turi kažkur nukeliauti, todėl grandinė turi būti užbaigta. Analogija su dinamo tampa visiška, jei artėjantį judėjimą laikysime variklio darbu. Daroma prielaida, kad atvirkštinė elektros srovės cirkuliacija vyksta aukštesniame jonosferos sluoksnyje (F), ir šis priešinis srautas gali paaiškinti kai kurias šio sluoksnio ypatybes. Galiausiai potvynių ir atoslūgių poveikis taip pat turėtų sukelti horizontalius srautus E sluoksnyje, taigi ir F sluoksnyje.
Jonosfera. Bandydami paaiškinti aurorų atsiradimo mechanizmą, mokslininkai XIX a. pasiūlė, kad atmosferoje yra zona su elektra įkrautomis dalelėmis. XX amžiuje eksperimentiškai buvo gauti įtikinami įrodymai, kad 85–400 km aukštyje egzistuoja radijo bangas atspindintis sluoksnis. Dabar žinoma, kad jo elektrinės savybės yra atmosferos dujų jonizacijos rezultatas. Todėl šis sluoksnis paprastai vadinamas jonosfera. Poveikis radijo bangoms atsiranda daugiausia dėl to, kad jonosferoje yra laisvųjų elektronų, nors radijo bangų sklidimo mechanizmas yra susijęs su didelių jonų buvimu. Pastarieji domisi ir studijuojant cheminės savybės atmosferoje, nes jie yra aktyvesni už neutralius atomus ir molekules. Cheminės reakcijos, vykstančios jonosferoje, vaidina svarbų vaidmenį jos energijos ir elektros balanse.
Normali jonosfera. Stebėjimai, atlikti naudojant geofizines raketas ir palydovus, suteikė daug naujos informacijos, rodančios, kad atmosfera jonizuojasi veikiant saulės spinduliuotei. Platus pasirinkimas. Pagrindinė jo dalis (daugiau nei 90%) yra sutelkta matomoje spektro dalyje. Ultravioletinė radiacija Trumpesnio bangos ilgio ir didesnės energijos nei violetinės šviesos spinduliai, jį skleidžia vandenilis vidinėje Saulės atmosferos dalyje (chromosferoje), o rentgeno spindulius, kurių energija dar didesnė, skleidžia dujos, esančios išoriniame saulės sluoksnyje. Saulė (korona). Normali (vidutinė) jonosferos būklė yra dėl nuolatinės galingos spinduliuotės. Įprastoje jonosferoje vyksta reguliarūs pokyčiai dėl kasdieninio Žemės sukimosi ir sezoninių saulės spindulių kritimo kampo skirtumų vidurdienį, tačiau pasitaiko ir nenuspėjamų bei staigių jonosferos būklės pokyčių.
Sutrikimai jonosferoje. Kaip žinoma, Saulėje vyksta galingi cikliškai pasikartojantys trikdžiai, kurie maksimumą pasiekia kas 11 metų. Stebėjimai pagal Tarptautinių geofizinių metų (IGY) programą sutapo su didžiausio Saulės aktyvumo laikotarpiu per visą sisteminių meteorologinių stebėjimų laikotarpį, t.y. nuo XVIII amžiaus pradžios. Didelio aktyvumo laikotarpiais kai kurių Saulės sričių šviesumas padidėja kelis kartus, jos siunčia galingus ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės impulsus. Tokie reiškiniai vadinami saulės blyksniais. Jie trunka nuo kelių minučių iki vienos iki dviejų valandų. Blyksnio metu išsiveržia saulės dujos (daugiausia protonai ir elektronai), ir elementariosios dalelės skubėti į kosmosą. Elektromagnetinė ir korpuskulinė Saulės spinduliuotė tokių blyksnių metu stipriai veikia Žemės atmosferą. Pradinė reakcija stebima praėjus 8 minutėms po pliūpsnio, kai Žemę pasiekia intensyvi ultravioletinė ir rentgeno spinduliuotė. Dėl to jonizacija smarkiai padidėja; Rentgeno spinduliai prasiskverbia pro atmosferą iki apatinės jonosferos ribos; elektronų skaičius šiuose sluoksniuose padidėja tiek, kad radijo signalai beveik visiškai sugeriami („užgęsta“). Dėl papildomos spinduliuotės sugerties dujos įkaista, o tai prisideda prie vėjo vystymosi. Jonizuotos dujos yra elektros laidininkas, o judant Žemės magnetiniame lauke atsiranda dinamo efektas ir susidaro elektros srovė. Tokios srovės savo ruožtu gali sukelti pastebimus magnetinio lauko trikdžius ir pasireikšti magnetinių audrų pavidalu. Ši pradinė fazė trunka tik trumpą laiką, atitinkantį saulės pliūpsnio trukmę. Per galingus Saulės blyksnius į kosmosą veržiasi pagreitėjusių dalelių srautas. Kai jis nukreiptas į Žemę, prasideda antroji fazė, kuri turi didelę įtaką atmosferos būklei. Daug natūralus fenomenas, tarp kurių žinomiausios yra auroros, rodo, kad Žemę pasiekia nemaža dalis įkrautų dalelių (taip pat žr. AURORAS). Nepaisant to, šių dalelių atsiskyrimo nuo Saulės procesai, jų trajektorijos tarpplanetinėje erdvėje ir sąveikos su Žemės magnetiniu lauku bei magnetosfera mechanizmai dar nėra pakankamai ištirti. Problema tapo sudėtingesnė po to, kai 1958 m. Jamesas Van Allenas atrado apvalkalus, sudarytus iš įkrautų dalelių, kurias laiko geomagnetinis laukas. Šios dalelės juda iš vieno pusrutulio į kitą, sukdamosi spiralėmis aplink magnetinio lauko linijas. Netoli Žemės, aukštyje, priklausomai nuo lauko linijų formos ir dalelių energijos, yra „atspindžio taškai“, kuriuose dalelės keičia judėjimo kryptį į priešingą (3 pav.). Kadangi magnetinio lauko stiprumas mažėja tolstant nuo Žemės, orbitos, kuriomis juda šios dalelės, yra šiek tiek iškraipytos: elektronai nukrypsta į rytus, o protonai – į vakarus. Todėl jie yra platinami diržų pavidalu visame pasaulyje.
Kai kurios Saulės atmosferos šildymo pasekmės. Saulės energija veikia visą atmosferą. Diržai, suformuoti Žemės magnetiniame lauke įkrautų dalelių ir besisukančių aplink jį, jau buvo paminėti aukščiau. Šios juostos arčiausiai žemės paviršiaus yra subpoliariniuose regionuose (žr. 3 pav.), kur stebimos auroros. 1 paveiksle parodyta, kad Kanados auroraliniuose regionuose termosferos temperatūra yra žymiai aukštesnė nei pietvakarių JAV. Tikėtina, kad užfiksuotos dalelės dalį savo energijos išskiria į atmosferą, ypač susidūrusios su dujų molekulėmis netoli atspindžio taškų, ir palieka savo ankstesnes orbitas. Taip šildomi aukšti atmosferos sluoksniai auroralinėje zonoje. Dar vienas svarbus atradimas buvo padarytas tiriant dirbtinių palydovų orbitas. Smithsonian astrofizikos observatorijos astronomas Luigi Iacchia mano, kad nedideli šių orbitų nukrypimai atsiranda dėl atmosferos tankio pokyčių, kai ją šildo Saulė. Jis pasiūlė, kad jonosferoje daugiau nei 200 km aukštyje yra didžiausias elektronų tankis, kuris neatitinka saulės vidurdienio, tačiau veikiamas trinties jėgų vėluoja maždaug dviem valandomis. Šiuo metu atmosferos tankio vertės, būdingos 600 km aukštyje, stebimos maždaug. 950 km. Be to, didžiausias elektronų tankis patiria netaisyklingų svyravimų dėl trumpalaikių Saulės ultravioletinių ir rentgeno spindulių blyksnių. L. Iacchia taip pat atrado trumpalaikius oro tankio svyravimus, atitinkančius saulės pliūpsnius ir magnetinio lauko trikdžius. Šie reiškiniai paaiškinami saulės kilmės dalelių įsiskverbimu į Žemės atmosferą ir tų sluoksnių, kuriuose skrieja palydovai, įkaitimu.
ATMOSFERINĖ ELEKTRA
Paviršiniame atmosferos sluoksnyje maža dalis molekulės jonizuojasi veikiamos kosminių spindulių, radioaktyviosios spinduliuotės akmenys ir radžio skilimo produktai (daugiausia radonas) pačiame ore. Jonizacijos metu atomas praranda elektroną ir įgyja teigiamą krūvį. Laisvasis elektronas greitai susijungia su kitu atomu, sudarydamas neigiamai įkrautą joną. Tokie suporuoti teigiami ir neigiamų jonų turi molekulinius matmenis. Atmosferoje esančios molekulės linkusios telktis aplink šiuos jonus. Kelios molekulės, sujungtos su jonu, sudaro kompleksą, paprastai vadinamą „lengvuoju jonu“. Atmosferoje taip pat yra molekulių kompleksų, meteorologijoje žinomų kaip kondensacijos branduoliai, aplink kuriuos, orui prisotinus drėgmės, prasideda kondensacijos procesas. Šie branduoliai yra druskos ir dulkių dalelės, taip pat teršalai, patekę į orą iš pramoninių ir kitų šaltinių. Prie tokių branduolių dažnai prisijungia lengvieji jonai, sudarydami „sunkiuosius jonus“. Esant įtakai elektrinis laukas lengvieji ir sunkieji jonai juda iš vienos atmosferos srities į kitą, pernešdami elektros krūvius. Nors atmosfera paprastai nėra laikoma elektrai laidžia, ji turi tam tikrą laidumą. Todėl ore likęs įkrautas kūnas pamažu praranda krūvį. Atmosferos laidumas didėja didėjant aukščiui dėl padidėjusio kosminių spindulių intensyvumo, sumažėjusio jonų praradimo esant mažesniam slėgiui (taigi ir ilgesniam vidutiniam laisvajam keliui) ir mažiau sunkiųjų branduolių. Atmosferos laidumas pasiekia didžiausią vertę maždaug aukštyje. 50 km, vadinamasis „kompensacijos lygis“. Yra žinoma, kad tarp Žemės paviršiaus ir „kompensacinio lygio“ yra pastovus kelių šimtų kilovoltų potencialų skirtumas, t.y. pastovus elektrinis laukas. Paaiškėjo, kad potencialų skirtumas tarp tam tikro taško, esančio ore kelių metrų aukštyje, ir Žemės paviršiaus yra labai didelis – daugiau nei 100 V. Atmosfera turi teigiamą krūvį, o žemės paviršius yra neigiamai įkrautas. . Kadangi elektrinis laukas yra sritis, kurios kiekviename taške yra tam tikra potencialo vertė, galime kalbėti apie potencialo gradientą. Esant giedram orui, žemiau kelių metrų atmosferos elektrinio lauko stipris yra beveik pastovus. Dėl paviršinio sluoksnio oro elektrinio laidumo skirtumų potencialo gradientas yra veikiamas kasdienių svyravimų, kurių eiga įvairiose vietose labai skiriasi. Nesant vietinių oro taršos šaltinių – virš vandenynų, aukštai kalnuose ar poliariniuose regionuose – galimo gradiento paros kitimas giedru oru yra toks pat. Gradiento dydis priklauso nuo universalaus, arba Grinvičo vidurkio, laiko (UT) ir pasiekia maksimumą 19 val. E. Appletonas pasiūlė, kad šis didžiausias elektros laidumas tikriausiai sutampa su didžiausiu perkūnijos aktyvumu planetos mastu. Žaibo išlydžiai per perkūniją perkelia neigiamą krūvį į Žemės paviršių, nes aktyviausių kamuolinių perkūnijos debesų bazėse yra daug neigiamas krūvis. Perkūnijos debesų viršūnės turi teigiamą krūvį, kuris, Holzerio ir Saxono skaičiavimais, per perkūniją nuteka iš jų viršūnių. Be nuolatinio papildymo žemės paviršiaus krūvis būtų neutralizuotas dėl atmosferos laidumo. Prielaidą, kad potencialų skirtumą tarp žemės paviršiaus ir „kompensacinio lygio“ palaiko perkūnija, patvirtina statistiniai duomenys. Pavyzdžiui, upės slėnyje stebimas didžiausias perkūnijų skaičius. Amazonės. Dažniausiai perkūnija ten būna dienos pabaigoje, t.y. GERAI. 19:00 Grinvičo laiku, kai potencialus gradientas yra didžiausias bet kurioje pasaulio vietoje. Be to, potencialaus gradiento paros kitimo kreivių formos sezoniniai svyravimai taip pat visiškai atitinka duomenis apie pasaulinį perkūnijų pasiskirstymą. Kai kurie tyrinėtojai teigia, kad Žemės elektrinio lauko šaltinis gali būti išorinis, nes manoma, kad elektriniai laukai egzistuoja jonosferoje ir magnetosferoje. Ši aplinkybė tikriausiai paaiškina labai siaurų pailgų aurorų formų, panašių į kulisus ir arkas, atsiradimą.
(taip pat žr. AURORA LIGHTS). Dėl galimo atmosferos gradiento ir laidumo įkrautos dalelės pradeda judėti tarp „kompensacinio lygio“ ir Žemės paviršiaus: teigiamai įkrauti jonai link Žemės paviršiaus, o neigiamai įkrauti – aukštyn nuo jo. Šios srovės stiprumas yra maždaug. 1800 A. Nors ši vertė atrodo didelė, reikia atsiminti, kad ji pasiskirsto visame Žemės paviršiuje. Srovės stipris oro stulpelyje, kurio bazinis plotas yra 1 m2, yra tik 4 * 10 -12 A. Kita vertus, srovės stipris žaibo išlydžio metu gali siekti kelis amperus, nors, žinoma, toks iškrovimas trunka trumpą laiką - nuo sekundės dalies iki visos sekundės ar šiek tiek daugiau su pasikartojančiais smūgiais. Žaibas kelia didelį susidomėjimą ne tik kaip savotiškas gamtos reiškinys. Tai leidžia stebėti elektros iškrovą dujinėje terpėje esant kelių šimtų milijonų voltų įtampai ir kelių kilometrų atstumui tarp elektrodų. 1750 metais B. Franklinas Londono karališkajai draugijai pasiūlė atlikti eksperimentą su geležiniu strypu, sumontuotu ant izoliuojančio pagrindo ir sumontuotu ant aukšto bokšto. Jis tikėjosi, kad perkūnijos debesiui artėjant prie bokšto, priešingo ženklo užtaisas susikaups viršutiniame iš pradžių neutralaus strypo gale, o to paties ženklo, kaip ir debesies pagrinde, apatiniame gale. . Jei žaibo išlydžio metu elektrinio lauko stipris pakankamai padidės, krūvis iš viršutinio strypo galo iš dalies pateks į orą, o strypas įgis tokio pat ženklo krūvį kaip ir debesies pagrindas. Franklino pasiūlytas eksperimentas Anglijoje nebuvo atliktas, o 1752 metais Marly netoli Paryžiaus jį atliko prancūzų fizikas Jeanas d'Alembertas. Jis panaudojo 12 m ilgio geležinį strypą, įdėtą į stiklinį butelį (kuris tarnavo kaip izoliatorius), bet jo nepadėjo ant bokšto.Gegužės 10 d.jo padėjėjas pranešė, kad griaustiniui esant virš štangos, prie jos pritraukus įžemintą laidą, kibirkštis.Pats Franklinas, nežinojęs apie sėkmingą Prancūzijoje atliktą eksperimentą , tų pačių metų birželį atliko savo garsųjį aitvarų eksperimentą ir stebėjo elektros kibirkštis prie jo pririšto laido gale.Kitais metais, tyrinėdamas iš strypo surinktus krūvius, Franklinas atrado, kad griaustinio debesų pagrindai dažniausiai būna neigiamai įkrauti. Detalesni žaibo tyrimai tapo įmanomi 19 amžiaus pabaigoje patobulinus fotografijos būdus, ypač išradus aparatą su besisukančiais lęšiais, kurie leido užfiksuoti sparčiai besivystančius procesus. Šio tipo fotoaparatai buvo plačiai naudojami tiriant kibirkšties iškrovas. Nustatyta, kad yra keletas žaibo tipų, iš kurių labiausiai paplitę yra linijiniai, plokštieji (debesyje) ir rutuliniai (oro išmetimai). Linijinis žaibas – tai kibirkštinis išlydis tarp debesies ir žemės paviršiaus, einantis kanalu su žemyn nukreiptomis šakomis. Plokšti žaibai įvyksta perkūnijos debesyje ir atrodo kaip išsklaidytos šviesos blyksniai. Kamuolinio žaibo oro iškrovos, prasidedančios nuo griaustinio debesies, dažnai nukreipiamos horizontaliai ir nepasiekia žemės paviršiaus.
Žaibo išlydis paprastai susideda iš trijų ar daugiau pasikartojančių iškrovų – impulsų, einančių tuo pačiu keliu. Intervalai tarp nuoseklių impulsų yra labai trumpi, nuo 1/100 iki 1/10 s (tai ir sukelia žaibo mirgėjimą). Apskritai blykstė trunka apie sekundę ar mažiau. Tipišką žaibo kūrimo procesą galima apibūdinti taip. Pirma, silpnai šviečianti lyderio iškrova iš viršaus patenka į žemės paviršių. Jam pasiekus, lyderio nutiestu kanalu nuo žemės į viršų pereina ryškiai švytinti grįžtamoji, arba pagrindinė, iškrova. Pirmaujanti iškrova, kaip taisyklė, juda zigzagu. Jo plitimo greitis svyruoja nuo šimto iki kelių šimtų kilometrų per sekundę. Pakeliui jis jonizuoja oro molekules, sukurdamas padidinto laidumo kanalą, kuriuo atvirkštinė iškrova juda aukštyn maždaug šimtą kartų didesniu greičiu nei pirmaujanti iškrova. Kanalo dydį sunku nustatyti, tačiau išvado skersmuo vertinamas 1-10 m, o grįžtamojo - keli centimetrai. Žaibo išlydžiai sukuria radijo trukdžius, skleisdami radijo bangas plačiame diapazone – nuo 30 kHz iki itin žemų dažnių. Didžiausia radijo bangų emisija tikriausiai yra nuo 5 iki 10 kHz. Tokie žemo dažnio radijo trukdžiai yra „koncentruoti“ erdvėje tarp apatinės jonosferos ribos ir žemės paviršiaus ir gali išplisti tūkstančius kilometrų nuo šaltinio.
ATMOSFEROS POKYČIAI
Meteorų ir meteoritų poveikis. Nors meteorų lietus kartais sukuria dramatišką šviesos vaizdą, pavieniai meteorai matomi retai. Daug daugiau yra nematomų meteorų, per mažų, kad būtų matomi, kai jie absorbuojami į atmosferą. Kai kurie iš mažiausių meteorų tikriausiai visai neįkaista, o tik pagauna atmosferos. Šios mažos dalelės, kurių dydis svyruoja nuo kelių milimetrų iki dešimties tūkstantųjų milimetro dalių, vadinamos mikrometeoritais. Kasdien į atmosferą patenkančios meteorinės medžiagos kiekis svyruoja nuo 100 iki 10 000 tonų, didžioji šios medžiagos dalis yra iš mikrometeoritų. Kadangi meteorinė medžiaga iš dalies dega atmosferoje, jos dujų sudėtis papildyta įvairių cheminių elementų pėdsakais. Pavyzdžiui, uoliniai meteorai į atmosferą įneša ličio. Degiant metaliniams meteorams susidaro smulkūs sferiniai geležies, geležies-nikelio ir kiti lašeliai, kurie praeina per atmosferą ir nusėda ant žemės paviršiaus. Jų galima rasti Grenlandijoje ir Antarktidoje, kur ledo sluoksniai beveik nepakitę metų metus. Okeanologai juos randa dugno vandenyno nuosėdose. Dauguma meteorų dalelių, patenkančių į atmosferą, nusėda maždaug per 30 dienų. Kai kurie mokslininkai mano, kad šios kosminės dulkės vaidina svarbų vaidmenį formuojant atmosferos reiškinius, tokius kaip lietus, nes jos tarnauja kaip vandens garų kondensacijos branduoliai. Todėl daroma prielaida, kad krituliai statistiškai susiję su dideliais meteorų liūtimis. Tačiau kai kurie ekspertai mano, kad kadangi bendras meteorinės medžiagos kiekis yra daug dešimčių kartų didesnis nei net didžiausio meteorų lietaus, bendro šios medžiagos kiekio pokyčio, atsirandančio dėl vieno tokio lietaus, galima nekreipti dėmesio. Tačiau neabejotina, kad didžiausi mikrometeoritai ir, žinoma, matomi meteoritai palieka ilgus jonizacijos pėdsakus aukštuose atmosferos sluoksniuose, daugiausia jonosferoje. Tokie pėdsakai gali būti naudojami tolimiesiems radijo ryšiams, nes jie atspindi aukšto dažnio radijo bangas. Meteorų, patenkančių į atmosferą, energija daugiausia, o gal ir visiškai, sunaudojama jos šildymui. Tai vienas iš nedidelių atmosferos šiluminio balanso komponentų.
Pramoninės kilmės anglies dioksidas. Karbono periodu Žemėje buvo plačiai paplitusi sumedėjusi augmenija. Didžioji dalis tuo metu augalų sugerto anglies dvideginio kaupėsi anglies telkiniuose ir naftą turinčiose nuosėdose. Žmogus išmoko panaudoti didžiulius šių mineralų atsargas kaip energijos šaltinį ir dabar sparčiai grąžina anglies dvideginį į medžiagų ciklą. Fosilijos būsena tikriausiai yra apie. 4*10 13 tonų anglies. Per pastarąjį šimtmetį žmonija sudegino tiek daug iškastinio kuro, kad į atmosferą vėl pateko maždaug 4*10 11 tonų anglies. Šiuo metu yra apie. 2 * 10 12 tonų anglies, o per ateinančius šimtą metų dėl iškastinio kuro deginimo šis skaičius gali padvigubėti. Tačiau ne visa anglis liks atmosferoje: dalis jos ištirps vandenynų vandenyse, dalis bus sugerta augalų, dalis bus surišta uolienų dūlėjimo procese. Kol kas neįmanoma nuspėti, kiek anglies dioksido bus atmosferoje ar tiksliai kokį poveikį jis turės Žemės rutulio klimatui. Tačiau manoma, kad bet koks jo kiekio padidėjimas sukels atšilimą, nors visai nebūtina, kad bet koks atšilimas reikšmingai paveiktų klimatą. Anglies dioksido koncentracija atmosferoje, remiantis matavimų rezultatais, pastebimai didėja, nors ir lėtai. Svalbardo ir Mažosios Amerikos stoties, esančios Rosso ledo šelfe Antarktidoje, klimato duomenys rodo, kad vidutinė metinė temperatūra per maždaug 50 metų padidėjo atitinkamai 5 °C ir 2,5 °C.
Kosminės spinduliuotės poveikis. Kai didelės energijos kosminiai spinduliai sąveikauja su atskirais atmosferos komponentais, radioaktyvieji izotopai. Tarp jų išsiskiria 14C anglies izotopas, besikaupiantis augalų ir gyvūnų audiniuose. Matuojant radioaktyvumą organinės medžiagos, su kuriais ilgą laiką nesikeitė anglimi aplinką, galima nustatyti jų amžių. Radioaktyviosios anglies metodasįsitvirtino kaip labiausiai patikimu būdu iškastinių organizmų ir materialinės kultūros objektų datavimas, kurių amžius neviršija 50 tūkstančių metų. Iki šiol šimtų tūkstančių metų senumo medžiagas bus galima naudoti kitus radioaktyviuosius izotopus, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgas, jei pagrindinė problema – labai žemi lygiai radioaktyvumas
(taip pat žr. RADIOANGLIALIŲ PAŽYMĖJIMAS).
ŽEMĖS ATMOSFEROS KILMĖ
Atmosferos susidarymo istorija dar nėra visiškai patikimai atkurta. Nepaisant to, buvo nustatyti kai kurie galimi jo sudėties pokyčiai. Atmosferos formavimasis prasidėjo iškart po Žemės susidarymo. Yra gana rimtų priežasčių manyti, kad Žemei evoliucijos procese ir įgyjant šiuolaikiniams artimus matmenis bei masę ji beveik visiškai prarado pirminę atmosferą. Manoma, kad ankstyvoje stadijoje Žemė buvo išlydyta ir apytiksliai. Prieš 4,5 milijardo metų ji susiformavo kietas. Šis etapas laikomas geologinės chronologijos pradžia. Nuo to laiko atmosfera vystėsi lėtai. Kai kuriuos geologinius procesus, tokius kaip lavos išsiliejimas ugnikalnių išsiveržimų metu, lydėjo dujų išsiskyrimas iš Žemės žarnų. Tikriausiai juose buvo azotas, amoniakas, metanas, vandens garai, anglies monoksidas ir dioksidas. Veikiant saulės ultravioletinei spinduliuotei vandens garai suskyla į vandenilį ir deguonį, tačiau išsiskyręs deguonis reaguoja su anglies monoksidu ir susidarė anglies dioksidas. Amoniakas suskyla į azotą ir vandenilį. Difuzijos proceso metu vandenilis pakilo aukštyn ir paliko atmosferą, o sunkesnis azotas negalėjo išgaruoti ir palaipsniui kaupėsi, tapdamas pagrindiniu jo komponentu, nors dalis jo buvo surišta cheminės reakcijos. Veikiant ultravioletiniams spinduliams ir elektros iškrovoms, dujų mišinys, kuris tikriausiai buvo pirminėje Žemės atmosferoje, įsitraukė į chemines reakcijas, dėl kurių susidarė organinės medžiagos, ypač aminorūgštys. Vadinasi, gyvybė galėjo atsirasti atmosferoje, kuri iš esmės skiriasi nuo šiuolaikinės. Atsiradus primityviems augalams, prasidėjo fotosintezės procesas (taip pat žr. FOTOSINTEZĖ), lydimas laisvojo deguonies išsiskyrimo. Šios dujos, ypač po difuzijos į viršutinius atmosferos sluoksnius, pradėjo saugoti savo apatinius sluoksnius ir Žemės paviršių nuo gyvybei pavojingos ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės. Apskaičiuota, kad esant tik 0,00004 šiuolaikinio deguonies tūrio, gali susidaryti sluoksnis su perpus mažesnės ozono koncentracijos dabartinės koncentracijos, o tai vis dėlto suteikė labai didelę apsaugą nuo ultravioletinių spindulių. Taip pat tikėtina, kad pirminėje atmosferoje buvo daug anglies dioksido. Jis buvo sunaudotas vykstant fotosintezei, o jo koncentracija turėjo mažėti vystantis augalų pasauliui, taip pat dėl absorbcijos tam tikrų geologinių procesų metu. Kadangi šiltnamio efektas siejamas su anglies dioksido buvimu atmosferoje, kai kurie mokslininkai mano, kad jo koncentracijos svyravimai yra viena iš svarbių didelio masto klimato pokyčių Žemės istorijoje priežasčių, pavyzdžiui, ledynmečių. Šiuolaikinėje atmosferoje esantis helis tikriausiai yra didžiąja dalimi yra urano, torio ir radžio radioaktyvaus skilimo produktas. Šie radioaktyvieji elementai išskiria alfa daleles, kurios yra helio atomų branduoliai. Kadangi radioaktyvaus skilimo metu elektros krūvis nesusidaro arba neprarandamas, kiekvienai alfa dalelei yra du elektronai. Dėl to jis susijungia su jais, sudarydamas neutralius helio atomus. Radioaktyvių elementų yra uolienose išsklaidytuose mineraluose, todėl nemaža dalis dėl radioaktyvaus skilimo susidariusio helio juose pasilieka ir labai lėtai išskrieja į atmosferą. Tam tikras helio kiekis pakyla aukštyn į egzosferą dėl difuzijos, tačiau dėl nuolatinio antplūdžio iš žemės paviršiaus šių dujų tūris atmosferoje yra pastovus. Remiantis žvaigždžių šviesos spektrine analize ir meteoritų tyrimais, galima įvertinti santykinį įvairių cheminių elementų gausą Visatoje. Neono koncentracija erdvėje yra maždaug dešimt milijardų kartų didesnė nei Žemėje, kriptono – dešimt milijonų, ksenono – milijoną kartų. Iš to išplaukia, kad šių inertinių dujų, kurios iš pradžių buvo Žemės atmosferoje ir nepasipildė cheminių reakcijų metu, koncentracija labai sumažėjo, tikriausiai net tada, kai Žemė neteko pirminės atmosferos. Išimtis yra inertinės dujos argonas, nes 40Ar izotopo pavidalu jis vis dar susidaro radioaktyvaus kalio izotopo skilimo metu.
OPTINIAI REIKŠINIAI
Optinių reiškinių atmosferoje įvairovė yra dėl to dėl įvairių priežasčių. Labiausiai paplitę reiškiniai yra žaibas (žr. aukščiau) ir labai įspūdingos šiaurinės bei pietinės auroros (taip pat žr. AURORA). Be to, ypač įdomūs vaivorykštė, gal, parhelium (netikra saulė) ir lankai, vainikas, aureolės ir Brokeno vaiduokliai, miražai, Šv. Elmo ugnies, šviečiantys debesys, žalieji ir krepuskuliniai spinduliai. Vaivorykštė yra gražiausias atmosferos reiškinys. Paprastai tai yra didžiulė arka, susidedanti iš įvairiaspalvių juostelių, stebima, kai Saulė apšviečia tik dalį dangaus, o oras yra prisotintas vandens lašelių, pavyzdžiui, lietaus metu. Įvairiaspalviai lankai išsidėstę spektrine seka (raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo, violetinė), tačiau spalvos beveik niekada nebūna grynos, nes juostelės persidengia viena su kita. Paprastai vaivorykštės fizinės savybės labai skiriasi, todėl išvaizda jie labai įvairūs. Jų bendras bruožas yra tai, kad lanko centras visada yra tiesėje, nubrėžtoje nuo Saulės iki stebėtojo. Pagrindinė vaivorykštė yra lankas, susidedantis iš ryškiausių spalvų – raudonos išorėje ir violetinės viduje. Kartais matomas tik vienas lankas, tačiau dažnai pagrindinės vaivorykštės išorėje atsiranda šoninis lankas. Jis nėra tokių ryškių spalvų kaip pirmasis, o raudonos ir violetinės juostelės jame keičiasi vietomis: raudona yra viduje. Pagrindinės vaivorykštės susidarymas paaiškinamas dviguba refrakcija (taip pat žr. OPTIKA) ir vienu vidiniu spindulių atspindžiu saulės šviesa(žr. 5 pav.). Įsiskverbęs į vandens lašo (A) vidų, šviesos spindulys lūžta ir suyra, tarsi eitų per prizmę. Tada jis pasiekia priešingą lašo paviršių (B), atsispindi nuo jo ir palieka lašą išorėje (C). Šiuo atveju šviesos spindulys lūžta antrą kartą prieš pasiekiant stebėtoją. Originalus baltas spindulys suskaidomas į spindulius skirtingos spalvos kurių nuokrypio kampas yra 2°. Susidarius antrinei vaivorykštei, įvyksta dviguba saulės spindulių refrakcija ir dvigubas atspindys (žr. 6 pav.). Šiuo atveju šviesa lūžta, prasiskverbia į lašą per jo apatinę dalį (A) ir atsispindi nuo vidinio lašo paviršiaus pirmiausia taške B, paskui taške C. Taške D šviesa lūžta, palikdamas lašą stebėtojo link.
Saulėtekio ir saulėlydžio metu stebėtojas mato vaivorykštę lanko pavidalu, lygaus pusei apskritimo, nes vaivorykštės ašis yra lygiagreti horizontui. Jei Saulė yra aukščiau virš horizonto, vaivorykštės lankas yra mažesnis nei pusė apskritimo. Kai Saulė pakyla aukščiau 42° virš horizonto, vaivorykštė išnyksta. Visur, išskyrus aukštas platumas, vaivorykštė negali pasirodyti vidurdienį, kai Saulė yra per aukštai. Įdomu įvertinti atstumą iki vaivorykštės. Nors atrodo, kad daugiaspalvis lankas yra toje pačioje plokštumoje, tai yra iliuzija. Tiesą sakant, vaivorykštė turi milžinišką gylį ir gali būti įsivaizduojama kaip tuščiavidurio kūgio paviršius, kurio viršuje yra stebėtojas. Kūgio ašis jungia Saulę, stebėtoją ir vaivorykštės centrą. Stebėtojas atrodo tarsi išilgai šio kūgio paviršiaus. Du žmonės niekada negali matyti tos pačios vaivorykštės. Žinoma, galite stebėti iš esmės tą patį poveikį, tačiau dvi vaivorykštės užima skirtingas pozicijas ir yra suformuotos iš skirtingų vandens lašelių. Kai lietus ar purslai sudaro vaivorykštę, visas optinis efektas pasiekiamas dėl bendro visų vandens lašelių, kertančių vaivorykštės kūgio paviršių su stebėtoju viršūnėje, poveikis. Kiekvieno lašo vaidmuo yra trumpalaikis. Vaivorykštės kūgio paviršius susideda iš kelių sluoksnių. Greitai juos perkirtus ir per eilę kritinių taškų, kiekvienas lašas akimirksniu suyra Saulės spindulys per visą spektrą griežtai apibrėžta seka – nuo raudonos iki violetinė. Daugelis lašų kerta kūgio paviršių taip pat, todėl vaivorykštė stebėtojui atrodo ištisinė tiek išilgai, tiek skersai jos lanko. Aureolės yra balti arba vaivorykštės šviesos lankai ir apskritimai aplink Saulės ar Mėnulio diską. Jie atsiranda dėl ledo ar sniego kristalų šviesos lūžio arba atspindėjimo atmosferoje. Aureolę sudarantys kristalai yra įsivaizduojamo kūgio paviršiuje, kurio ašis nukreipta iš stebėtojo (nuo kūgio viršaus) į Saulę. Tam tikromis sąlygomis atmosfera gali būti prisotinta mažais kristalais, kurių daugelis paviršių sudaro stačią kampą su plokštuma, einanti per Saulę, stebėtoją ir šiuos kristalus. Tokie veidai atspindi įeinančius šviesos spindulius su 22° nuokrypiu, sudarydami aureolę, kuri viduje yra rausva, tačiau gali būti ir visų spektro spalvų. Mažiau paplitusi aureolė, kurios kampinis spindulys yra 46°, esantis koncentriškai aplink 22° aureolę. Jo vidinė pusė taip pat turi rausvą atspalvį. To priežastis taip pat yra šviesos lūžis, kuris šiuo atveju atsiranda ant kristalų kraštų, sudarančių stačius kampus. Tokios aureolės žiedo plotis viršija 2,5°. Tiek 46 laipsnių, tiek 22 laipsnių aureolės dažniausiai būna ryškiausios žiedo viršuje ir apačioje. Retas 90 laipsnių aureolė yra silpnai šviečiantis, beveik bespalvis žiedas, turintis bendrą centrą su dviem kitais aureoleais. Jei jis yra spalvotas, žiedo išorėje jis bus raudonos spalvos. Šio tipo aureolės atsiradimo mechanizmas nėra iki galo suprantamas (7 pav.).
Parhelia ir lankai. Parhelinis ratas (arba netikrų saulių ratas) yra baltas žiedas, kurio centras yra zenito taškas, einantis per Saulę lygiagrečiai horizontui. Jo susidarymo priežastis – saulės šviesos atspindys nuo ledo kristalų paviršių kraštų. Jei kristalai pakankamai tolygiai pasiskirsto ore, matomas visas ratas. Parhelia arba netikros saulės yra ryškiai šviečiančios dėmės, primenančios Saulę, susidarančios parhelinio apskritimo susikirtimo taškuose su halais, kurių kampinis spindulys yra 22°, 46° ir 90°. Dažniausiai pasitaikantis ir ryškiausias parhelis susidaro sankirtoje su 22 laipsnių aureole, dažniausiai nuspalvinta beveik visomis vaivorykštės spalvomis. Klaidingos saulės sankryžose su 46 ir 90 laipsnių aureolomis pastebimos daug rečiau. Parhelijos, atsirandančios sankirtose su 90 laipsnių aureolomis, vadinamos parantelija arba netikromis priešsauelėmis. Kartais matomas ir antelis (anti-saulė) - šviesi dėmė, esanti ant parhelio žiedo tiksliai priešais Saulę. Manoma, kad šio reiškinio priežastis yra dvigubas vidinis saulės šviesos atspindys. Atsispindėjęs spindulys eina tuo pačiu keliu kaip ir krintantis spindulys, bet priešinga kryptimi. Beveik zenito lankas, kartais neteisingai vadinamas 46 laipsnių aureolės viršutiniu tangentiniu lanku, yra 90° ar mažesnio kampo lankas, kurio centras yra zenite, esantis maždaug 46° virš Saulės. Jis matomas retai ir tik kelias minutes, turi ryškių spalvų, o raudona spalva apsiriboja išorine lanko puse. Beveik zenito lankas išsiskiria savo spalva, ryškumu ir aiškiais kontūrais. Kitas įdomus ir labai retas halo tipo optinis efektas yra Lowitz lankas. Jie atsiranda kaip parhelijos tęsinys sankirtoje su 22 laipsnių aureole, tęsiasi nuo išorinės aureolės pusės ir yra šiek tiek įgaubtos link Saulės. Balkšvos šviesos stulpeliai, kaip įvairūs kryžiai, kartais matomi auštant ar sutemus, ypač poliariniuose regionuose, gali lydėti ir Saulę, ir Mėnulį. Kartais pastebimi mėnulio aureolės ir kiti efektai, panašūs į aprašytuosius aukščiau, o dažniausiai pasitaikančios mėnulio aureolės (žiedas aplink Mėnulį) yra 22° kampo spindulio. Kaip netikros saulės, taip ir netikri mėnuliai gali iškilti. Karūnos, arba karūnos, yra maži koncentriški spalvų žiedai aplink Saulę, Mėnulį ar kitus ryškius objektus, kurie retkarčiais stebimi, kai šviesos šaltinis yra už permatomų debesų. Koronos spindulys yra mažesnis už aureolės spindulį ir yra apytikslis. 1-5°, mėlynas arba violetinis žiedas yra arčiausiai Saulės. Korona atsiranda, kai šviesą išsklaido maži vandens lašeliai, sudarydami debesį. Kartais vainikas atrodo kaip šviesi dėmė (arba aureolė), supanti Saulę (arba Mėnulį), kuri baigiasi rausvu žiedu. Kitais atvejais už aureolės ribų matomi bent du didesnio skersmens koncentriški žiedai, labai silpnos spalvos. Šį reiškinį lydi vaivorykštiniai debesys. Kartais labai aukštų debesų kraštai būna ryškių spalvų.
Gloria (halos). Ypatingomis sąlygomis vyksta neįprasti atmosferos reiškiniai. Jei Saulė yra už stebėtojo, o jos šešėlis projektuojamas ant šalia esančių debesų ar rūko uždangos, esant tam tikrai atmosferos būsenai aplink žmogaus galvos šešėlį, galite pamatyti spalvotą šviečiantį apskritimą - aureolę. Paprastai tokia aureolė susidaro dėl šviesos atspindėjimo nuo rasos lašų ant žolės vejos. Glorijos taip pat gana dažnai aptinkamos aplink šešėlį, kurį orlaivis meta ant apatinių debesų.
Brokeno vaiduokliai. Kai kuriose Žemės rutulio vietose ant kalvos esančio stebėtojo šešėlis saulėtekio ar saulėlydžio metu atsilieka nuo jo ant nedideliu atstumu esančių debesų, aptinkamas ryškus efektas: šešėlis įgauna milžiniškus matmenis. Taip atsitinka dėl šviesos atspindžio ir lūžio, kurį sukelia maži vandens lašeliai rūke. Aprašytas reiškinys vadinamas „Brokeno vaiduokliu“ pagal viršūnę Harco kalnuose Vokietijoje.
Miražai- optinis efektas, kurį sukelia šviesos lūžis, kai praeina per skirtingo tankio oro sluoksnius ir išreiškiamas virtualaus vaizdo išvaizda. Tokiu atveju toli esantys objektai gali atrodyti pakelti arba nuleisti, palyginti su jų faktine padėtimi, taip pat gali būti iškreipti ir įgauti netaisyklingas, fantastiškas formas. Miražai dažnai stebimi karštame klimate, pavyzdžiui, virš smėlėtų lygumų. Žemesni miražai yra dažni, kai tolimas, beveik plokščias dykumos paviršius įgauna atviro vandens išvaizdą, ypač žiūrint iš nedidelio aukščio arba tiesiog esantis virš įkaitusio oro sluoksnio. Ši iliuzija dažniausiai atsiranda šildomame asfaltuotame kelyje, kuris atrodo kaip vandens paviršius toli priekyje. Iš tikrųjų šis paviršius yra dangaus atspindys. Žemiau akių lygio šiame „vandenyje“ gali pasirodyti daiktai, paprastai apversti. Virš šildomo žemės paviršiaus susidaro „oras“. sluoksniuotas tortas", o arčiausiai žemės esantis sluoksnis yra karščiausias ir taip išretėjęs, kad pro jį einančios šviesos bangos yra iškraipomos, nes jų sklidimo greitis skiriasi priklausomai nuo terpės tankio. Viršutiniai miražai yra mažiau paplitę ir vaizdingesni, palyginti su žemesni.Toli esantys objektai (dažnai žemiau jūros horizonto) pasirodo aukštyn kojomis danguje, o kartais viršuje iškyla stačias to paties objekto vaizdas.Šis reiškinys būdingas šaltiems regionams, ypač kai yra reikšminga temperatūros inversija, kai yra šiltesnis oro sluoksnis virš šaltesnio sluoksnio.Šis optinis efektas pasireiškia dėl sudėtingų šviesos bangų fronto sklidimo modelių nevienodo tankio oro sluoksniuose.Retkarčiais atsiranda labai neįprasti miražai,ypač poliarinėje regionai.Kai miražai vyksta sausumoje,medžiai ir kiti kraštovaizdžio komponentai apverčiami aukštyn kojomis.Visais atvejais viršutiniame Miražuose objektai matomi aiškiau nei apatiniuose. Kai dviejų oro masių riba yra vertikali plokštuma, kartais stebimi šoniniai miražai.
Šv.Elmo ugnis. Kai kurie optiniai reiškiniai atmosferoje (pavyzdžiui, švytėjimas ir dažniausias meteorologinis reiškinys – žaibas) elektrinis pobūdis. Daug rečiau pasitaiko Šv.Elmo žiburiai – šviečiantys blyškiai mėlyni arba violetiniai šepečiai, kurių ilgis nuo 30 cm iki 1 m ar daugiau, dažniausiai ant stiebų viršūnių arba laivų kiemų galuose jūroje. Kartais atrodo, kad visas laivo takelažas yra padengtas fosforu ir švyti. Šv. Elmo ugnis kartais pasirodo ant kalnų viršūnių, taip pat ant bokštų ir aštrių aukštų pastatų kampų. Šis reiškinys reiškia šepečių elektros iškrovas elektros laidininkų galuose, kai elektrinio lauko stiprumas juos supančioje atmosferoje labai padidėja. Will-o'-the-wisps yra silpnas melsvas arba žalsvas švytėjimas, kuris kartais pastebimas pelkėse, kapinėse ir kriptose. Jie dažnai atrodo kaip žvakės liepsna, iškilusi apie 30 cm virš žemės, tyliai dega, neduodanti šilumos ir akimirką sklandanti virš objekto. Šviesa atrodo visiškai nepagaunama ir, stebėtojui artėjant, atrodo, kad ji persikelia į kitą vietą. Šio reiškinio priežastis – organinių likučių irimas bei savaiminis pelkių dujų metano (CH4) arba fosfino (PH3) degimas. Will-o'-the-wisps turi skirtingos formos, kartais net sferinis. Žalias spindulys – smaragdo žalios saulės blyksnis tuo metu, kai už horizonto dingsta paskutinis Saulės spindulys. Pirmiausia išnyksta raudonasis saulės šviesos komponentas, visi kiti seka iš eilės, o paskutinis lieka smaragdo žalia. Šis reiškinys atsiranda tik tada, kai virš horizonto lieka tik pats saulės disko kraštas, kitaip susidaro spalvų mišinys. Krepuskuliniai spinduliai yra besiskiriantys saulės spinduliai, kurie tampa matomi dėl jų apšviestų dulkių aukštuose atmosferos sluoksniuose. Debesų šešėliai formuoja tamsias juosteles, tarp kurių sklinda spinduliai. Šis efektas atsiranda, kai saulė yra žemai horizonte prieš aušrą arba po saulėlydžio.
