Vzduchová škrupina, ktorá obklopuje našu planétu a rotuje s ňou, sa nazýva atmosféra. Polovica celkovej hmoty atmosféry je sústredená v dolných 5 km a tri štvrtiny hmoty sú v dolných 10 km. Vyššie je vzduch výrazne riedený, hoci jeho častice sa nachádzajú vo výške 2000-3000 km nad zemským povrchom.
Vzduch, ktorý dýchame, je zmes plynov. Najviac zo všetkého obsahuje dusík - 78% a kyslík - 21%. Argón tvorí menej ako 1 % a 0,03 % tvorí oxid uhličitý. Početné ďalšie plyny, ako kryptón, xenón, neón, hélium, vodík, ozón a iné, tvoria tisíciny a milióntiny percenta. Vzduch obsahuje aj vodnú paru, častice rôzne látky, baktérie, peľ a kozmický prach.
Atmosféra pozostáva z niekoľkých vrstiev. Spodná vrstva do výšky 10-15 km nad povrchom Zeme sa nazýva troposféra. Ohrieva ho Zem, takže teplota vzduchu tu klesá o 6 °C s výškou na 1 kilometer stúpania. Troposféra obsahuje takmer všetku vodnú paru a tvoria sa takmer všetky oblaky - cca Výška troposféry v rôznych zemepisných šírkach planéty nie je rovnaká. Nad pólmi stúpa na 9 km, v miernych zemepisných šírkach - do 10 - 12 km a nad rovníkom - do 15 km. Procesy vyskytujúce sa v troposfére - tvorba a pohyb vzdušných hmôt, tvorba cyklónov a anticyklón, objavenie sa oblakov a zrážok - určujú počasie a klímu na zemskom povrchu.
Nad troposférou sa nachádza stratosféra, ktorá siaha až do 50-55 km. Troposféru a stratosféru oddeľuje prechodná vrstva, tropopauza, hrubá 1-2 km. V stratosfére vo výške okolo 25 km začína teplota vzduchu postupne stúpať a vo výške 50 km dosahuje + 10 +30 °C. Tento nárast teploty je spôsobený tým, že v stratosfére sa vo výškach 25-30 km nachádza ozónová vrstva. Na povrchu Zeme je jeho obsah vo vzduchu zanedbateľný a vo vysokých nadmorských výškach pohlcujú dvojatómové molekuly kyslíka ultrafialové slnečné žiarenie, čím vznikajú trojatómové molekuly ozónu.
Ak by sa ozón nachádzal v nižších vrstvách atmosféry, vo výške s normálnym tlakom, hrúbka jeho vrstvy by bola len 3 mm. Ale aj v takom malom množstve zohráva veľmi dôležitú úlohu: absorbuje časť slnečného žiarenia škodlivého pre živé organizmy.
Nad stratosférou sa mezosféra rozprestiera približne do výšky 80 km, v ktorej teplota vzduchu klesá s výškou až na niekoľko desiatok stupňov pod nulou.
Horná časť atmosféry sa vyznačuje veľmi vysokými teplotami a nazýva sa termosféra - cca Delí sa na dve časti - ionosféru - do výšky okolo 1000 km, kde je vzduch vysoko ionizovaný, a exosféru - viac ako 1000 km. V ionosfére molekuly atmosférických plynov absorbujú ultrafialové žiarenie zo Slnka, čo vedie k tvorbe nabitých atómov a voľných elektrónov. Polárne žiary sú pozorované v ionosfére.
Atmosféra zohráva v živote našej planéty veľmi dôležitú úlohu. Cez deň chráni Zem pred silným zahrievaním slnečnými lúčmi a v noci pred podchladením. Väčšina z meteority zhoria v atmosférických vrstvách predtým, ako dosiahnu povrch planéty. Atmosféra obsahuje kyslík potrebný pre všetky organizmy, ozónový štít, ktorý chráni život na Zemi pred škodlivou časťou ultrafialového žiarenia Slnka.
ATMOSFÉRY PLANÉT SLNEČNEJ SÚSTAVY
Atmosféra Merkúra je taká riedka, že sa dá povedať, že prakticky neexistuje. Vzduchový obal Venuše pozostáva z oxidu uhličitého (96%) a dusíka (asi 4%), je veľmi hustý - atmosférický tlak na povrchu planéty je takmer 100-krát väčší ako na Zemi. Aj atmosféra Marsu pozostáva prevažne z oxidu uhličitého (95 %) a dusíka (2,7 %), ale jej hustota je asi 300-krát menšia ako na Zemi a jej tlak je takmer 100-krát menší. Viditeľný povrch Jupitera je vlastne vrchná vrstva vodíkovo-héliovej atmosféry. Zloženie vzduchových škrupín Saturnu a Uránu je rovnaké. Krásna modrá farba Uránu je spôsobená vysokou koncentráciou metánu v hornej časti jeho atmosféry - približne Neptún, zahalený v uhľovodíkovom opare, má dve hlavné vrstvy mrakov: jednu tvoria kryštály zamrznutého metánu a druhú, umiestnené nižšie, obsahujúce amoniak a sírovodík.
Atmosféra má vrstvenú štruktúru. Hranice medzi vrstvami nie sú ostré a ich výška závisí od zemepisnej šírky a ročného obdobia. Vrstvená štruktúra je výsledkom teplotných zmien v rôznych nadmorských výškach. Počasie sa tvorí v troposfére (nižšie asi 10 km: asi 6 km nad pólmi a viac ako 16 km nad rovníkom). A horná hranica troposoféra je v lete vyššia ako v zime.
Od povrchu Zeme smerom nahor sú tieto vrstvy:
Troposféra
Stratosféra
mezosféra
Termosféra
Exosféra
Troposféra
Spodná časť atmosféry do výšky 10-15 km, v ktorej sú sústredené 4/5 celkovej hmoty atmosférického vzduchu, sa nazýva troposféra. Je charakteristické, že teplota tu klesá s výškou v priemere o 0,6°/100 m (v niektorých prípadoch sa vertikálne rozloženie teplôt značne líši). Troposféra obsahuje takmer všetku vodnú paru v atmosfére a produkuje takmer všetky oblaky. Veľmi rozvinutá je tu aj turbulencia, najmä v blízkosti zemského povrchu, ako aj v takzvaných tryskových prúdoch v hornej časti troposféry.
Výška, do ktorej sa troposféra rozprestiera nad každým miestom na Zemi, sa mení zo dňa na deň. Navyše sa aj v priemere líši v rôznych zemepisných šírkach a v rôznych ročných obdobiach. V priemere sa ročná troposféra rozprestiera nad pólmi do výšky asi 9 km, nad miernymi šírkami do 10-12 km a nad rovníkom do 15-17 km. Priemerná ročná teplota vzduchu na zemskom povrchu je okolo +26° na rovníku a okolo -23° na severnom póle. Na hornej hranici troposféry nad rovníkom je priemerná teplota okolo -70°, nad severným pólom v zime okolo -65° a v lete okolo -45°.
Tlak vzduchu na hornej hranici troposféry, zodpovedajúci jej výške, je 5-8 krát menší ako na zemskom povrchu. V dôsledku toho sa väčšina atmosférického vzduchu nachádza v troposfére. Procesy prebiehajúce v troposfére majú priamy a rozhodujúci význam pre počasie a klímu na zemskom povrchu.
Všetka vodná para sa sústreďuje v troposfére, a preto sa všetky oblaky tvoria v troposfére. Teplota klesá s nadmorskou výškou.
Slnečné lúče ľahko prechádzajú cez troposféru a teplo, ktoré vyžaruje zo Zeme, ohrievané slnečnými lúčmi, sa hromadí v troposfére: plyny ako oxid uhličitý, metán a vodná para zadržiavajú teplo. Tento mechanizmus otepľovania atmosféry zo Zeme, ohrievanej slnečným žiarením, sa nazýva skleníkový efekt. Práve preto, že zdrojom tepla pre atmosféru je Zem, teplota vzduchu s výškou klesá
Hranica medzi turbulentnou troposférou a pokojnou stratosférou sa nazýva tropopauza. Tu sa tvoria rýchlo sa pohybujúce vetry nazývané „tryskové prúdy“.
Kedysi sa predpokladalo, že teplota atmosféry klesá nad troposoféru, ale merania vo vysokých vrstvách atmosféry ukázali, že to tak nie je: bezprostredne nad tropopauzou je teplota takmer konštantná a potom začína stúpať. vetry fúkajú v stratosfére bez vytvárania turbulencií. Vzduch v stratosfére je veľmi suchý a preto sú oblaky zriedkavé. Vznikajú takzvané perleťové oblaky.
Stratosféra je pre život na Zemi veľmi dôležitá, pretože práve v tejto vrstve veľké množstvo ozón, ktorý pohlcuje silné životu škodlivé ultrafialové žiarenie. Pohlcovaním ultrafialového žiarenia ozón ohrieva stratosféru.
Stratosféra
Nad troposférou do nadmorskej výšky 50-55 km leží stratosféra, vyznačujúca sa tým, že teplota v nej v priemere stúpa s výškou. Prechodná vrstva medzi troposférou a stratosférou (hrúbka 1-2 km) sa nazýva tropopauza.
Vyššie boli údaje o teplote na hornej hranici troposféry. Tieto teploty sú typické aj pre spodnú stratosféru. Teplota vzduchu v spodnej stratosfére nad rovníkom je teda vždy veľmi nízka; Navyše v lete je oveľa nižšie ako nad pólom.
Spodná stratosféra je viac-menej izotermická. Ale od nadmorskej výšky asi 25 km sa teplota v stratosfére rýchlo zvyšuje s nadmorskou výškou a dosahuje maximálne kladné hodnoty vo výške asi 50 km (od +10 do +30 °). V dôsledku zvyšovania teploty s nadmorskou výškou sú turbulencie v stratosfére nízke.
V stratosfére je zanedbateľné množstvo vodnej pary. Vo výškach 20-25 km sú však niekedy vo vysokých zemepisných šírkach pozorované veľmi tenké, takzvané perleťové oblaky. Cez deň ich nevidno, no v noci akoby žiarili, keďže sú osvetlené slnkom pod obzorom. Tieto oblaky sú tvorené podchladenými kvapôčkami vody. Stratosféra je charakteristická aj tým, že obsahuje najmä atmosférický ozón, ako už bolo spomenuté vyššie
mezosféra
Nad stratosférou leží vrstva mezosféry do výšky približne 80 km. Tu teplota klesá s nadmorskou výškou až na niekoľko desiatok stupňov pod nulou. V dôsledku rýchleho poklesu teploty s výškou je v mezosfére vysoko rozvinutá turbulencia. Vo výškach blízko hornej hranice mezosféry (75-90 km) sa pozoruje ďalší zvláštny druh oblakov, tiež osvetlený slnkom v noci, takzvané noctilucentné. S najväčšou pravdepodobnosťou sú zložené z ľadových kryštálikov.
Na hornej hranici mezosféry je tlak vzduchu 200-krát nižší ako na zemskom povrchu. V troposfére, stratosfére a mezosfére teda spolu do výšky 80 km leží viac ako 99,5 % celkovej hmotnosti atmosféry. Nadložné vrstvy predstavujú zanedbateľné množstvo vzduchu
Vo výške asi 50 km nad Zemou začína teplota opäť klesať, čím sa označuje horná hranica stratosféry a začiatok ďalšej vrstvy, mezosféry. Najviac má mezosféra studená teplota v atmosfére: od -2 do -138 stupňov Celzia. Tu sa nachádzajú aj najvyššie oblaky: za jasného počasia ich možno vidieť pri západe slnka. Nazývajú sa noctilucentné (žiariace v noci).
Termosféra
Horná časť atmosféry, nad mezosférou, sa vyznačuje veľmi vysokými teplotami, a preto sa nazýva termosféra. Rozlišujú sa v nej však dve časti: ionosféra, siahajúca od mezosféry do výšok rádovo tisíc kilometrov, a nad ňou ležiaca vonkajšia časť – exosféra, ktorá sa mení na zemskú korónu.
Vzduch v ionosfére je extrémne riedky. Už sme naznačili, že vo výškach 300-750 km je jeho priemerná hustota asi 10-8-10-10 g/m3. Ale aj pri takejto nízkej hustote každý kubický centimeter vzduchu vo výške 300 km stále obsahuje asi jednu miliardu (109) molekúl alebo atómov a vo výške 600 km - viac ako 10 miliónov (107). To je o niekoľko rádov väčšie ako obsah plynov v medziplanetárnom priestore.
Ionosféra, ako už samotný názov napovedá, sa vyznačuje veľmi silným stupňom ionizácie vzduchu – obsah iónov je tu mnohonásobne väčší ako v podložných vrstvách, a to aj napriek silnej všeobecnej riedkosti vzduchu. Tieto ióny sú hlavne nabité atómy kyslíka, nabité molekuly oxidu dusnatého a voľné elektróny. Ich obsah vo výškach 100-400 km je asi 1015-106 na centimeter kubický.
V ionosfére sa rozlišuje niekoľko vrstiev alebo oblastí s maximálnou ionizáciou, najmä vo výškach 100-120 km a 200-400 km. Ale aj v priestoroch medzi týmito vrstvami zostáva stupeň ionizácie atmosféry veľmi vysoký. Poloha ionosférických vrstiev a koncentrácia iónov v nich sa neustále mení. Sporadické zbierky elektrónov s obzvlášť vysokou koncentráciou sa nazývajú elektrónové oblaky.
Elektrická vodivosť atmosféry závisí od stupňa ionizácie. Preto je elektrická vodivosť vzduchu v ionosfére vo všeobecnosti 1012-krát väčšia ako vodivosť zemského povrchu. Rádiové vlny zažívajú absorpciu, lom a odraz v ionosfére. Vlny s dĺžkou viac ako 20 m nemôžu cez ionosféru vôbec prechádzať: odrážajú sa elektrónovými vrstvami nízkej koncentrácie v spodnej časti ionosféry (vo výškach 70-80 km). Stredné a krátke vlny sa odrážajú od nadložných ionosférických vrstiev.
Vďaka odrazu od ionosféry je možná komunikácia na diaľku na krátkych vlnách. Viacnásobné odrazy od ionosféry a zemského povrchu umožňujú krátkym vlnám cestovať cikcakovitým spôsobom na veľké vzdialenosti a ohýbať sa okolo povrchu zemegule. Keďže poloha a koncentrácia ionosférických vrstiev sa neustále mení, menia sa aj podmienky absorpcie, odrazu a šírenia rádiových vĺn. Preto je pre spoľahlivú rádiovú komunikáciu nevyhnutné neustále štúdium stavu ionosféry. Pozorovania šírenia rádiových vĺn sú práve prostriedkom na takýto výskum.
V ionosfére sú pozorované polárne žiary a žiara nočnej oblohy, ktorá je im podobná - konštantná luminiscencia atmosférického vzduchu, ako aj prudké výkyvy magnetické pole- ionosférické magnetické búrky.
Ionizácia v ionosfére vďačí za svoju existenciu pôsobeniu ultrafialového žiarenia zo Slnka. Jeho absorpcia molekulami atmosférických plynov vedie k tvorbe nabitých atómov a voľných elektrónov, ako je uvedené vyššie. Kolísanie magnetického poľa v ionosfére a polárnej žiare závisí od kolísania slnečnej aktivity. Zmeny slnečnej aktivity sú spojené so zmenami toku korpuskulárneho žiarenia prichádzajúceho zo Slnka do zemskej atmosféry. Pre tieto ionosférické javy má totiž primárny význam korpuskulárne žiarenie.
Teplota v ionosfére stúpa s nadmorskou výškou na veľmi vysoké hodnoty. Vo výškach okolo 800 km dosahuje 1000°.
Keď hovoríme o vysokých teplotách v ionosfére, myslíme tým, že častice atmosférických plynov sa tam pohybujú veľmi vysokou rýchlosťou. Hustota vzduchu v ionosfére je však taká nízka, že teleso nachádzajúce sa v ionosfére, napríklad lietajúci satelit, sa výmenou tepla so vzduchom nezahreje. Teplotný režim satelitu bude závisieť od jeho priamej absorpcie slnečného žiarenia a od uvoľňovania vlastného žiarenia do okolitého priestoru. Termosféra sa nachádza nad mezosférou vo výške 90 až 500 km nad povrchom Zeme. Molekuly plynu sú tu veľmi rozptýlené a absorbujú röntgenové žiarenie a krátkovlnné ultrafialové žiarenie. Z tohto dôvodu môžu teploty dosiahnuť 1000 stupňov Celzia.
Termosféra v podstate zodpovedá ionosfére, kde ionizovaný plyn odráža rádiové vlny späť na Zem, čo je jav, ktorý umožňuje rádiovú komunikáciu.
Exosféra
Nad 800-1000 km prechádza atmosféra do exosféry a postupne do medziplanetárneho priestoru. Rýchlosti pohybu častíc plynu, najmä ľahkých, sú tu veľmi vysoké a v dôsledku extrémnej riedkosti vzduchu v týchto výškach môžu častice obletieť Zem po eliptických dráhach bez toho, aby sa navzájom zrazili. Jednotlivé častice môžu mať rýchlosť dostatočnú na prekonanie gravitácie. Pre nenabité častice bude kritická rýchlosť 11,2 km/s. Takéto obzvlášť rýchle častice môžu, pohybujúce sa po hyperbolických trajektóriách, vyletieť z atmosféry do vesmíru, „uniknúť“ a rozptýliť sa. Preto sa exosféra nazýva aj rozptylová guľa.
Väčšinou unikajú atómy vodíka, ktoré sú dominantným plynom v najvyšších vrstvách exosféry.
Nedávno sa predpokladalo, že exosféra a s ňou aj zemská atmosféra vo všeobecnosti končia vo výškach okolo 2000-3000 km. Ale z pozorovaní rakiet a satelitov sa zdá, že vodík unikajúci z exosféry vytvára okolo Zeme to, čo sa nazýva zemská koróna, ktorá sa rozprestiera na viac ako 20 000 km. Hustota plynu v zemskej koróne je samozrejme zanedbateľná. Na každý kubický centimeter pripadá v priemere len asi tisíc častíc. Ale v medziplanetárnom priestore je koncentrácia častíc (hlavne protónov a elektrónov) najmenej desaťkrát menšia.
S pomocou satelitov a geofyzikálnych rakiet sa v hornej časti atmosféry a v blízkozemskom priestore podarilo dosiahnuť existenciu radiačného pásu Zeme, ktorý začína vo výške niekoľko stoviek kilometrov a siaha desaťtisíce kilometrov od zemského povrchu. bola založená. Tento pás pozostáva z elektricky nabitých častíc – protónov a elektrónov, zachytených magnetickým poľom Zeme a pohybujúcich sa veľmi vysokou rýchlosťou. Ich energia sa pohybuje rádovo v stovkách tisíc elektrónvoltov. Radiačný pás neustále stráca častice v zemskej atmosfére a je dopĺňaný tokmi slnečného korpuskulárneho žiarenia.
teplota atmosféry stratosféra troposféra
Atmosféra
Atmosféra je plynný obal obklopujúci Zem. Na mieste ho drží gravitačná sila Zeme, pod vplyvom ktorej sa väčšina plynov hromadí nad povrchom zeme – v najnižšej vrstve atmosféry – troposfére.
Žijeme v najnižšej vrstve atmosféry. Lietadlá lietajú vo vrstve nazývanej atmosféra. V termosfére sa vyskytujú javy ako polárna žiara na severnej a južnej pologuli. Hore je priestor.
Vrstvy atmosféry
Koľko vrstiev je v atmosfére?
Existuje päť hlavných vrstiev atmosféry. Najnižšia vrstva je troposféra, 18 km vysoká od zemského povrchu. Ďalšou vrstvou je stratosféra, ktorá siaha do výšky 50 km a vyššie je mezosféra, asi 80 km nad zemou. Najvyššia vrstva sa nazýva termosféra. Čím vyššie stúpate, tým je atmosféra menej hustá; nad 1000 km zemská atmosféra takmer zmizne a exosféra (veľmi riedka piata vrstva) prechádza do priestoru bez vzduchu.
Ako nás chráni atmosféra?
V stratosfére sa nachádza vrstva ozónu (zlúčenina troch atómov kyslíka), ktorá tvorí ochranný štít, ktorý blokuje väčšinu škodlivého ultrafialového žiarenia. Na okraji atmosféry sú dve radiačné zóny, známe ako Van Allenove pásy, ktoré tiež fungujú ako štít na odrážanie kozmického žiarenia.
Prečo obloha modrej farby?
Svetlo zo slnka prechádza atmosférou a je rozptýlené odrazom od malých častíc prachu a vodnej pary vo vzduchu. Takto sa delí biele slnečné svetlo na spektrálne časti - farby dúhy Modré lúče sa rozptyľujú rýchlejšie ako ostatné. V dôsledku toho vidíme viac modrej ako ktorákoľvek iná farba v slnečnom spektre, a preto sa obloha javí ako modrá.
Oblaky neustále menia tvar. Dôvodom je vietor. Niektoré stúpajú v obrovských hmotách, iné pripomínajú ľahké perie. Občas oblohu nad nami úplne zakryjú mraky.
Atmosféra je plynový obal obklopujúci Zem. Atmosféra má „viacposchodovú“ štruktúru a je rozdelená na vrstvy ako troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra a exosféra. Zloženie suchého zvyšku atmosféry v celej jej hrúbke je takmer rovnaké. Ale jeho hustota a teplota sa líšia a v spodnej vrstve (troposfére) je zvýšený obsah vody, pevných častíc a oxidu uhličitého nad pôdou. Troposféra zahŕňa asi 80% celkovej hmotnosti atmosféry.
Hlavnými zložkami atmosféry sú dusík (viac ako 78 %) a kyslík (viac ako 20 %), ako aj množstvo ďalších plynov (do 1 %) – argón, neón, oxid uhličitý, metán, hélium, vodík , kryptón, xenón, oxid dusnatý, ozón, oxid siričitý. Niektoré plyny sú vnútri atmosférický vzduch v stopových množstvách.
Zloženie plynov
Dusík v atmosfére je obsiahnutý v oveľa vyššej koncentrácii (78 %) ako ostatné plyny. Asi pred tromi miliónmi rokov sa v dôsledku objavenia sa zelených rastlín, a teda aj fotosyntézy, začal do atmosféry uvoľňovať kyslík vo veľkých množstvách. Keď sa amoniakovo-vodíková atmosféra okysličila molekulárnym kyslíkom, objavilo sa obrovské množstvo dusíka. V súčasnosti sa tento plyn uvoľňuje do atmosféry počas života mikroorganizmov, pretože tento chemický prvok je neoddeliteľnou súčasťou bielkovín rastlinného a živočíšneho pôvodu. Atmosférický vzduch sa obohacuje o dusík počas denitrifikácie dusičnanov a niektorých zlúčenín obsahujúcich dusík. V horných vrstvách atmosféry prechádza dusík oxidáciou ozónom na oxid dusnatý. Voľný dusík vstupuje do chemických reakcií iba za špeciálnych podmienok, napríklad pri výboji blesku. Dusík sa podieľa na prirodzenom kolobehu látok a na regulácii koncentrácie molekulárneho kyslíka v atmosfére, čím zabraňuje jeho nadmernému hromadeniu.
Kyslík je po dusíku na druhom mieste v percentuálnom vyjadrení objemového obsahu v atmosférickom vzduchu (20,85 %). Dramatické zmeny v zložení atmosféry nastali po objavení sa živých organizmov na Zemi, najmä rastlín, ktoré v dôsledku fotosyntézy obohacujú vzduch kyslíkom a absorbujú oxid uhličitý. Zapnuté počiatočné štádiá Počas vývoja zemskej atmosféry sa uvoľnený kyslík minul na oxidáciu amoniaku, uhľovodíkov a železa. Keď sa toto obdobie skončilo, obsah kyslíka vo vzduchu sa postupne zvyšoval. Atmosféra starovekej planéty začala nadobúdať charakteristické črty tej modernej. Akvizícia atmosférou oxidačné vlastnosti určili vzhľad zmien v litosfére a biosfére. Kyslík obsiahnutý v atmosfére je nevyhnutný pre priebeh takých dôležitých procesov pre živé organizmy, ako je dýchanie, rozklad a spaľovanie. Bez tohto chemického prvku je teda život nemožný. V súčasnosti sa takmer všetok voľný kyslík dostáva do atmosféry vďaka fotosyntéze v rastlinných bunkách.
Dôležitou zložkou vzduchu je oxid uhličitý, ktorý je v atmosfére obsiahnutý v malom množstve (0,03 %). Jeho koncentrácia závisí od aktivity sopiek, chemických procesov v zemských obaloch ( minerálne pramene, pôdy, hnilobné produkty). Do atmosféry sa tiež uvoľňuje veľké množstvo oxidu uhličitého priemyselné podniky. Väčšina tejto zlúčeniny sa však dostáva do atmosféry v dôsledku biosyntézy a rozkladu organickej hmoty v biosfére našej planéty. Oxid uhličitý sa považuje za ohrievač Zeme, pretože dobre prenáša slnečné žiarenie na povrch planéty a zadržiava teplo, ktoré z neho vyžaruje.
Obsah ostatných plynov v atmosfére je zanedbateľný. Vzácne plyny, ako neón, argón, xenón, sa dostávajú do atmosféry v dôsledku sopečných erupcií a rozpadu niektorých rádioaktívnych prvkov. Vedci sa domnievajú, že zemská atmosféra obsahuje také malé množstvo vzácnych plynov v dôsledku ich neustáleho rozptylu vo vesmíre.
Pary a častice
Atmosférický vzduch obsahuje okrem plynov vodnú paru a pevné častice vo forme aerosólu. Koncentrácia vodnej pary vo vzduchu sa zvyšuje v dôsledku vyparovania vody z povrchu Zeme. Jeho obsah sa v rôznych oblastiach líši a môže sa meniť aj v priebehu roka. Z vodnej pary vznikajú zrážky a oblaky. Je to vďaka obsahu vodnej pary, že atmosféra zadržiava asi 60 % tepla zo zemského povrchu.
Častice v atmosférickom vzduchu sú prach kozmického a vulkanického pôvodu, kryštály soli, dym, mikroorganizmy, peľ rastlinných organizmov atď. Suspenzie pevných častíc znižujú slnečné žiarenie dopadajúce na zemský povrch a tiež urýchľujú kondenzáciu vodnej pary a tvorbu oblakov.
Súvisiaci obsah:
ATMOSFÉRA
plynný obal obklopujúci nebeské teleso. Jeho charakteristiky závisia od veľkosti, hmotnosti, teploty, rýchlosti rotácie a chemického zloženia daného nebeského telesa a sú určené aj históriou jeho vzniku od okamihu jeho vzniku. Atmosféru Zeme tvorí zmes plynov nazývaná vzduch. Jeho hlavnými zložkami sú dusík a kyslík v pomere približne 4:1. Na človeka vplýva najmä stav dolných 15-25 km atmosféry, keďže práve v tejto spodnej vrstve sa sústreďuje väčšina vzduchu. Veda, ktorá skúma atmosféru, sa nazýva meteorológia, hoci predmetom tejto vedy je aj počasie a jeho vplyv na človeka. Mení sa aj stav horných vrstiev atmosféry, ktoré sa nachádzajú vo výškach od 60 do 300 a dokonca 1000 km od povrchu Zeme. Rozvíjajú sa tu silné vetry, búrky a vyskytujú sa úžasné elektrické javy ako polárna žiara. Mnohé z uvedených javov sú spojené s tokom slnečného žiarenia, kozmického žiarenia a magnetického poľa Zeme. Vysoké vrstvy atmosféry sú tiež chemickým laboratóriom, pretože tam, v podmienkach blízkych vákuu, vstupujú niektoré atmosférické plyny pod vplyvom silného toku slnečnej energie do chemických reakcií. Veda, ktorá študuje tieto vzájomne súvisiace javy a procesy, sa nazýva fyzika vysokej atmosféry.
VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY ATMOSFÉRY ZEME
Rozmery. Kým sondážne rakety a umelé družice nepreskúmali vonkajšie vrstvy atmosféry vo vzdialenosti niekoľkonásobne väčšej ako je polomer Zeme, verilo sa, že keď sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atmosféra sa postupne stáva redšie a plynule prechádza do medziplanetárneho priestoru. . Teraz sa zistilo, že toky energie z hlbokých vrstiev Slnka prenikajú do vesmíru ďaleko za obežnú dráhu Zeme, až po vonkajšie hranice Slnečnej sústavy. Tento tzv Slnečný vietor obteká magnetické pole Zeme a vytvára podlhovastú „dutinu“, v ktorej je sústredená zemská atmosféra. Magnetické pole Zeme je na dennej strane privrátenej k Slnku citeľne zúžené a na opačnej, nočnej strane tvorí dlhý jazyk, siahajúci pravdepodobne až za obežnú dráhu Mesiaca. Hranica magnetického poľa Zeme sa nazýva magnetopauza. Na dennej strane táto hranica prebieha vo vzdialenosti asi siedmich polomerov Zeme od povrchu, ale v obdobiach zvýšenej slnečnej aktivity sa ukazuje, že je ešte bližšie k zemskému povrchu. Magnetopauza je aj hranicou zemskej atmosféry, ktorej vonkajší obal sa nazýva aj magnetosféra, keďže sa v nej sústreďujú nabité častice (ióny), ktorých pohyb určuje magnetické pole Zeme. Celková hmotnosť atmosférických plynov je približne 4,5 x 1015 ton.Takže „hmotnosť“ atmosféry na jednotku plochy alebo atmosférický tlak je približne 11 ton/m2 na úrovni mora.
Zmysel pre život. Z uvedeného vyplýva, že Zem je oddelená od medziplanetárneho priestoru mocnou ochrannou vrstvou. Vesmír je preniknutý silným ultrafialovým a röntgenovým žiarením zo Slnka a ešte tvrdším kozmickým žiarením a tieto typy žiarenia sú deštruktívne pre všetko živé. Na vonkajšom okraji atmosféry je intenzita žiarenia smrteľná, no veľkú časť z nej zadrží atmosféra ďaleko od zemského povrchu. Absorpcia tohto žiarenia vysvetľuje mnohé vlastnosti vysokých vrstiev atmosféry a najmä elektrické javy, ktoré sa tam vyskytujú. Najnižšia, prízemná vrstva atmosféry je dôležitá najmä pre ľudí, ktorí žijú v mieste kontaktu medzi pevnými, kvapalnými a plynnými obalmi Zeme. Horná vrstva „pevnej“ Zeme sa nazýva litosféra. Asi 72 % povrchu Zeme je pokrytých oceánskymi vodami, ktoré tvoria väčšinu hydrosféry. Atmosféra hraničí s litosférou aj hydrosférou. Človek žije na dne oceánu vzduchu a blízko alebo nad hladinou oceánu vody. Vzájomné pôsobenie týchto oceánov je jedným z dôležitých faktorov určujúcich stav atmosféry.
Zlúčenina. Spodné vrstvy atmosféry pozostávajú zo zmesi plynov (pozri tabuľku). Okrem tých, ktoré sú uvedené v tabuľke, sú vo vzduchu vo forme malých nečistôt prítomné aj ďalšie plyny: ozón, metán, látky ako oxid uhoľnatý (CO), oxidy dusíka a síry, amoniak.
ZLOŽENIE ATMOSFÉRY
Vo vysokých vrstvách atmosféry sa vplyvom tvrdého žiarenia Slnka mení zloženie vzduchu, čo vedie k rozpadu molekúl kyslíka na atómy. Atómový kyslík je hlavnou zložkou vysokých vrstiev atmosféry. Napokon vo vrstvách atmosféry najvzdialenejších od zemského povrchu sú hlavnými zložkami najľahšie plyny – vodík a hélium. Keďže prevažná časť látky je sústredená v dolných 30 km, zmeny v zložení ovzdušia vo výškach nad 100 km nemajú badateľný vplyv na celkové zloženie atmosféry.
Výmena energie. Slnko je hlavným zdrojom energie dodávanej na Zem. Vo vzdialenosti cca. 150 miliónov km od Slnka dostáva Zem približne dve miliardy energie, ktorú vyžaruje, najmä vo viditeľnej časti spektra, ktorú ľudia nazývajú „svetlo“. Väčšina tejto energie je absorbovaná atmosférou a litosférou. Aj Zem vyžaruje energiu, hlavne vo forme dlhovlnného infračerveného žiarenia. Týmto spôsobom sa vytvorí rovnováha medzi energiou prijatou zo Slnka, zahrievaním Zeme a atmosféry a spätným tokom tepelnej energie emitovanej do vesmíru. Mechanizmus tejto rovnováhy je mimoriadne zložitý. Molekuly prachu a plynu rozptyľujú svetlo a čiastočne ho odrážajú do vesmíru. Ešte viac prichádzajúcej radiácie sa odráža v oblakoch. Časť energie je absorbovaná priamo molekulami plynu, ale hlavne horninami, vegetáciou a povrchovou vodou. Vodná para a oxid uhličitý prítomné v atmosfére prepúšťajú viditeľné žiarenie, ale absorbujú infračervené žiarenie. Tepelná energia sa akumuluje najmä v nižších vrstvách atmosféry. Podobný efekt nastáva v skleníku, keď sklo prepúšťa svetlo a pôda sa zahrieva. Keďže sklo je pre infračervené žiarenie relatívne nepriepustné, v skleníku sa hromadí teplo. Zahrievanie spodnej atmosféry v dôsledku prítomnosti vodnej pary a oxidu uhličitého sa často nazýva skleníkový efekt. Oblačnosť zohráva významnú úlohu pri udržiavaní tepla v nižších vrstvách atmosféry. Ak sa oblaky vyjasnia alebo sa vzduch stane priehľadnejším, teplota nevyhnutne klesne, pretože zemský povrch voľne vyžaruje tepelnú energiu do okolitého priestoru. Voda na povrchu Zeme pohlcuje slnečnú energiu a vyparuje sa, pričom sa mení na plyn – vodnú paru, ktorá prenáša obrovské množstvo energie do spodných vrstiev atmosféry. Keď vodná para kondenzuje a tvoria sa oblaky alebo hmla, táto energia sa uvoľňuje ako teplo. Približne polovica slnečnej energie, ktorá sa dostane na zemský povrch, sa minie na odparovanie vody a dostáva sa do spodných vrstiev atmosféry. Atmosféra sa teda v dôsledku skleníkového efektu a vyparovania vody zospodu otepľuje. To čiastočne vysvetľuje vysokú aktivitu jeho cirkulácie v porovnaní s cirkuláciou Svetového oceánu, ktorý je ohrievaný iba zhora, a preto je oveľa stabilnejší ako atmosféra.
Pozri tiež METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA. Okrem všeobecného zahrievania atmosféry slnečným žiarením dochádza k výraznému zahrievaniu niektorých jej vrstiev vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. Štruktúra. V porovnaní s kvapalinami a pevnými látkami je v plynných látkach príťažlivá sila medzi molekulami minimálna. Keď sa vzdialenosť medzi molekulami zväčšuje, plyny sú schopné neobmedzene expandovať, ak im nič nebráni. Spodná hranica atmosféry je povrch Zeme. Presne povedané, táto bariéra je nepreniknuteľná, pretože výmena plynov prebieha medzi vzduchom a vodou a dokonca aj medzi vzduchom a horninami, ale v v tomto prípade tieto faktory možno zanedbať. Keďže atmosféra je guľovitý obal, nemá žiadne bočné hranice, ale iba spodnú hranicu a hornú (vonkajšiu) hranicu, otvorenú zo strany medziplanetárneho priestoru. Cez vonkajšia hranica Dochádza k úniku niektorých neutrálnych plynov, ako aj k vstupu hmoty z okolitého kozmického priestoru. Väčšinu nabitých častíc, s výnimkou vysokoenergetického kozmického žiarenia, magnetosféra buď zachytí, alebo ju odpudí. Atmosféru ovplyvňuje aj gravitačná sila, ktorá drží vzduchový obal na povrchu Zeme. Atmosférické plyny sa stláčajú vlastnou hmotnosťou. Toto stlačenie je maximálne na spodnej hranici atmosféry, preto je tu najväčšia hustota vzduchu. V akejkoľvek výške nad zemským povrchom závisí stupeň stlačenia vzduchu od hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca, preto s výškou hustota vzduchu klesá. Tlak, ktorý sa rovná hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca na jednotku plochy, je priamo závislý od hustoty, a preto tiež klesá s výškou. Ak by bola atmosféra „ideálnym plynom“ s konštantným zložením nezávislým od nadmorskej výšky, konštantnou teplotou a konštantnou gravitačnou silou pôsobiacou na ňu, potom by sa tlak znížil 10-krát na každých 20 km výšky. Skutočná atmosféra sa mierne líši od ideálneho plynu do výšky asi 100 km a potom tlak klesá s výškou pomalšie, ako sa mení zloženie vzduchu. Malé zmeny do opísaného modelu prináša aj pokles gravitačnej sily so vzdialenosťou od stredu Zeme, ktorá je cca. 3 % na každých 100 km nadmorskej výšky. Na rozdiel od atmosférického tlaku teplota neklesá plynule s nadmorskou výškou. Ako je znázornené na obr. 1 klesá približne do výšky 10 km a potom sa opäť začína zvyšovať. K tomu dochádza, keď je ultrafialové slnečné žiarenie absorbované kyslíkom. Vzniká tak plynný ozón, ktorého molekuly pozostávajú z troch atómov kyslíka (O3). Pohlcuje aj ultrafialové žiarenie, a tak sa táto vrstva atmosféry, nazývaná ozonosféra, zohrieva. Vyššie teplota opäť klesá, pretože tam je oveľa menej molekúl plynu a absorpcia energie je zodpovedajúcim spôsobom znížená. V ešte vyšších vrstvách teplota opäť stúpa v dôsledku absorpcie ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka s najkratšou vlnovou dĺžkou atmosférou. Pod vplyvom tohto mohutného žiarenia dochádza k ionizácii atmosféry, t.j. molekula plynu stráca elektrón a získava kladný elektrický náboj. Takéto molekuly sa stávajú kladne nabitými iónmi. Vďaka prítomnosti voľných elektrónov a iónov získava táto vrstva atmosféry vlastnosti elektrického vodiča. Predpokladá sa, že teplota naďalej stúpa do výšok, kde riedka atmosféra prechádza do medziplanetárneho priestoru. Vo vzdialenosti niekoľkých tisíc kilometrov od zemského povrchu budú pravdepodobne prevládať teploty od 5 000° do 10 000° C. Hoci molekuly a atómy majú veľmi vysoké rýchlosti pohybu, a teda aj vysoké teploty, tento riedky plyn nie je „horúci“ v obvyklom zmysle. Vzhľadom na malý počet molekúl vo vysokých nadmorských výškach je ich celková tepelná energia veľmi malá. Atmosféra sa teda skladá zo samostatných vrstiev (t. j. série sústredných škrupín alebo gúľ), ktorých oddelenie závisí od toho, o ktorú vlastnosť je najväčší záujem. Meteorológovia na základe rozloženia priemerných teplôt vypracovali diagram štruktúry ideálnej „priemernej atmosféry“ (pozri obr. 1).
Troposféra je spodná vrstva atmosféry, siahajúca po prvé tepelné minimum (tzv. tropopauza). Horná hranica troposféry závisí od zemepisnej šírky(v trópoch - 18-20 km, v miernych zemepisných šírkach - asi 10 km) a ročné obdobie. Americká národná meteorologická služba vykonala sondy v blízkosti južného pólu a odhalila sezónne zmeny vo výške tropopauzy. V marci je tropopauza vo výške cca. 7,5 km. Od marca do augusta alebo septembra dochádza k neustálemu ochladzovaniu troposféry a jej hranica sa na krátky čas v auguste alebo septembri dvíha do výšky približne 11,5 km. Potom od septembra do decembra rapídne klesá a dosahuje najnižšiu polohu - 7,5 km, kde zostáva až do marca, kolíše v rozmedzí len 0,5 km. Práve v troposfére sa tvorí najmä počasie, ktoré určuje podmienky pre existenciu človeka. Väčšina atmosférickej vodnej pary sa sústreďuje v troposfére a tu sa primárne tvoria oblaky, hoci niektoré, zložené z ľadových kryštálikov, sa nachádzajú vo vyšších vrstvách. Troposféru charakterizujú turbulencie a silné vzdušné prúdy (vietor) a búrky. V hornej troposfére sú silné vzdušné prúdy v presne vymedzenom smere. Turbulentné víry, podobné malým vírom, vznikajú vplyvom trenia a dynamickej interakcie medzi pomaly a rýchlo sa pohybujúcimi vzduchovými hmotami. Pretože na týchto vysokých úrovniach zvyčajne nie je žiadna oblačnosť, táto turbulencia sa nazýva „turbulencia čistého vzduchu“.
Stratosféra. Horná vrstva atmosféry je často mylne označovaná ako vrstva s relatívne stálymi teplotami, kde vetry fúkajú viac-menej rovnomerne a kde sa meteorologické prvky menia len málo. Horné vrstvy stratosféry sa zahrievajú, keď kyslík a ozón absorbujú ultrafialové žiarenie zo slnka. Horná hranica stratosféry (stratopauza) je miesto, kde teplota mierne stúpa a dosahuje stredné maximum, ktoré je často porovnateľné s teplotou povrchovej vrstvy vzduchu. Na základe pozorovaní uskutočnených pomocou lietadiel a balónov určených na lietanie v konštantných výškach boli v stratosfére zistené turbulentné poruchy a silné vetry fúkajúce rôznymi smermi. Rovnako ako v troposfére, aj tu existujú silné vzdušné víry, ktoré sú nebezpečné najmä pre vysokorýchlostné lietadlá. Silné vetry, nazývané tryskové prúdy, vanú v úzkych zónach pozdĺž hraníc miernych zemepisných šírok smerujúcich k pólom. Tieto zóny sa však môžu posunúť, zmiznúť a znovu sa objaviť. Tryskové prúdy typicky prenikajú cez tropopauzu a objavujú sa v hornej troposfére, ale ich rýchlosť rýchlo klesá s klesajúcou výškou. Je možné, že časť energie vstupujúcej do stratosféry (hlavne vynaložená na tvorbu ozónu) ovplyvňuje procesy v troposfére. Obzvlášť aktívne miešanie je spojené s atmosférickými frontami, kde boli hlboko pod tropopauzou zaznamenané rozsiahle prúdy stratosférického vzduchu a troposférický vzduch bol vťahovaný do spodných vrstiev stratosféry. V štúdii sa dosiahol významný pokrok vertikálna štruktúra nižších vrstiev atmosféry v dôsledku zlepšenia technológie vypúšťania rádiosond do výšok 25-30 km. Mezosféra, ktorá sa nachádza nad stratosférou, je škrupina, v ktorej až do výšky 80-85 km klesá teplota na minimálne hodnoty pre atmosféru ako celok. Rekordne nízke teploty až do -110 °C zaznamenali meteorologické rakety vypustené z americko-kanadského zariadenia vo Fort Churchill (Kanada). Horná hranica mezosféry (mezopauza) sa približne zhoduje so spodnou hranicou oblasti aktívnej absorpcie röntgenového a krátkovlnného ultrafialového žiarenia zo Slnka, ktoré je sprevádzané zahrievaním a ionizáciou plynu. V polárnych oblastiach sa počas mezopauzy v lete často objavujú oblačné systémy, ktoré zaberajú veľkú plochu, ale majú malý vertikálny vývoj. Takéto nočné žiariace oblaky často odhaľujú veľké vlnové pohyby vzduchu v mezosfére. Zloženie týchto oblakov, zdroje vlhkosti a kondenzačných jadier, dynamika a vzťahy s meteorologickými faktormi ešte nie sú dostatočne prebádané. Termosféra je vrstva atmosféry, v ktorej teplota neustále stúpa. Jeho výkon môže dosiahnuť 600 km. Tlak a teda aj hustota plynu s nadmorskou výškou neustále klesá. V blízkosti zemského povrchu obsahuje 1 m3 vzduchu cca. 2,5 x 1025 molekúl, vo výške cca. 100 km, v spodných vrstvách termosféry - približne 1019, vo výške 200 km, v ionosfére - 5 * 10 15 a podľa výpočtov vo výške cca. 850 km - približne 1012 molekúl. V medziplanetárnom priestore je koncentrácia molekúl 10 8-10 9 na 1 m3. V nadmorskej výške cca. 100 km je počet molekúl malý a zriedka sa navzájom zrážajú. Priemerná vzdialenosť, ktorú chaoticky sa pohybujúca molekula prejde pred zrážkou s inou podobnou molekulou, sa nazýva jej stredná voľná dráha. Vrstva, v ktorej sa táto hodnota zväčší natoľko, že možno zanedbať pravdepodobnosť medzimolekulových alebo medziatómových zrážok, sa nachádza na hranici medzi termosférou a nadložnou škrupinou (exosférou) a nazýva sa termopauza. Termopauza je približne 650 km od zemského povrchu. Pri určitej teplote závisí rýchlosť molekuly od jej hmotnosti: ľahšie molekuly sa pohybujú rýchlejšie ako ťažšie. V spodnej atmosfére, kde je voľná dráha veľmi krátka, nie je badateľná separácia plynov podľa ich molekulovej hmotnosti, ale vyjadruje sa nad 100 km. Navyše vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka sa molekuly kyslíka rozpadajú na atómy, ktorých hmotnosť je polovičná ako hmotnosť molekuly. Preto, ako sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atómový kyslík nadobúda čoraz väčší význam v zložení atmosféry a vo výške cca. Jeho hlavnou zložkou sa stáva 200 km. Vyššie, vo vzdialenosti približne 1200 km od povrchu Zeme, prevládajú ľahké plyny – hélium a vodík. Vonkajší obal atmosféry sa skladá z nich. Táto separácia podľa hmotnosti, nazývaná difúzna stratifikácia, je podobná separácii zmesí pomocou centrifúgy. Exosféra je vonkajšia vrstva atmosféry, ktorá vzniká na základe zmien teploty a vlastností neutrálneho plynu. Molekuly a atómy v exosfére rotujú okolo Zeme po balistických dráhach pod vplyvom gravitácie. Niektoré z týchto dráh sú parabolické a pripomínajú trajektórie projektilov. Molekuly sa môžu otáčať okolo Zeme a na eliptických dráhach, ako sú satelity. Niektoré molekuly, hlavne vodík a hélium, majú otvorené trajektórie a smerujú do vesmíru (obr. 2).
SLNEČNÉ POZEMSKÉ PREPOJENIA A ICH VPLYV NA ATMOSFÉRU
Atmosférické prílivy a odlivy. Príťažlivosť Slnka a Mesiaca spôsobuje príliv a odliv v atmosfére, podobný zemskému a morskému prílivu. Atmosférické prílivy a odlivy majú však významný rozdiel: atmosféra reaguje najsilnejšie na príťažlivosť Slnka, zatiaľ čo zemská kôra a oceán reagujú najsilnejšie na príťažlivosť Mesiaca. Vysvetľuje to skutočnosť, že atmosféra je ohrievaná Slnkom a okrem gravitácie dochádza k silnému tepelnému prílivu. Vo všeobecnosti sú mechanizmy vzniku atmosférického a morského prílivu a odlivu podobné, s tým rozdielom, že na predpovedanie reakcie vzduchu na gravitačné a tepelné vplyvy je potrebné brať do úvahy jeho stlačiteľnosť a rozloženie teplôt. Nie je celkom jasné, prečo poldenný (12-hodinový) slnečný príliv v atmosfére prevláda nad denným slnečným a poldenným mesačným prílivom, hoci hnacích síl Posledné dva procesy sú oveľa výkonnejšie. Predtým sa verilo, že v atmosfére vzniká rezonancia, ktorá zosilňuje oscilácie s periódou 12 hodín. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet však naznačujú absenciu teplotných dôvodov pre takúto rezonanciu. Pri riešení tohto problému je pravdepodobne potrebné vziať do úvahy všetky hydrodynamické a tepelné vlastnosti atmosféry. Na zemskom povrchu v blízkosti rovníka, kde je vplyv slapových výkyvov maximálny, poskytuje zmenu atmosférického tlaku o 0,1 %. Rýchlosť prílivového vetra je cca. 0,3 km/h. Zložitou tepelnou štruktúrou atmosféry (najmä prítomnosťou minimálnej teploty v mezopauze) dochádza k zosilneniu prílivových prúdov vzduchu a napríklad vo výške 70 km je ich rýchlosť približne 160-krát vyššia ako rýchlosť prúdenia vzduchu. zemského povrchu, čo má dôležité geofyzikálne dôsledky. Predpokladá sa, že v spodnej časti ionosféry (vrstva E) slapové výkyvy posúvajú ionizovaný plyn vertikálne v magnetickom poli Zeme, a preto tu vznikajú elektrické prúdy. Tieto neustále vznikajúce sústavy prúdov na zemskom povrchu vznikajú poruchami v magnetickom poli. Denné zmeny magnetického poľa sú v pomerne dobrej zhode s vypočítanými hodnotami, čo poskytuje presvedčivý dôkaz v prospech teórie slapových mechanizmov „atmosférického dynama“. Elektrické prúdy vznikajúce v spodnej časti ionosféry (vrstva E) musia niekam putovať, a preto je potrebné okruh doplniť. Analógia s dynamom je úplná, ak nadchádzajúci pohyb považujeme za prácu motora. Predpokladá sa, že k spätnej cirkulácii elektrického prúdu dochádza vo vyššej vrstve ionosféry (F) a tento protiprúd môže vysvetľovať niektoré zvláštne črty tejto vrstvy. Nakoniec, prílivový efekt by mal generovať aj horizontálne toky vo vrstve E a teda vo vrstve F.
Ionosféra. Pokúšajú sa vysvetliť mechanizmus výskytu polárnej žiary vedci 19. storočia. navrhol, že v atmosfére existuje zóna s elektricky nabitými časticami. V 20. storočí boli experimentálne získané presvedčivé dôkazy o existencii vrstvy, ktorá odráža rádiové vlny, vo výškach 85 až 400 km. Dnes je známe, že jeho elektrické vlastnosti sú výsledkom ionizácie atmosférického plynu. Preto sa táto vrstva zvyčajne nazýva ionosféra. Účinok na rádiové vlny nastáva najmä v dôsledku prítomnosti voľných elektrónov v ionosfére, aj keď mechanizmus šírenia rádiových vĺn je spojený s prítomnosťou veľkých iónov. Posledne menované sú tiež zaujímavé pri štúdiu chemických vlastností atmosféry, pretože sú aktívnejšie ako neutrálne atómy a molekuly. Chemické reakcie prebiehajúce v ionosfére hrajú dôležitú úlohu v jej energetickej a elektrickej rovnováhe.
Normálna ionosféra. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet a satelitov poskytli množstvo nových informácií, ktoré naznačujú, že k ionizácii atmosféry dochádza pod vplyvom slnečného žiarenia. veľký rozsah. Jeho hlavná časť (viac ako 90 %) je sústredená vo viditeľnej časti spektra. Ultrafialové žiarenie S kratšou vlnovou dĺžkou a vyššou energiou ako fialové svetelné lúče je emitované vodíkom vo vnútornej časti slnečnej atmosféry (chromosféra) a röntgenové lúče, ktoré majú ešte vyššiu energiu, sú emitované plynmi vo vonkajšom obale. Slnko (koróna). Normálny (priemerný) stav ionosféry je spôsobený konštantným silným žiarením. V normálnej ionosfére dochádza v dôsledku dennej rotácie Zeme a sezónnych rozdielov v uhle dopadu slnečných lúčov na poludnie k pravidelným zmenám, ale dochádza aj k nepredvídateľným a náhlym zmenám stavu ionosféry.
Poruchy v ionosfére. Ako je známe, na Slnku sa vyskytujú silné cyklicky sa opakujúce poruchy, ktoré dosahujú maximum každých 11 rokov. Pozorovania v rámci programu International Geophysical Year (IGY) sa zhodovali s obdobím najvyššej slnečnej aktivity za celé obdobie systematických meteorologických pozorovaní, t.j. zo začiatku 18. storočia. Počas obdobia vysokej aktivity sa jas niektorých oblastí na Slnku niekoľkonásobne zvýši a tie vysielajú silné impulzy ultrafialového a röntgenového žiarenia. Takéto javy sa nazývajú slnečné erupcie. Trvajú od niekoľkých minút do jednej až dvoch hodín. Počas erupcie dochádza k erupcii slnečného plynu (väčšinou protónov a elektrónov) a elementárne častice ponáhľať sa do vesmíru. Elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie zo Slnka počas takýchto erupcií má silný vplyv na zemskú atmosféru. Počiatočná reakcia sa pozoruje 8 minút po vzplanutí, keď Zem dosiahne intenzívne ultrafialové a röntgenové žiarenie. V dôsledku toho sa ionizácia prudko zvyšuje; Röntgenové lúče prenikajú atmosférou až k spodnej hranici ionosféry; počet elektrónov v týchto vrstvách narastá natoľko, že rádiové signály sú takmer úplne absorbované („zhasnuté“). Dodatočná absorpcia žiarenia spôsobuje zahrievanie plynu, čo prispieva k rozvoju vetrov. Ionizovaný plyn je elektrický vodič a pri jeho pohybe v magnetickom poli Zeme dochádza k dynamoefektu a vzniká elektrický prúd. Takéto prúdy môžu zase spôsobiť citeľné poruchy v magnetickom poli a prejaviť sa vo forme magnetických búrok. Táto počiatočná fáza trvá len krátky čas, ktorý zodpovedá trvaniu slnečnej erupcie. Počas silných erupcií na Slnku sa prúd zrýchlených častíc rúti do vesmíru. Keď je nasmerovaný k Zemi, začína sa druhá fáza, ktorá má veľký vplyv na stav atmosféry. Veľa prirodzený fenomén, medzi ktorými sú najznámejšie polárne žiary, naznačujú, že na Zem sa dostane značný počet nabitých častíc (pozri tiež AURORAS). Procesy oddeľovania týchto častíc od Slnka, ich trajektórie v medziplanetárnom priestore a mechanizmy interakcie s magnetickým poľom Zeme a magnetosférou však ešte nie sú dostatočne preštudované. Problém sa skomplikoval po tom, čo v roku 1958 objavil James Van Allen škrupiny pozostávajúce z nabitých častíc, ktoré drží geomagnetické pole. Tieto častice sa pohybujú z jednej pologule na druhú a otáčajú sa v špirálach okolo magnetických siločiar. V blízkosti Zeme sa vo výške závislej od tvaru siločiar a energie častíc nachádzajú „body odrazu“, v ktorých častice menia smer pohybu na opačný (obr. 3). Pretože sila magnetického poľa so vzdialenosťou od Zeme klesá, dráhy, po ktorých sa tieto častice pohybujú, sú trochu skreslené: elektróny sú vychyľované na východ a protóny na západ. Preto sú distribuované vo forme pásov po celej zemeguli.
Niektoré dôsledky zahrievania atmosféry Slnkom. Slnečná energia ovplyvňuje celú atmosféru. Pásy tvorené nabitými časticami v magnetickom poli Zeme a rotujúce okolo neho už boli spomenuté vyššie. Najbližšie k zemskému povrchu sa tieto pásy približujú v subpolárnych oblastiach (pozri obr. 3), kde sú pozorované polárne žiary. Obrázok 1 ukazuje, že v aurorálnych oblastiach v Kanade sú teploty termosféry výrazne vyššie ako v juhozápadných Spojených štátoch. Je pravdepodobné, že zachytené častice uvoľnia časť svojej energie do atmosféry, najmä pri zrážke s molekulami plynu v blízkosti bodov odrazu, a opustia svoje predchádzajúce dráhy. Takto sa zahrievajú vysoké vrstvy atmosféry v polárnej zóne. Ďalší dôležitý objav sa podaril pri štúdiu obežných dráh umelých satelitov. Luigi Iacchia, astronóm zo Smithsonian Astrophysical Observatory, sa domnieva, že mierne odchýlky na týchto dráhach sú spôsobené zmenami v hustote atmosféry, keď ju ohrieva Slnko. Navrhol existenciu maximálnej hustoty elektrónov vo výške viac ako 200 km v ionosfére, ktorá nezodpovedá slnečnému poludniu, ale vplyvom trecích síl sa oproti nej oneskorí asi o dve hodiny. V tomto čase sú hodnoty hustoty atmosféry typické pre nadmorskú výšku 600 km na úrovni cca. 950 km. Okrem toho maximálna hustota elektrónov podlieha nepravidelným výkyvom v dôsledku krátkodobých zábleskov ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. L. Iacchia tiež objavil krátkodobé kolísanie hustoty vzduchu, zodpovedajúce slnečným erupciám a poruchám magnetického poľa. Tieto javy sa vysvetľujú vnikaním častíc slnečného pôvodu do zemskej atmosféry a zahrievaním tých vrstiev, kde obiehajú satelity.
ATMOSFÉRICKÁ ELEKTRINA
V povrchovej vrstve atmosféry malá časť molekuly podliehajú ionizácii pod vplyvom kozmického žiarenia, rádioaktívneho žiarenia skaly a produkty rozpadu rádia (hlavne radón) v samotnom vzduchu. Počas ionizácie atóm stráca elektrón a získava kladný náboj. Voľný elektrón sa rýchlo spojí s iným atómom a vytvorí záporne nabitý ión. Takéto spárované pozitívne a záporné ióny majú molekulárne rozmery. Molekuly v atmosfére majú tendenciu sa zhlukovať okolo týchto iónov. Niekoľko molekúl kombinovaných s iónom tvorí komplex, ktorý sa zvyčajne nazýva „ľahký ión“. Atmosféra obsahuje aj komplexy molekúl, v meteorológii známe ako kondenzačné jadrá, okolo ktorých, keď je vzduch nasýtený vlhkosťou, začína proces kondenzácie. Tieto jadrá sú častice soli a prachu, ako aj znečisťujúce látky uvoľňované do ovzdušia z priemyselných a iných zdrojov. Ľahké ióny sa často viažu na takéto jadrá a vytvárajú „ťažké ióny“. Pod vplyvom elektrické poleľahké a ťažké ióny sa pohybujú z jednej oblasti atmosféry do druhej a prenášajú elektrické náboje. Hoci atmosféra nie je všeobecne považovaná za elektricky vodivú, má určitú vodivosť. Preto nabité teleso ponechané vo vzduchu pomaly stráca svoj náboj. Atmosférická vodivosť sa zvyšuje s nadmorskou výškou v dôsledku zvýšenej intenzity kozmického žiarenia, zníženej straty iónov pri nižšom tlaku (a teda dlhšej strednej voľnej dráhy) a menšieho počtu ťažkých jadier. Atmosférická vodivosť dosahuje maximálnu hodnotu vo výške cca. 50 km, tzv „úroveň kompenzácie“. Je známe, že medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je konštantný potenciálny rozdiel niekoľko stoviek kilovoltov, t.j. konštantné elektrické pole. Ukázalo sa, že potenciálny rozdiel medzi určitým bodom nachádzajúcim sa vo vzduchu vo výške niekoľkých metrov a povrchom Zeme je veľmi veľký – viac ako 100 V. Atmosféra má kladný náboj a zemský povrch je nabitý záporne. . Keďže elektrické pole je oblasť, v ktorej každom bode je určitá hodnota potenciálu, môžeme hovoriť o potenciálnom gradiente. Za jasného počasia je intenzita elektrického poľa atmosféry takmer konštantná. V dôsledku rozdielov v elektrickej vodivosti vzduchu v povrchovej vrstve podlieha potenciálový gradient denným výkyvom, ktorých priebeh sa v jednotlivých miestach výrazne líši. Pri absencii miestnych zdrojov znečistenia ovzdušia – nad oceánmi, vysoko v horách alebo v polárnych oblastiach – je denná variácia gradientu potenciálu za jasného počasia rovnaká. Veľkosť gradientu závisí od univerzálneho alebo greenwichského priemeru času (UT) a dosahuje maximum o 19 hodinách. E. Appleton naznačil, že táto maximálna elektrická vodivosť sa pravdepodobne zhoduje s najväčšou búrkovou aktivitou na planetárnom meradle. Výboje blesku počas búrok prenášajú na zemský povrch záporný náboj, pretože základne najaktívnejších kumulonimbusov majú významné záporný náboj. Vrcholy búrkových oblakov majú kladný náboj, ktorý podľa výpočtov Holzera a Saxona pri búrkach odteká z ich vrchov. Bez neustáleho dopĺňania by bol náboj na zemskom povrchu neutralizovaný atmosférickou vodivosťou. Predpoklad, že potenciálny rozdiel medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je udržiavaný búrkami, je podporený štatistickými údajmi. Napríklad maximálny počet búrok sa pozoruje v údolí rieky. Amazonky. Najčastejšie sa tam búrky vyskytujú na konci dňa, t.j. OK. 19:00 Greenwichský čas, kedy je potenciálny gradient kdekoľvek na svete maximálny. Okrem toho sezónne variácie v tvare denných variačných kriviek potenciálneho gradientu sú tiež v úplnom súlade s údajmi o globálnom rozložení búrok. Niektorí vedci tvrdia, že zdroj elektrického poľa Zeme môže byť vonkajšieho pôvodu, pretože sa predpokladá, že elektrické polia existujú v ionosfére a magnetosfére. Táto okolnosť pravdepodobne vysvetľuje výskyt veľmi úzkych pretiahnutých foriem polárnych žiaroviek, podobných kulisám a oblúkom
(pozri tiež SVETLÁ AURORA). V dôsledku prítomnosti potenciálneho gradientu a vodivosti atmosféry sa nabité častice začínajú pohybovať medzi „kompenzačnou úrovňou“ a zemským povrchom: kladne nabité ióny sa pohybujú smerom k zemskému povrchu a záporne nabité ióny sa pohybujú smerom nahor od neho. Sila tohto prúdu je cca. 1800 A. Hoci sa táto hodnota zdá byť veľká, treba mať na pamäti, že je rozložená po celom povrchu Zeme. Sila prúdu v stĺpci vzduchu so základnou plochou 1 m2 je len 4 * 10 -12 A. Na druhej strane sila prúdu pri výboji blesku môže dosiahnuť niekoľko ampérov, aj keď, samozrejme, napr. výboj má krátke trvanie - od zlomku sekundy po celú sekundu alebo o niečo viac s opakovanými výbojmi. Blesk je veľmi zaujímavý nielen ako svojrázny prírodný úkaz. Umožňuje pozorovať elektrický výboj v plynnom prostredí pri napätí niekoľko stoviek miliónov voltov a vzdialenosti medzi elektródami niekoľko kilometrov. V roku 1750 B. Franklin navrhol Kráľovskej spoločnosti v Londýne uskutočniť experiment so železnou tyčou namontovanou na izolačnom podstavci a namontovanou na vysokej veži. Očakával, že keď sa búrkový mrak približuje k veži, náboj opačného znamenia sa sústredí na hornom konci pôvodne neutrálnej tyče a náboj rovnakého znamenia ako na základni oblaku sa koncentruje na spodnom konci. . Ak sa intenzita elektrického poľa pri výboji blesku dostatočne zvýši, náboj z horného konca tyče bude čiastočne prúdiť do vzduchu a tyč získa náboj rovnakého znamienka ako základňa oblaku. Franklinom navrhovaný experiment sa neuskutočnil v Anglicku, ale uskutočnil ho v roku 1752 v Marly pri Paríži francúzsky fyzik Jean d'Alembert Použil železnú tyč dlhú 12 m vloženú do sklenenej fľaše (ktorá slúžila ako izolátor), ale neumiestnil ho na vežu. 10. mája jeho asistent oznámil, že keď bol búrkový mrak nad činkou, vytvárali sa iskry, keď sa k nej priviedol uzemnený drôt. Franklin sám nevedel o úspešnom experimente vykonanom vo Francúzsku , v júni toho istého roku uskutočnil svoj slávny pokus s drakom a pozoroval elektrické iskry na konci drôtu, ktorý je k nemu priviazaný. Nasledujúci rok pri štúdiu nábojov zozbieraných z tyče Franklin zistil, že základne mrakov sú zvyčajne negatívne nabité. Podrobnejšie štúdium blesku bolo možné koncom 19. storočia vďaka zdokonaleniu fotografickej techniky, najmä po vynájdení prístroja s rotačnými šošovkami, ktorý umožnil zaznamenávať rýchlo sa rozvíjajúce procesy. Tento typ kamery bol široko používaný pri štúdiu iskrových výbojov. Zistilo sa, že existuje niekoľko druhov bleskov, pričom najbežnejšie sú čiarové, rovinné (v oblakoch) a guľové (vzduchové výboje). Lineárny blesk je iskrový výboj medzi oblakom a zemským povrchom, ktorý sleduje kanál s vetvami smerujúcimi nadol. Ploché blesky sa vyskytujú v búrkovom oblaku a objavujú sa ako záblesky rozptýleného svetla. Vzduchové výboje guľového blesku, vychádzajúce z búrkového mraku, sú často smerované horizontálne a nedosahujú zemský povrch.
Výboj blesku zvyčajne pozostáva z troch alebo viacerých opakovaných výbojov - impulzov sledujúcich rovnakú dráhu. Intervaly medzi po sebe nasledujúcimi impulzmi sú veľmi krátke, od 1/100 do 1/10 s (to spôsobuje blikanie blesku). Vo všeobecnosti trvá blesk približne sekundu alebo menej. Typický proces vývoja blesku možno opísať nasledovne. Najprv sa zhora na zemský povrch vyrúti slabo svietiaci vodiaci výboj. Keď ho dosiahne, jasne žiariaci spätný alebo hlavný výboj prechádza zo zeme nahor cez kanál, ktorý položil vodca. Vedúci výboj sa spravidla pohybuje cik-cak. Rýchlosť jeho šírenia sa pohybuje od sto do niekoľkých stoviek kilometrov za sekundu. Na svojej ceste ionizuje molekuly vzduchu a vytvára kanál so zvýšenou vodivosťou, cez ktorý sa spätný výboj pohybuje nahor rýchlosťou približne stokrát väčšou ako je rýchlosť vedúceho výboja. Veľkosť kanála je ťažké určiť, ale priemer vodiaceho výboja sa odhaduje na 1-10 m a priemer spätného výboja je niekoľko centimetrov. Výboje blesku vytvárajú rádiové rušenie vyžarovaním rádiových vĺn v širokom rozsahu – od 30 kHz po ultra nízke frekvencie. Najväčšia emisia rádiových vĺn je pravdepodobne v rozsahu od 5 do 10 kHz. Takéto nízkofrekvenčné rádiové rušenie sa „koncentruje“ v priestore medzi spodnou hranicou ionosféry a zemským povrchom a môže sa šíriť do vzdialeností tisícok kilometrov od zdroja.
ZMENY V ATMOSFÉRE
Vplyv meteorov a meteoritov. Hoci meteorické roje niekedy vytvárajú dramatické zobrazenie svetla, jednotlivé meteory vidno len zriedka. Oveľa početnejšie sú neviditeľné meteory, príliš malé na to, aby boli viditeľné, keď sa absorbujú do atmosféry. Niektoré z najmenších meteorov sa pravdepodobne vôbec nezohrievajú, ale sú zachytené iba atmosférou. Tieto malé častice s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do desať tisícin milimetra sa nazývajú mikrometeority. Množstvo meteorického materiálu vstupujúceho do atmosféry každý deň sa pohybuje od 100 do 10 000 ton, pričom väčšina tohto materiálu pochádza z mikrometeoritov. Keďže meteorická hmota čiastočne horí v atmosfére, jej zloženie plynu je doplnené stopami rôznych chemických prvkov. Napríklad skalné meteory vnášajú do atmosféry lítium. Spaľovanie kovových meteorov vedie k tvorbe drobných guľovitých železných, železo-niklových a iných kvapôčok, ktoré prechádzajú atmosférou a usadzujú sa na zemskom povrchu. Možno ich nájsť v Grónsku a Antarktíde, kde ľadové štíty zostávajú roky takmer nezmenené. Oceánológovia ich nachádzajú v sedimentoch dna oceánov. Väčšina meteorických častíc vstupujúcich do atmosféry sa usadí približne do 30 dní. Niektorí vedci sa domnievajú, že tento kozmický prach hrá dôležitú úlohu pri vytváraní atmosférických javov, ako je dážď, pretože slúži ako kondenzačné jadrá pre vodnú paru. Preto sa predpokladá, že zrážky štatisticky súvisia s veľkými meteorickými rojmi. Niektorí odborníci sa však domnievajú, že vzhľadom na to, že celková zásoba meteorického materiálu je mnohonásobne väčšia ako pri najväčšom meteorickom roji, možno zanedbať zmenu celkového množstva tohto materiálu v dôsledku jedného takéhoto dažďa. Niet však pochýb o tom, že najväčšie mikrometeority a samozrejme viditeľné meteority zanechávajú dlhé stopy po ionizácii vo vysokých vrstvách atmosféry, najmä v ionosfére. Takéto stopy sa môžu použiť na rádiovú komunikáciu na veľké vzdialenosti, pretože odrážajú vysokofrekvenčné rádiové vlny. Energia meteorov vstupujúcich do atmosféry sa vynakladá hlavne a možno úplne na jej zahrievanie. Toto je jedna z vedľajších zložiek tepelnej rovnováhy atmosféry.
Oxid uhličitý priemyselného pôvodu. V období karbónu bola na Zemi rozšírená drevinová vegetácia. Väčšina oxidu uhličitého absorbovaného rastlinami sa v tom čase nahromadila v uhoľných ložiskách a ropných sedimentoch. Človek sa naučil využívať obrovské zásoby týchto minerálov ako zdroj energie a teraz rýchlo vracia oxid uhličitý do kolobehu látok. Fosílny stav je pravdepodobne cca. 4*10 13 ton uhlíka. Za posledné storočie ľudstvo spálilo toľko fosílnych palív, že približne 4*10 11 ton uhlíka sa znovu dostalo do atmosféry. V súčasnosti je cca. 2 * 10 12 ton uhlíka a v najbližších sto rokoch v dôsledku spaľovania fosílnych palív sa toto číslo môže zdvojnásobiť. Nie všetok uhlík však zostane v atmosfére: časť sa rozpustí vo vodách oceánu, časť pohltí rastliny a časť sa viaže v procese zvetrávania hornín. Zatiaľ nie je možné predpovedať, koľko oxidu uhličitého bude obsiahnutých v atmosfére, ani aký presne to bude mať vplyv na klímu zemegule. Predpokladá sa však, že akékoľvek zvýšenie jeho obsahu spôsobí otepľovanie, aj keď vôbec nie je potrebné, aby akékoľvek oteplenie výrazne ovplyvňovalo klímu. Koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére podľa výsledkov meraní citeľne stúpa, aj keď pomalým tempom. Klimatické údaje pre Svalbard a stanicu Little America na Rossovom ľadovom šelfe v Antarktíde naznačujú nárast priemerných ročných teplôt o 5 °C a 2,5 °C, v uvedenom poradí, za približne 50-ročné obdobie.
Vystavenie kozmickému žiareniu. Pri interakcii vysokoenergetického kozmického žiarenia s jednotlivými zložkami atmosféry vznikajú rádioaktívne izotopy. Medzi nimi vyniká izotop uhlíka 14C, ktorý sa hromadí v rastlinných a živočíšnych tkanivách. Meraním rádioaktivity organickej hmoty, ktoré si už dlho nevymieňali uhlík s životné prostredie, dá sa určiť ich vek. Rádiokarbónová metóda sa etablovala ako najspoľahlivejšia metóda na datovanie fosílnych organizmov a predmetov hmotnej kultúry, ktorých vek nepresahuje 50 tisíc rokov. K dnešnému dňu materiály staré státisíce rokov bude možné použiť iné rádioaktívne izotopy s dlhým polčasom rozpadu, ak základný problém merania extrémne nízke úrovne rádioaktivita
(pozri aj RÁDIOuhlíková zoznamka).
VZNIK ATMOSFÉRY ZEME
História vzniku atmosféry ešte nie je úplne spoľahlivo zrekonštruovaná. Napriek tomu boli identifikované niektoré pravdepodobné zmeny v jeho zložení. Tvorba atmosféry začala hneď po sformovaní Zeme. Existujú celkom dobré dôvody domnievať sa, že v procese vývoja Zeme a jej nadobúdania rozmerov a hmotnosti blízkych moderným takmer úplne stratila svoju pôvodnú atmosféru. Predpokladá sa, že v ranom štádiu bola Zem v roztavenom stave a cca. Pred 4,5 miliardami rokov sa sformoval do pevného telesa. Tento míľnik sa považuje za začiatok geologickej chronológie. Odvtedy došlo k pomalému vývoju atmosféry. Niektoré geologické procesy, ako napríklad vylievanie lávy pri sopečných erupciách, boli sprevádzané uvoľňovaním plynov z útrob Zeme. Pravdepodobne medzi ne patril dusík, čpavok, metán, vodná para, oxid uhoľnatý a oxid. Vplyvom slnečného ultrafialového žiarenia sa vodná para rozložila na vodík a kyslík, no uvoľnený kyslík reagoval s oxidom uhoľnatým za vzniku oxidu uhličitého. Amoniak sa rozkladá na dusík a vodík. Počas procesu difúzie vodík stúpal nahor a opúšťal atmosféru a ťažší dusík sa nemohol odparovať a postupne sa hromadil a stal sa jeho hlavnou zložkou, hoci časť z neho bola viazaná počas chemické reakcie . Vplyvom ultrafialových lúčov a elektrických výbojov vstúpila zmes plynov, ktoré sa pravdepodobne nachádzali v pôvodnej atmosfére Zeme, do chemických reakcií, ktoré viedli k tvorbe organických látok, najmä aminokyselín. V dôsledku toho mohol život vzniknúť v atmosfére zásadne odlišnej od tej modernej. S príchodom primitívnych rastlín sa začal proces fotosyntézy (pozri aj FOTOSYNTÉZA), sprevádzaný uvoľňovaním voľného kyslíka. Tento plyn, najmä po difúzii do vyšších vrstiev atmosféry, začal chrániť jej spodné vrstvy a povrch Zeme pred životu nebezpečným ultrafialovým a röntgenovým žiarením. Odhaduje sa, že prítomnosť iba 0,00004 moderného objemu kyslíka by mohla viesť k vytvoreniu vrstvy s polovičnou koncentráciou ozónu, ktorá napriek tomu poskytovala veľmi významnú ochranu pred ultrafialovým žiarením. Je tiež pravdepodobné, že primárna atmosféra obsahovala veľa oxidu uhličitého. Spotreboval sa pri fotosyntéze a jeho koncentrácia musela klesať s vývojom sveta rastlín a tiež v dôsledku absorpcie počas určitých geologických procesov. Keďže skleníkový efekt súvisí s prítomnosťou oxidu uhličitého v atmosfére, niektorí vedci sa domnievajú, že kolísanie jeho koncentrácie je jednou z dôležitých príčin rozsiahlych klimatických zmien v histórii Zeme, akými boli napríklad doby ľadové. Hélium prítomné v modernej atmosfére je pravdepodobne z veľkej časti produktom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a rádia. Tieto rádioaktívne prvky emitujú častice alfa, ktoré sú jadrami atómov hélia. Keďže počas rádioaktívneho rozpadu nevzniká ani nestráca žiadny elektrický náboj, na každú alfa časticu pripadajú dva elektróny. V dôsledku toho sa s nimi spája a vytvára neutrálne atómy hélia. Rádioaktívne prvky obsahujú minerály rozptýlené v horninách, takže značná časť hélia vzniknutého v dôsledku rádioaktívneho rozpadu sa v nich zadržiava a veľmi pomaly uniká do atmosféry. Určité množstvo hélia stúpa v dôsledku difúzie smerom nahor do exosféry, ale vďaka neustálemu prílevu zo zemského povrchu je objem tohto plynu v atmosfére konštantný. Na základe spektrálnej analýzy hviezdneho svetla a štúdia meteoritov je možné odhadnúť relatívne zastúpenie rôznych chemických prvkov vo vesmíre. Koncentrácia neónu vo vesmíre je asi desaťmiliardkrát vyššia ako na Zemi, kryptónu desaťmiliónkrát a xenónu miliónkrát. Z toho vyplýva, že koncentrácia týchto inertných plynov, ktoré sa pôvodne nachádzali v zemskej atmosfére a počas chemických reakcií sa nedopĺňali, výrazne klesla, pravdepodobne aj v štádiu straty primárnej atmosféry Zeme. Výnimkou je inertný plyn argón, keďže vo forme izotopu 40Ar vzniká ešte pri rádioaktívnom rozpade izotopu draslíka.
OPTICKÉ JAMY
Rozmanitosť optických javov v atmosfére je spôsobená rôznymi dôvodmi. Medzi najbežnejšie javy patria blesky (pozri vyššie) a veľmi efektné severné a južné polárne žiary (pozri tiež AURORA). Okrem toho sú zaujímavé najmä dúha, gal, parhelium (falošné slnko) a oblúky, koróna, halo a Brockenovci, fatamorgány, ohne svätého Elma, svetelné oblaky, zelené a súmračné lúče. Dúha je najkrajší atmosférický úkaz. Zvyčajne ide o obrovský oblúk pozostávajúci z viacfarebných pruhov, ktorý sa pozoruje, keď Slnko osvetľuje iba časť oblohy a vzduch je nasýtený kvapkami vody, napríklad počas dažďa. Viacfarebné oblúky sú usporiadané v spektrálnej sekvencii (červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová), ale farby nie sú takmer nikdy čisté, pretože pruhy sa navzájom prekrývajú. Fyzikálne vlastnosti dúh sa spravidla výrazne líšia, a preto vzhľad sú veľmi rôznorodé. ich spoločný znak je, že stred oblúka je vždy umiestnený na priamke vedenej od Slnka k pozorovateľovi. Hlavná dúha je oblúk pozostávajúci z najjasnejších farieb - červenej zvonka a fialovej zvnútra. Niekedy je viditeľný iba jeden oblúk, ale často sa na vonkajšej strane hlavnej dúhy objaví bočný oblúk. Nemá také jasné farby ako prvý a červené a fialové pruhy v ňom menia miesta: červený sa nachádza zvnútra. Vznik hlavnej dúhy sa vysvetľuje dvojitým lomom (pozri aj OPTIKA) a jednoduchým vnútorným odrazom lúčov slnečné svetlo(pozri obr. 5). Vniknutím do kvapky vody (A) sa lúč svetla láme a rozkladá, ako keby prechádzal hranolom. Potom dosiahne protiľahlý povrch kvapky (B), odrazí sa od nej a kvapku opustí vonku (C). V tomto prípade sa svetelný lúč druhýkrát láme, kým sa dostane k pozorovateľovi. Počiatočný biely lúč sa rozloží na lúče rôznych farieb s uhlom divergencie 2°. Pri vzniku sekundárnej dúhy dochádza k dvojitému lomu a dvojitému odrazu slnečných lúčov (pozri obr. 6). V tomto prípade sa svetlo láme, preniká do kvapky jej spodnou časťou (A) a odráža sa od vnútorného povrchu kvapky najskôr v bode B, potom v bode C. V bode D sa svetlo láme, ponechanie kvapky smerom k pozorovateľovi.
Pri východe a západe slnka pozorovateľ vidí dúhu vo forme oblúka rovnajúceho sa polovici kruhu, pretože os dúhy je rovnobežná s horizontom. Ak je Slnko vyššie nad obzorom, oblúk dúhy je menší ako polovica obvodu. Keď Slnko vystúpi nad 42° nad obzor, dúha zmizne. Všade, okrem vysokých zemepisných šírok, sa dúha nemôže objaviť na poludnie, keď je Slnko príliš vysoko. Je zaujímavé odhadnúť vzdialenosť k dúhe. Hoci sa viacfarebný oblúk zdá byť umiestnený v rovnakej rovine, je to ilúzia. V skutočnosti má dúha obrovskú hĺbku a možno si ju predstaviť ako povrch dutého kužeľa, na vrchole ktorého sa nachádza pozorovateľ. Os kužeľa spája Slnko, pozorovateľa a stred dúhy. Pozorovateľ vyzerá akoby pozdĺž povrchu tohto kužeľa. Žiadni dvaja ľudia nikdy nemôžu vidieť presne tú istú dúhu. Samozrejme, môžete pozorovať v podstate rovnaký efekt, ale dve dúhy zaberajú rôzne polohy a sú tvorené rôznymi kvapôčkami vody. Keď dážď alebo spŕška vytvorí dúhu, úplný optický efekt sa dosiahne kombinovaným účinkom všetkých kvapiek vody prechádzajúcich povrchom dúhového kužeľa s pozorovateľom na vrchole. Úloha každej kvapky je pominuteľná. Povrch dúhového kužeľa pozostáva z niekoľkých vrstiev. Keď ich rýchlo prekročíte a prejdete sériou kritických bodov, každá kvapka okamžite rozloží slnečný lúč na celé spektrum v presne definovanom poradí – od červenej po Fialová. Mnoho kvapiek pretína povrch kužeľa rovnakým spôsobom, takže dúha sa pozorovateľovi javí ako súvislá pozdĺž aj naprieč jeho oblúka. Halo sú biele alebo dúhové svetelné oblúky a kruhy okolo disku Slnka alebo Mesiaca. Vznikajú v dôsledku lomu alebo odrazu svetla ľadovými alebo snehovými kryštálmi v atmosfére. Kryštály, ktoré tvoria halo, sa nachádzajú na povrchu imaginárneho kužeľa s osou smerujúcou od pozorovateľa (z vrcholu kužeľa) k Slnku. Za určitých podmienok môže byť atmosféra nasýtená malými kryštálmi, ktorých mnohé tváre zvierajú pravý uhol s rovinou prechádzajúcou Slnkom, pozorovateľom a týmito kryštálmi. Takéto tváre odrážajú prichádzajúce svetelné lúče s odchýlkou 22° a vytvárajú halo, ktoré je zvnútra červenkasté, ale môže pozostávať aj zo všetkých farieb spektra. Menej časté je halo s uhlovým polomerom 46°, umiestnené sústredne okolo 22° halo. Jeho vnútorná strana má tiež červenkastý odtieň. Dôvodom je aj lom svetla, ktorý sa v tomto prípade vyskytuje na hranách kryštálov zvierajúcich pravé uhly. Šírka prstenca takéhoto halo presahuje 2,5°. 46-stupňové aj 22-stupňové halo majú tendenciu byť najjasnejšie v hornej a dolnej časti prstenca. Zriedkavé 90-stupňové halo je slabo svietiaci, takmer bezfarebný prstenec, ktorý má spoločný stred s dvoma ďalšími halo. Ak je farebný, bude mať na vonkajšej strane prsteňa červenú farbu. Mechanizmus výskytu tohto typu halo nie je úplne objasnený (obr. 7).
Parhelia a oblúky. Parhelický kruh (alebo kruh falošných sĺnk) je biely prstenec so stredom v zenitovom bode, ktorý prechádza cez Slnko rovnobežne s horizontom. Dôvodom jeho vzniku je odraz slnečného žiarenia od okrajov povrchov ľadových kryštálikov. Ak sú kryštály dostatočne rovnomerne rozložené vo vzduchu, je viditeľný celý kruh. Parhelia alebo falošné slnká sú jasne svietiace škvrny pripomínajúce Slnko, ktoré sa tvoria v priesečníkoch parhelického kruhu so svätožiarmi s uhlovými polomermi 22°, 46° a 90°. Najčastejšie sa vyskytujúce a najjasnejšie parhélium sa tvorí na priesečníku s 22-stupňovým halo, zvyčajne zafarbené takmer v každej farbe dúhy. Falošné slnká na priesečníkoch so 46- a 90-stupňovými haló sú pozorované oveľa menej často. Parheliá, ktoré sa vyskytujú na priesečníkoch s 90-stupňovými halo, sa nazývajú parantélia alebo falošné protislnká. Niekedy je viditeľné aj antelium (proti slnku) - jasná škvrna umiestnená na prstenci parhelia presne oproti Slnku. Predpokladá sa, že príčinou tohto javu je dvojitý vnútorný odraz slnečného svetla. Odrazený lúč sleduje rovnakú dráhu ako dopadajúci lúč, ale v opačnom smere. Oblúk blízko zenitu, niekedy nesprávne nazývaný horný tangentový oblúk 46-stupňového halo, je oblúk 90° alebo menej so stredom v zenite, ktorý sa nachádza približne 46° nad Slnkom. Je zriedka viditeľná a len na niekoľko minút, má jasné farby a červená farba je obmedzená na vonkajšiu stranu oblúka. Oblúk blízko zenitu je pozoruhodný svojou farbou, jasom a jasnými obrysmi. Ďalším zaujímavým a veľmi zriedkavým optickým efektom typu halo je Lowitzov oblúk. Vznikajú ako pokračovanie parhélia v priesečníku s 22-stupňovým halo, vybiehajú z vonkajšej strany halo a sú mierne konkávne smerom k Slnku. Stĺpce belavého svetla, ako rôzne kríže, sú niekedy viditeľné za úsvitu alebo súmraku, najmä v polárnych oblastiach a môžu sprevádzať Slnko aj Mesiac. Občas sú pozorované lunárne halo a iné efekty podobné tým, ktoré sú opísané vyššie, pričom najbežnejšie mesačné halo (prstenec okolo Mesiaca) má uhlový polomer 22°. Rovnako ako falošné slnká môžu vzniknúť falošné mesiace. Koróny alebo koruny sú malé sústredné farebné prstence okolo Slnka, Mesiaca alebo iných jasných objektov, ktoré sa z času na čas pozorujú, keď je zdroj svetla za priesvitnými mrakmi. Polomer koróny je menší ako polomer halo a je cca. 1-5° je modrý alebo fialový prstenec najbližšie k Slnku. Koróna nastane, keď sa svetlo rozptýli malými kvapôčkami vody a vytvorí sa oblak. Niekedy sa koróna javí ako svetelná škvrna (alebo halo) obklopujúca Slnko (alebo Mesiac), ktorá končí červenkastým prstencom. V iných prípadoch sú mimo halo viditeľné aspoň dva sústredné krúžky väčšieho priemeru, veľmi slabo sfarbené. Tento jav sprevádzajú dúhové mraky. Niekedy majú okraje veľmi vysokých oblakov jasné farby.
Gloria (svätožiara). Za zvláštnych podmienok dochádza k neobvyklým atmosférickým javom. Ak je Slnko za pozorovateľom a jeho tieň sa premieta na blízke oblaky alebo clonu hmly, pri určitom stave atmosféry okolo tieňa hlavy človeka môžete vidieť farebný svetelný kruh - halo. Typicky sa takéto halo vytvára odrazom svetla z kvapiek rosy na trávnatom trávniku. Glórie sa tiež pomerne často nachádzajú okolo tieňa vrhaného lietadlom na oblaky pod nimi.
Ghosts of Brocken. V niektorých oblastiach zemegule, keď tieň pozorovateľa nachádzajúceho sa na kopci pri východe alebo západe slnka za ním dopadne na oblaky nachádzajúce sa v krátkej vzdialenosti, objaví sa pozoruhodný efekt: tieň nadobúda kolosálne rozmery. K tomu dochádza v dôsledku odrazu a lomu svetla malými kvapôčkami vody v hmle. Opísaný jav sa nazýva „Ghost of Brocken“ podľa vrcholu v pohorí Harz v Nemecku.
Mirages- optický efekt spôsobený lomom svetla pri prechode vrstvami vzduchu rôznej hustoty a vyjadrený vo vzhľade virtuálneho obrazu. V tomto prípade sa vzdialené predmety môžu javiť ako zdvihnuté alebo znížené vzhľadom na ich skutočnú polohu a môžu byť tiež zdeformované a nadobúdať nepravidelné fantastické tvary. Zázraky sú často pozorované v horúcom podnebí, napríklad nad piesočnatými pláňami. Nižšie fatamorgány sú bežné, keď vzdialená, takmer plochá púštna hladina nadobúda vzhľad otvorenej vody, najmä pri pohľade z miernej nadmorskej výšky alebo jednoducho umiestnenej nad vrstvou ohriateho vzduchu. Táto ilúzia sa zvyčajne vyskytuje na vyhriatej asfaltovej ceste, ktorá ďaleko vpredu vyzerá ako vodná plocha. V skutočnosti je tento povrch odrazom oblohy. Pod úrovňou očí sa v tejto „vode“ môžu objaviť predmety, zvyčajne hore nohami. Nad zohriatym zemským povrchom sa vytvára „koláč vzduchovej vrstvy“, pričom vrstva najbližšie k zemi je najhorúcejšia a taká riedka, že svetelné vlny, ktoré cez ňu prechádzajú, sú skreslené, pretože rýchlosť ich šírenia sa mení v závislosti od hustoty prostredia. . Horné fatamorgány sú menej bežné a malebnejšie ako spodné. Vzdialené objekty (často sa nachádzajú za morským horizontom) sa na oblohe objavujú hore nohami a niekedy sa hore objaví aj vzpriamený obraz toho istého objektu. Tento jav je typický v chladných oblastiach, najmä pri výraznej teplotnej inverzii, keď je nad chladnejšou vrstvou teplejšia vrstva vzduchu. Tento optický efekt sa prejavuje ako výsledok zložitých vzorov šírenia čela svetelných vĺn vo vrstvách vzduchu s nehomogénnou hustotou. Najmä v polárnych oblastiach sa z času na čas vyskytujú veľmi nezvyčajné fatamorgány. Keď sa fatamorgány vyskytnú na súši, stromy a iné zložky krajiny sú hore nohami. Vo všetkých prípadoch sú objekty viditeľné jasnejšie v horných fatamorgánach ako v dolných. Keď je hranicou dvoch vzduchových hmôt vertikálna rovina, niekedy sa pozorujú bočné fatamorgány.
Oheň svätého Elma. Niektoré optické javy v atmosfére (napríklad žiara a najčastejší meteorologický jav – blesky) majú elektrický charakter. Oveľa menej bežné sú svetlá sv. Elma - svietiace svetlomodré alebo fialové kefy s dĺžkou od 30 cm do 1 m alebo viac, zvyčajne na vrcholoch stožiarov alebo na koncoch lodeníc na mori. Niekedy sa zdá, že celá takeláž lode je pokrytá fosforom a žiari. Oheň svätého Elma sa niekedy objavuje na vrcholkoch hôr, ako aj na vežiach a ostrých rohoch vysokých budov. Tento jav predstavuje kefové elektrické výboje na koncoch elektrických vodičov, keď sa intenzita elektrického poľa v atmosfére okolo nich výrazne zvyšuje. Will-o'-the-wisps sú slabo modrastá alebo zelenkavá žiara, ktorá sa niekedy pozoruje v močiaroch, cintorínoch a kryptách. Často vyzerajú ako plameň sviečky zdvihnutý asi 30 cm nad zemou, ticho horí, nevydáva žiadne teplo a chvíľu sa vznáša nad predmetom. Svetlo sa zdá byť úplne nepolapiteľné a keď sa pozorovateľ priblíži, zdá sa, že sa presunie na iné miesto. Dôvodom tohto javu je rozklad organických zvyškov a samovznietenie močiarneho plynu metánu (CH4) alebo fosfínu (PH3). Will-o'-the-wisps majú rôzne tvary, niekedy dokonca guľovité. Zelený lúč - záblesk smaragdovo zeleného slnečného svetla v momente, keď posledný lúč Slnka zmizne za obzorom. Červená zložka slnečného svetla zmizne ako prvá, všetky ostatné nasledujú v poradí a posledná zostáva smaragdovo zelená. K tomuto javu dochádza až vtedy, keď nad horizontom zostane len samotný okraj slnečného disku, inak dochádza k miešaniu farieb. Súmračné lúče sú rozbiehajúce sa lúče slnečného svetla, ktoré sa stávajú viditeľnými vďaka osvetleniu prachu vo vysokých vrstvách atmosféry. Tiene oblakov tvoria tmavé pruhy a medzi nimi sa šíria lúče. Tento efekt nastáva, keď je Slnko nízko nad obzorom pred úsvitom alebo po západe slnka.
