Zračni ovoj, ki obdaja naš planet in se z njim vrti, se imenuje atmosfera. Polovica celotne mase ozračja je skoncentrirana v spodnjih 5 km, tri četrtine mase pa v spodnjih 10 km. Višje je zrak močno redčen, čeprav se njegovi delci nahajajo na nadmorski višini 2000-3000 km nad zemeljsko površino.
Zrak, ki ga dihamo, je mešanica plinov. Največ vsebuje dušika - 78% in kisika - 21%. Argon predstavlja manj kot 1 % in 0,03 % je ogljikov dioksid. Številni drugi plini, kot so kripton, ksenon, neon, helij, vodik, ozon in drugi, predstavljajo tisočinke in milijoninke odstotka. Zrak vsebuje tudi vodno paro, delce različne snovi, bakterije, cvetni prah in kozmični prah.
Ozračje je sestavljeno iz več plasti. Spodnja plast do višine 10-15 km nad zemeljsko površino se imenuje troposfera. Segreva ga Zemlja, zato se tukaj temperatura zraka z višino zniža za 6 °C na 1 kilometer vzpona. Troposfera vsebuje skoraj vso vodno paro in nastanejo skoraj vsi oblaki - pribl. Višina troposfere na različnih zemljepisnih širinah planeta ni enaka. Nad poli se dvigne na 9 km, nad zmernimi zemljepisnimi širinami - do 10-12 km, nad ekvatorjem - do 15 km. Procesi, ki se dogajajo v troposferi - nastanek in gibanje zračnih mas, nastanek ciklonov in anticiklonov, pojav oblakov in padavin - določajo vreme in podnebje na zemeljski površini.
Nad troposfero je stratosfera, ki se razteza do 50-55 km. Troposfero in stratosfero ločuje prehodna plast, tropopavza, debela 1-2 km. V stratosferi na nadmorski višini približno 25 km začne temperatura zraka postopoma naraščati in pri 50 km doseže + 10 +30 °C. To povišanje temperature je posledica dejstva, da je ozonski plašč v stratosferi na nadmorski višini 25-30 km. Na površju Zemlje je njegova vsebnost v zraku zanemarljiva, na visoki nadmorski višini pa dvoatomne molekule kisika absorbirajo ultravijolično sončno sevanje in tvorijo triatomne molekule ozona.
Če bi se ozon nahajal v nižjih plasteh ozračja, na višini z normalnim tlakom, bi bila debelina njegove plasti le 3 mm. Toda že v tako majhni količini ima zelo pomembno vlogo: absorbira del sončnega sevanja, škodljivega za žive organizme.
Nad stratosfero sega približno do višine 80 km mezosfera, v kateri temperatura zraka pade z višino do nekaj deset stopinj pod ničlo.
Za zgornji del atmosfere so značilne zelo visoke temperature in se imenuje termosfera – pribl. Razdeljen je na dva dela – ionosfero – do višine okoli 1000 km, kjer je zrak močno ioniziran, in eksosfero – nad 1000 km. V ionosferi molekule atmosferskih plinov absorbirajo ultravijolično sevanje Sonca, kar povzroči nastanek nabitih atomov in prostih elektronov. Aurore opazimo v ionosferi.
Ozračje igra zelo pomembno vlogo v življenju našega planeta. Podnevi ščiti Zemljo pred močnim segrevanjem s sončnimi žarki in ponoči pred hipotermijo. Večina meteoritov zgori v atmosferskih plasteh, preden dosežejo površje planeta. Ozračje vsebuje kisik, potreben za vse organizme, ozonski ščit, ki ščiti življenje na Zemlji pred škodljivim delom ultravijoličnega sevanja Sonca.
OZRAČJA PLANETOV SONČNEGA SISTEMA
Atmosfera Merkurja je tako redka, da lahko rečemo, da je praktično ni. Zračni ovoj Venere je sestavljen iz ogljikov dioksid(96 %) in dušika (približno 4 %), je zelo gosto - atmosferski tlak na površini planeta je skoraj 100-krat večji kot na Zemlji. Tudi Marsovo ozračje je sestavljeno pretežno iz ogljikovega dioksida (95 %) in dušika (2,7 %), vendar je njegova gostota približno 300-krat manjša od Zemljine, njen pritisk pa skoraj 100-krat manjši. Vidna površina Jupitra je pravzaprav zgornja plast atmosfere vodik-helij. Sestava zračnih lupin Saturna in Urana je enaka. Uranova čudovita modra barva je posledica visoke koncentracije metana v zgornjem delu njegove atmosfere - približno Neptun, zavit v ogljikovodikovo meglico, ima dve glavni plasti oblakov: eno sestavljajo kristali zamrznjenega metana, drugo, ki se nahaja spodaj, vsebuje amoniak in vodikov sulfid.
Atmosfera ima plastovito strukturo. Meje med plastmi niso ostre, njihova višina pa je odvisna od zemljepisne širine in letnega časa. Plastnata struktura je posledica temperaturnih sprememb na različnih nadmorskih višinah. Vreme nastaja v troposferi (nižje približno 10 km: približno 6 km nad poli in več kot 16 km nad ekvatorjem). In zgornja meja troposofere je poleti višja kot pozimi.
Od površja Zemlje navzgor so te plasti:
Troposfera
Stratosfera
Mezosfera
Termosfera
Eksosfera
Troposfera
Spodnji del ozračja do višine 10-15 km, v katerem je koncentrirano 4/5 celotne mase atmosferskega zraka, se imenuje troposfera. Značilno je, da tukaj temperatura pada z višino v povprečju za 0,6°/100 m (v nekaterih primerih se vertikalna porazdelitev temperature močno spreminja). Troposfera vsebuje skoraj vso atmosfersko vodno paro in proizvaja skoraj vse oblake. Turbulenca je tudi tukaj močno razvita, še posebej v bližini zemeljsko površje, kot tudi v tako imenovanih jet streamih v zgornjem delu troposfere.
Višina, do katere se troposfera razprostira nad vsako lokacijo na Zemlji, se spreminja iz dneva v dan. Poleg tega se tudi v povprečju spreminja na različnih zemljepisnih širinah in v različnih letnih časih. V povprečju se letna troposfera razteza nad poli do višine približno 9 km, nad zmernimi zemljepisnimi širinami do 10-12 km in nad ekvatorjem do 15-17 km. Povprečna letna temperatura zraka na zemeljskem površju je okoli +26° na ekvatorju in okoli -23° na severnem polu. Na zgornji meji troposfere nad ekvatorjem je povprečna temperatura okoli -70°, nad severnim polom pozimi okoli -65°, poleti pa okoli -45°.
Zračni tlak na zgornji meji troposfere, ki ustreza njeni višini, je 5-8-krat manjši kot na zemeljski površini. Posledično se večina atmosferskega zraka nahaja v troposferi. Procesi, ki potekajo v troposferi, so neposredno in odločilno pomembni za vreme in podnebje na zemeljskem površju.
Vsa vodna para je koncentrirana v troposferi in zato vsi oblaki nastanejo znotraj troposfere. Temperatura pada z višino.
Sončni žarki zlahka prehajajo skozi troposfero, toplota, ki seva od Zemlje, segrete s sončnimi žarki, pa se kopiči v troposferi: plini, kot so ogljikov dioksid, metan in vodna para, zadržujejo toploto. Ta mehanizem segrevanja ozračja od Zemlje, segretega s sončnim sevanjem, imenujemo učinek tople grede. Prav zato, ker je vir toplote za ozračje Zemlja, temperatura zraka z višino pada
Meja med turbulentno troposfero in mirno stratosfero se imenuje tropopavza. Tu nastanejo hitro premikajoči se vetrovi, imenovani "jet stream".
Včasih so domnevali, da temperatura atmosfere pade nad troposofero, vendar so meritve v visokih plasteh atmosfere pokazale, da ni tako: neposredno nad tropopavzo je temperatura skoraj konstantna, nato pa začne naraščati. vetrovi pihajo v stratosferi brez turbulence. Zrak v stratosferi je zelo suh, zato so oblaki redki. Nastanejo tako imenovani sedefasti oblaki.
Stratosfera je zelo pomembna za življenje na Zemlji, saj je v njej veliko število ozon, ki absorbira močno ultravijolično sevanje, ki je škodljivo za življenje. Z absorpcijo ultravijoličnega sevanja ozon segreva stratosfero.
Stratosfera
Nad troposfero do nadmorske višine 50-55 km leži stratosfera, za katero je značilno, da temperatura v njej v povprečju narašča z višino. Prehodna plast med troposfero in stratosfero (debela 1-2 km) se imenuje tropopavza.
Zgoraj so bili podatki o temperaturi na zgornji meji troposfere. Te temperature so značilne tudi za nižjo stratosfero. Tako je temperatura zraka v spodnji stratosferi nad ekvatorjem vedno zelo nizka; Poleg tega je poleti veliko nižje kot nad polom.
Spodnja stratosfera je bolj ali manj izotermna. Toda od nadmorske višine približno 25 km se temperatura v stratosferi hitro poveča z nadmorsko višino in doseže največje pozitivne vrednosti na nadmorski višini približno 50 km (od +10 do +30 °). Zaradi naraščanja temperature z nadmorsko višino je turbulenca v stratosferi majhna.
V stratosferi je zanemarljivo malo vodne pare. Vendar pa se na višinah 20-25 km v visokih zemljepisnih širinah včasih opazijo zelo tanki, tako imenovani biserni oblaki. Podnevi niso vidni, ponoči pa se zdi, da svetijo, saj jih osvetljuje sonce pod obzorjem. Ti oblaki so sestavljeni iz preohlajenih vodnih kapljic. Za stratosfero je značilno tudi to, da vsebuje predvsem atmosferski ozon, kot je navedeno zgoraj
Mezosfera
Nad stratosfero leži plast mezosfere do približno 80 km. Tukaj temperatura pade z višino na nekaj deset stopinj pod ničlo. Zaradi hitrega padanja temperature z višino je v mezosferi močno razvita turbulenca. Na višinah blizu zgornje meje mezosfere (75-90 km) opazimo še eno posebno vrsto oblakov, ki jih ponoči osvetljuje tudi sonce, tako imenovane noktilucentne. Najverjetneje so sestavljeni iz ledenih kristalov.
Na zgornji meji mezosfere je zračni tlak 200-krat manjši kot na zemeljski površini. Tako leži v troposferi, stratosferi in mezosferi skupaj do nadmorske višine 80 km več kot 99,5 % celotne mase ozračja. Zgornje plasti predstavljajo zanemarljivo malo zraka
Na višini okoli 50 km nad Zemljo začne temperatura ponovno padati, kar označuje zgornjo mejo stratosfere in začetek naslednje plasti, mezosfere. Največ jih ima mezosfera nizka temperatura v ozračju: od -2 do - 138 stopinj Celzija. Tu so tudi najvišji oblaki: ob jasnem vremenu jih je mogoče videti ob sončnem zahodu. Imenujejo se noktilucentne (svetijo ponoči).
Termosfera
Za zgornji del ozračja, nad mezosfero, so značilne zelo visoke temperature, zato se imenuje termosfera. Vendar pa v njem ločimo dva dela: ionosfero, ki se razteza od mezosfere do višin reda tisoč kilometrov, in zunanji del, ki leži nad njo - eksosfero, ki se spremeni v zemeljsko krono.
Zrak v ionosferi je izjemno redek. Omenili smo že, da na višinah 300-750 km povprečna gostota približno 10-8-10-10 g/m3. Toda tudi pri tako nizki gostoti vsak kubični centimeter zraka na nadmorski višini 300 km še vedno vsebuje približno milijardo (109) molekul ali atomov, na višini 600 km pa več kot 10 milijonov (107). To je za nekaj velikostnih redov večje od vsebnosti plinov v medplanetarnem prostoru.
Za ionosfero, kot že samo ime pove, je značilna zelo močna stopnja ionizacije zraka - vsebnost ionov je tukaj večkrat večja kot v spodnjih plasteh, kljub močnemu splošnemu redčenju zraka. Ti ioni so večinoma nabiti atomi kisika, nabite molekule dušikovega oksida in prosti elektroni. Njihova vsebnost na nadmorski višini 100-400 km je približno 1015-106 na kubični centimeter.
V ionosferi se razlikuje več plasti ali regij z največjo ionizacijo, zlasti na nadmorskih višinah 100-120 km in 200-400 km. Toda tudi v prostorih med temi plastmi ostaja stopnja ionizacije ozračja zelo visoka. Položaj ionosferskih plasti in koncentracija ionov v njih se ves čas spreminjata. Sporadične zbirke elektronov s posebej visokimi koncentracijami imenujemo elektronski oblaki.
Električna prevodnost atmosfere je odvisna od stopnje ionizacije. Zato je v ionosferi električna prevodnost zraka na splošno 1012-krat večja od električne prevodnosti zemeljskega površja. Radijski valovi doživljajo absorpcijo, lom in odboj v ionosferi. Valovi z dolžino več kot 20 m sploh ne morejo preiti skozi ionosfero: odbijajo se od plasti elektronov z nizko koncentracijo v spodnjem delu ionosfere (na nadmorski višini 70-80 km). Srednje in kratke valove odbijajo zgornje ionosferske plasti.
Zaradi odboja od ionosfere je mogoča komunikacija na dolge razdalje na kratkih valovih. Večkratni odboji od ionosfere in zemeljskega površja omogočajo kratkim valovom, da potujejo v cikcak obliki na velike razdalje in se ukrivljajo okoli površine sveta. Ker se položaj in koncentracija ionosferskih plasti nenehno spreminjata, se spreminjajo tudi pogoji za absorpcijo, odboj in širjenje radijskih valov. Zato je za zanesljivo radijsko komunikacijo potrebno nenehno preučevanje stanja ionosfere. Opazovanje širjenja radijskih valov je ravno sredstvo za tovrstne raziskave.
V ionosferi opazimo aurore in sij nočnega neba, ki jim je po naravi podoben - stalna luminiscenca atmosferskega zraka, pa tudi ostra nihanja magnetno polje- ionosferske magnetne nevihte.
Ionizacija v ionosferi je posledica delovanja ultravijoličnega sevanja Sonca. Njegova absorpcija z molekulami atmosferskih plinov vodi do tvorbe nabitih atomov in prostih elektronov, kot je razloženo zgoraj. Nihanja magnetnega polja v ionosferi in polarni sij so odvisna od nihanj sončne aktivnosti. Spremembe sončne aktivnosti so povezane s spremembami toka korpuskularnega sevanja, ki prihaja s Sonca v zemeljsko atmosfero. Korpuskularno sevanje je namreč primarnega pomena za te ionosferske pojave.
Temperatura v ionosferi narašča z višino do zelo visokih vrednosti. Na nadmorski višini okoli 800 km doseže 1000°.
Ko govorimo o visokih temperaturah v ionosferi, mislimo, da se delci atmosferskih plinov tam gibljejo z zelo velikimi hitrostmi. Vendar pa je gostota zraka v ionosferi tako nizka, da telo, ki se nahaja v ionosferi, na primer leteči satelit, ne bo segreto zaradi izmenjave toplote z zrakom. Temperaturni režim satelita bo odvisen od njegove neposredne absorpcije sončnega sevanja in od sproščanja lastnega sevanja v okolico. Termosfera se nahaja nad mezosfero na nadmorski višini od 90 do 500 km nad površjem Zemlje. Molekule plina so tukaj močno razpršene in absorbirajo rentgenske žarke ter kratkovalovno ultravijolično sevanje. Zaradi tega lahko temperature dosežejo 1000 stopinj Celzija.
Termosfera v bistvu ustreza ionosferi, kjer ionizirani plin odbija radijske valove nazaj na Zemljo, kar je pojav, ki omogoča radijsko komunikacijo.
Eksosfera
Nad 800-1000 km atmosfera prehaja v eksosfero in postopoma v medplanetarni prostor. Hitrosti gibanja delcev plina, predvsem lahkih, so tu zelo velike in zaradi izjemne redčnosti zraka na teh višinah lahko delci letijo okoli Zemlje po eliptičnih tirnicah, ne da bi pri tem trčili drug ob drugega. Posamezni delci imajo lahko dovolj hitrosti, da premagajo gravitacijo. Za nenabite delce bo kritična hitrost 11,2 km/s. Takšni posebno hitri delci lahko, ki se gibljejo po hiperboličnih trajektorijah, odletijo iz ozračja v vesolje, "pobegnejo" in se razpršijo. Zato eksosfero imenujemo tudi razpršilna sfera.
Uidejo večinoma atomi vodika, ki so prevladujoči plin v najvišjih plasteh eksosfere.
Pred kratkim so domnevali, da se eksosfera in z njo Zemljina atmosfera nasploh končata na nadmorski višini približno 2000-3000 km. Toda iz opazovanj z raketami in sateliti se zdi, da vodik, ki uhaja iz eksosfere, tvori tako imenovano zemeljsko korono okoli Zemlje, ki se razteza na več kot 20.000 km. Seveda je gostota plina v zemeljski koroni zanemarljiva. Na vsak kubični centimeter je v povprečju le približno tisoč delcev. Toda v medplanetarnem prostoru je koncentracija delcev (predvsem protonov in elektronov) vsaj desetkrat manjša.
S pomočjo satelitov in geofizičnih raket je obstoj v zgornjem delu atmosfere in v bližnjem zemeljskem prostoru zemeljskega sevalnega pasu, ki se začne na nadmorski višini nekaj sto kilometrov in sega več deset tisoč kilometrov od zemeljskega površja, je bila ustanovljena. Ta pas sestavljajo električno nabiti delci – protoni in elektroni, ki jih ujame zemeljsko magnetno polje in se gibljejo z zelo velikimi hitrostmi. Njihova energija je na stotine tisoče elektronvoltov. Sevalni pas nenehno izgublja delce v zemeljski atmosferi in se obnavlja s tokovi sončnega korpuskularnega sevanja.
atmosferska temperatura stratosfera troposfera
Vzdušje
Atmosfera je plinasta lupina, ki obdaja Zemljo. Na mestu ga drži sila težnosti Zemlje, pod vplivom katere se večina plinov kopiči nad površjem zemlje – v najnižji plasti ozračja – troposferi.
Živimo v najnižji plasti ozračja. Letala letijo v plasti, imenovani atmosfera. Pojavi, kot je polarni sij na severni in južni polobli, se pojavljajo v termosferi. Zgoraj je prostor.
Plasti atmosfere
Koliko plasti je v ozračju?
Obstaja pet glavnih plasti ozračja. Najnižja plast je troposfera, 18 km visoko od zemeljske površine. Naslednja plast je stratosfera, ki sega do višine 50 km, višje pa je mezosfera, približno 80 km nad zemljo. Najvišja plast se imenuje termosfera. Višje kot se dvignete, manj gosta postaja atmosfera; nad 1000 km zemeljska atmosfera skoraj izgine, eksosfera (zelo redčena peta plast) pa preide v brezzračni prostor.
Kako nas varuje ozračje?
V stratosferi je plast ozona (spojina treh atomov kisika), ki tvori zaščitni ščit, ki blokira večino škodljivega ultravijoličnega sevanja. Na robu atmosfere sta dve radiacijski coni, znani kot Van Allenovi pasovi, ki delujeta tudi kot ščit za odbijanje kozmičnih žarkov.
Zakaj nebo modre barve?
Sončna svetloba prehaja skozi ozračje in se razprši z odbojem od majhnih delcev prahu in vodne pare v zraku. Tako se bela sončna svetloba razdeli na spektralne dele – barve mavrice.Modri žarki se razpršijo hitreje od drugih. Posledično vidimo več modre kot katere koli druge barve v sončnem spektru, zato je nebo videti modro.
Oblaki ves čas spreminjajo obliko. Razlog za to je veter. Nekateri se dvigajo v ogromnih gmotah, drugi so podobni lahkim perjem. Včasih oblaki popolnoma prekrijejo nebo nad nami.
Atmosfera je lupina plina, ki obdaja Zemljo. Atmosfera ima "večnadstropno" strukturo in je razdeljena na plasti, kot so troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera in eksosfera. Sestava suhega ostanka atmosfere je po vsej njeni debelini skoraj enaka. Toda njegova gostota in temperatura sta drugačni, v spodnji plasti (troposferi) pa je povečana vsebnost vode, trdnih delcev in ogljikovega dioksida nad tlemi. Troposfera vključuje približno 80% celotne mase ozračja.
Glavne sestavine atmosfere so dušik (več kot 78%) in kisik (več kot 20%), pa tudi številni drugi plini (do 1%) - argon, neon, ogljikov dioksid, metan, helij, vodik. , kripton, ksenon, dušikov oksid, ozon, žveplov dioksid. Nekaj plinov je notri atmosferski zrak v sledovih.
Sestava plinov
Dušik v ozračju je vsebovan v veliko večji koncentraciji (78 %) kot drugi plini. Pred približno tremi milijoni let, zaradi pojava zelenih rastlin in s tem fotosinteze, se je kisik začel sproščati v ozračje v velikih količinah. Ko je atmosfero amonijak-vodik oksidiral molekularni kisik, se je pojavila ogromna količina dušika. Trenutno se ta plin sprošča v ozračje med življenjem mikroorganizmov, saj je ta kemični element sestavni del beljakovin rastlinskega in živalskega izvora. Atmosferski zrak je med denitrifikacijo nitratov in nekaterih spojin, ki vsebujejo dušik, obogaten z dušikom. V zgornjih plasteh ozračja se dušik z ozonom oksidira v dušikov oksid. Prosti dušik vstopa v kemične reakcije le v posebni pogoji, na primer med udarom strele. Dušik sodeluje v naravnem kroženju snovi in pri uravnavanju koncentracije molekularnega kisika v ozračju ter preprečuje njegovo prekomerno kopičenje.
Po volumski vsebnosti v atmosferskem zraku je kisik za dušikom na drugem mestu (20,85 %). Dramatične spremembe v sestavi ozračja so se zgodile po pojavu živih organizmov na Zemlji, zlasti rastlin, ki zaradi fotosinteze obogatijo zrak s kisikom in absorbirajo ogljikov dioksid. Vklopljeno začetnih fazah Med razvojem zemeljske atmosfere se je sproščeni kisik porabil za oksidacijo amoniaka, ogljikovodikov in železa. Ko se je to obdobje končalo, se je vsebnost kisika v zraku postopoma povečevala. Ozračje starodavnega planeta je začelo pridobivati značilne lastnosti sodobnega. Pridobitev oksidacijskih lastnosti atmosfere je določila pojav sprememb v litosferi in biosferi. Kisik v atmosferi je potreben za nastanek tako pomembnih procesov za žive organizme, kot so dihanje, razpad in izgorevanje. Brez tega kemičnega elementa je torej življenje nemogoče. Trenutno skoraj ves prosti kisik vstopi v ozračje zaradi fotosinteze v rastlinskih celicah.
Pomembna sestavina zraka je ogljikov dioksid, ki ga ozračje vsebuje v majhnih količinah (0,03%). Njegova koncentracija je odvisna od aktivnosti vulkanov, kemičnih procesov v lupinah Zemlje ( mineralni vrelci, tla, produkti gnitja). Prav tako se v ozračje izpustijo velike količine ogljikovega dioksida industrijska podjetja. Toda večina te spojine vstopi v ozračje kot posledica biosinteze in razgradnje organskih snovi v biosferi našega planeta. Ogljikov dioksid velja za grelec Zemlje, saj dobro prenaša sončno sevanje na površino planeta in zadržuje toploto, ki jo oddaja.
Vsebnost drugih plinov v ozračju je zanemarljiva. Žlahtni plini, kot so neon, argon, ksenon, pridejo v ozračje zaradi vulkanskih izbruhov in razpada nekaterih radioaktivnih elementov. Znanstveniki menijo, da zemeljska atmosfera vsebuje tako majhno količino žlahtnih plinov zaradi njihove nenehne razpršenosti v vesolju.
Hlapi in delci
Atmosferski zrak vsebuje poleg plinov vodno paro in trdne delce v obliki aerosola. Koncentracija vodne pare v zraku se poveča zaradi izhlapevanja vode z zemeljskega površja. Njegova vsebina se na različnih območjih razlikuje, lahko pa se tudi skozi leto spreminja. Iz vodne pare nastanejo padavine in oblaki. Zaradi vsebnosti vodne pare ozračje zadrži okoli 60 % toplote zemeljskega površja.
Trdni delci v atmosferskem zraku so prah kozmičnega in vulkanskega izvora, kristali soli, dim, mikroorganizmi, cvetni prah rastlinskih organizmov itd. Suspenzije trdnih delcev zmanjšujejo sončno sevanje, ki doseže zemeljsko površje, pospešujejo pa tudi kondenzacijo vodne pare in nastajanje oblakov.
Sorodni materiali:
VZDUŠJE
plinasti ovoj, ki obdaja nebesno telo. Njegove značilnosti so odvisne od velikosti, mase, temperature, hitrosti vrtenja in kemične sestave določenega nebesnega telesa, določa pa jih tudi zgodovina njegovega nastanka od trenutka njegovega nastanka. Zemljino ozračje je sestavljeno iz mešanice plinov, imenovanih zrak. Njegovi glavni sestavini sta dušik in kisik v razmerju približno 4:1. Na človeka vpliva predvsem stanje spodnjih 15-25 km atmosfere, saj je v tem spodnjem sloju koncentrirana večina zraka. Veda, ki proučuje atmosfero, se imenuje meteorologija, čeprav je predmet te vede tudi vreme in njegov vpliv na človeka. Spreminja se tudi stanje zgornjih plasti atmosfere, ki se nahajajo na nadmorski višini od 60 do 300 in celo 1000 km od zemeljske površine. Tukaj se razvijejo močni vetrovi, nevihte in neverjetni električni pojavi, kot je aurora. Mnogi od naštetih pojavov so povezani s tokom sončnega sevanja, kozmičnega sevanja in zemeljskega magnetnega polja. Visoke plasti atmosfere so tudi kemijski laboratorij, saj tam pod pogoji, ki so blizu vakuumu, nekateri atmosferski plini pod vplivom močnega toka sončne energije vstopajo v kemične reakcije. Veda, ki preučuje te med seboj povezane pojave in procese, se imenuje fizika visokih atmosfer.
SPLOŠNE ZNAČILNOSTI ZEMELJSKEGA OZRAČJA
Dimenzije. Dokler sondirne rakete in umetni sateliti niso raziskovali zunanjih plasti atmosfere na razdaljah, ki so bile večkrat večje od polmera Zemlje, je veljalo, da ko se oddaljujemo od zemeljskega površja, postaja atmosfera postopoma bolj redka in gladko prehaja v medplanetarni prostor. . Zdaj je bilo ugotovljeno, da tokovi energije iz globokih plasti Sonca prodrejo v vesolje daleč onkraj Zemljine orbite, vse do zunanjih meja Osončja. Ta t.i Sončni veter teče okoli zemeljskega magnetnega polja in tvori podolgovato "votlino", znotraj katere je skoncentrirana zemeljska atmosfera. Zemljino magnetno polje je na dnevni strani, obrnjeni proti Soncu, opazno zoženo in na nasprotni, nočni strani tvori dolg jezik, ki verjetno sega čez Lunino orbito. Meja zemeljskega magnetnega polja se imenuje magnetopavza. Podnevi ta meja poteka na razdalji približno sedmih zemeljskih polmerov od površja, v obdobjih povečane sončne aktivnosti pa se izkaže, da je še bližje površju Zemlje. Magnetopavza je tudi meja zemeljske atmosfere, katere zunanjo lupino imenujemo tudi magnetosfera, saj so v njej skoncentrirani nabiti delci (ioni), katerih gibanje določa zemeljsko magnetno polje. Skupna teža atmosferskih plinov je približno 4,5 * 1015 ton.Tako je "teža" atmosfere na enoto površine ali atmosferski tlak približno 11 ton/m2 na morski gladini.
Smisel za življenje. Iz zgoraj navedenega sledi, da je Zemlja ločena od medplanetarnega prostora z močno zaščitno plastjo. Vesolje je prežeto z močnim ultravijoličnim in rentgenskim sevanjem Sonca ter še močnejšim kozmičnim sevanjem, ki je uničujoče za vsa živa bitja. Na zunanjem robu atmosfere je jakost sevanja smrtonosna, vendar ga velik del zadrži atmosfera daleč od zemeljskega površja. Absorpcija tega sevanja pojasnjuje številne lastnosti visokih plasti ozračja in zlasti električne pojave, ki se tam pojavljajo. Najnižja, prizemna plast ozračja je še posebej pomembna za človeka, ki živi na stičišču trdne, tekoče in plinaste lupine Zemlje. Zgornja lupina "trdne" Zemlje se imenuje litosfera. Približno 72 % zemeljske površine pokrivajo oceanske vode, ki sestavljajo večino hidrosfere. Atmosfera meji na litosfero in hidrosfero. Človek živi na dnu zračnega oceana in blizu ali nad gladino vodnega oceana. Interakcija teh oceanov je ena od pomembni dejavniki, določanje stanja ozračja.
Spojina. Nižje plasti atmosfere so sestavljene iz mešanice plinov (glej tabelo). Poleg naštetih v tabeli so v zraku v obliki majhnih primesi prisotni tudi drugi plini: ozon, metan, snovi, kot so ogljikov monoksid (CO), dušikovi in žveplovi oksidi, amoniak.
SESTAVA ATMOSFERE
V visokih plasteh atmosfere se pod vplivom močnega sončnega sevanja spremeni sestava zraka, kar povzroči razpad molekul kisika na atome. Atomski kisik je glavna sestavina visokih plasti ozračja. Nazadnje, v plasteh atmosfere, ki so najbolj oddaljene od zemeljske površine, so glavne sestavine najlažji plini - vodik in helij. Ker je glavnina snovi skoncentrirana v spodnjih 30 km, spremembe v sestavi zraka na nadmorski višini nad 100 km nimajo opaznega vpliva na celotno sestavo ozračja.
Izmenjava energije. Sonce je glavni vir energije, ki se dobavlja Zemlji. Na razdalji cca. 150 milijonov km od Sonca prejme Zemlja približno eno milijardo energije, ki jo oddaja, predvsem v vidnem delu spektra, ki ga ljudje imenujemo "svetloba". Večino te energije absorbirata atmosfera in litosfera. Zemlja tudi oddaja energijo, predvsem v obliki dolgovalovnega infrardečega sevanja. Na ta način se vzpostavi ravnotežje med prejeto energijo od Sonca, segrevanjem Zemlje in atmosfere ter obratnim tokom toplotne energije, ki se oddaja v vesolje. Mehanizem tega ravnovesja je izjemno zapleten. Molekule prahu in plina sipajo svetlobo in jo delno odbijajo v vesolje. Še več vhodnega sevanja odbijejo oblaki. Nekaj energije absorbirajo neposredno molekule plina, večinoma pa kamnine, vegetacija in površinska voda. Vodna para in ogljikov dioksid, ki sta prisotna v ozračju, prepuščata vidno sevanje, absorbirata pa infrardeče sevanje. Toplotna energija se kopiči predvsem v nižjih plasteh ozračja. Podoben učinek se pojavi v rastlinjaku, ko steklo prepušča svetlobi in se zemlja segreje. Ker je steklo relativno neprozorno za infrardeče sevanje, se toplota kopiči v rastlinjaku. Segrevanje spodnjega ozračja zaradi prisotnosti vodne pare in ogljikovega dioksida pogosto imenujemo učinek tople grede. Oblačnost igra pomembno vlogo pri ohranjanju toplote v nižjih plasteh ozračja. Če se oblaki razjasnijo ali zrak postane bolj prozoren, temperatura neizogibno pade, saj zemeljsko površje prosto seva toplotno energijo v okoliški prostor. Voda na površju Zemlje absorbira sončno energijo in izhlapeva ter se spremeni v plin – vodno paro, ki nosi ogromno energije v nižje plasti ozračja. Ko vodna para kondenzira in nastanejo oblaki ali megla, se ta energija sprosti kot toplota. Približno polovica sončne energije, ki doseže zemeljsko površino, se porabi za izhlapevanje vode in vstopi v nižje plasti ozračja. Tako se zaradi učinka tople grede in izhlapevanja vode ozračje segreje od spodaj. To deloma pojasnjuje visoko aktivnost njegovega kroženja v primerjavi s kroženjem Svetovnega oceana, ki se segreva samo od zgoraj in je zato veliko bolj stabilen kot atmosfera.
Glej tudi METEOROLOGIJA IN KLIMATOLOGIJA. Poleg splošnega segrevanja atmosfere s sončno svetlobo pride do znatnega segrevanja nekaterih njegovih plasti zaradi ultravijoličnega in rentgenskega sevanja Sonca. Struktura. V primerjavi s tekočinami in trdnimi snovmi je v plinastih snoveh sila privlačnosti med molekulami minimalna. Ko se razdalja med molekulami povečuje, se lahko plini širijo v nedogled, če jim nič ne prepreči. Spodnja meja ozračja je površje Zemlje. Strogo gledano je ta pregrada neprebojna, saj pride do izmenjave plinov med zrakom in vodo ter celo med zrakom in kamenjem, vendar v v tem primeru te dejavnike lahko zanemarimo. Ker je atmosfera sferična lupina, nima stranskih meja, ampak le spodnjo mejo in zgornjo (zunanjo) mejo, odprto s strani medplanetarnega prostora. Skozi zunanja meja Prihaja do uhajanja nekaterih nevtralnih plinov, pa tudi do vdora snovi iz okoliškega vesolja. Večino nabitih delcev, z izjemo visokoenergijskih kozmičnih žarkov, magnetosfera bodisi ujame bodisi odbije. Na atmosfero vpliva tudi gravitacijska sila, ki drži zračni ovoj na površju Zemlje. Atmosferski plini so stisnjeni pod lastno težo. Ta kompresija je največja na spodnji meji ozračja, zato je gostota zraka tu največja. Na kateri koli višini nad zemeljsko površino je stopnja stiskanja zraka odvisna od mase zgornjega zračnega stolpca, zato se z višino gostota zraka zmanjšuje. Tlak, ki je enak masi zgornjega zračnega stebra na enoto površine, je neposredno odvisen od gostote in zato tudi pada z višino. Če bi bilo ozračje »idealen plin« s konstantno sestavo, neodvisno od nadmorske višine, konstantno temperaturo in konstantno gravitacijsko silo, ki deluje nanj, bi se tlak zmanjšal 10-krat na vsakih 20 km višine. Pravo ozračje se nekoliko razlikuje od idealnega plina do približno 100 km nadmorske višine, nato pa tlak z višino pada počasneje, ko se spreminja sestava zraka. Manjše spremembe Opisani model vključuje tudi upadanje sile gravitacije z oddaljenostjo od središča Zemlje, ki znaša cca. 3 % na vsakih 100 km nadmorske višine. Za razliko od atmosferskega tlaka se temperatura ne znižuje nenehno z nadmorsko višino. Kot je prikazano na sl. 1 se zniža do višine približno 10 km, nato pa začne spet naraščati. To se zgodi, ko ultravijolično sončno sevanje absorbira kisik. Pri tem nastane plin ozon, katerega molekule so sestavljene iz treh atomov kisika (O3). Prav tako absorbira ultravijolično sevanje in tako se ta plast ozračja, imenovana ozonosfera, segreva. Višje se temperatura spet zniža, saj je tam veliko manj molekul plina, temu primerno se zmanjša absorpcija energije. V še višjih plasteh se temperatura zaradi absorpcije ultravijoličnega in rentgenskega sevanja Sonca z najkrajšo valovno dolžino v atmosferi ponovno dvigne. Pod vplivom tega močnega sevanja pride do ionizacije ozračja, t.j. molekula plina izgubi elektron in pridobi pozitiven električni naboj. Takšne molekule postanejo pozitivno nabiti ioni. Zaradi prisotnosti prostih elektronov in ionov ta plast ozračja pridobi lastnosti električnega prevodnika. Domneva se, da temperatura še naprej narašča do višin, kjer tanka atmosfera prehaja v medplanetarni prostor. Na razdalji več tisoč kilometrov od zemeljskega površja bodo verjetno prevladovale temperature od 5000° do 10.000° C. Čeprav imajo molekule in atomi zelo visoke hitrosti gibanja in s tem visoke temperature, ta redkejši plin ni "vroč" v običajnem pomenu. Zaradi majhnega števila molekul na velikih nadmorskih višinah je njihova skupna toplotna energija zelo majhna. Tako je atmosfera sestavljena iz ločenih plasti (tj. niza koncentričnih lupin ali krogel), katerih ločevanje je odvisno od tega, katera lastnost je najbolj zanimiva. Na podlagi porazdelitve povprečne temperature so meteorologi razvili diagram strukture idealne »povprečne atmosfere« (glej sliko 1).
Troposfera je spodnja plast atmosfere, ki sega do prvega termičnega minimuma (t. i. tropopavza). Zgornja meja troposfere je odvisna od geografska širina(v tropih - 18-20 km, v zmernih zemljepisnih širinah - približno 10 km) in letni čas. Nacionalna meteorološka služba ZDA je izvedla sondiranje blizu južnega pola in razkrila sezonske spremembe višine tropopavze. Marca je tropopavza na nadmorski višini cca. 7,5 km. Od marca do avgusta ali septembra se troposfera stalno ohlaja in njena meja se avgusta ali septembra za kratek čas dvigne do nadmorske višine približno 11,5 km. Nato se od septembra do decembra hitro zmanjša in doseže najnižjo lego - 7,5 km, kjer ostane do marca in niha znotraj le 0,5 km. V troposferi se v glavnem oblikuje vreme, ki določa pogoje za človekov obstoj. Večina atmosferske vodne pare je skoncentrirana v troposferi in tam predvsem nastajajo oblaki, čeprav jih nekaj, sestavljenih iz ledenih kristalov, najdemo v višjih plasteh. Za troposfero so značilne turbulence in močni zračni tokovi (vetrovi) in nevihte. V zgornji troposferi so močni zračni tokovi v strogo določeni smeri. Turbulentni vrtinci, podobni majhnim vrtincem, nastanejo pod vplivom trenja in dinamične interakcije med počasi in hitro premikajočimi se zračnimi masami. Ker na teh visokih ravneh običajno ni oblačnosti, se ta turbulenca imenuje "turbulenca čistega zraka".
Stratosfera. Zgornjo plast ozračja pogosto napačno opisujemo kot plast z razmeroma stalnimi temperaturami, kjer vetrovi pihajo bolj ali manj enakomerno in kjer se meteorološki elementi malo spreminjajo. Zgornje plasti stratosfere se segrejejo, ko kisik in ozon absorbirata ultravijolično sevanje sonca. Zgornja meja stratosfere (stratopavza) je tam, kjer se temperatura nekoliko dvigne in doseže vmesni maksimum, ki je pogosto primerljiv s temperaturo površinske plasti zraka. Na podlagi opazovanj z letali in baloni, namenjenimi za letenje na konstantnih višinah, so bile v stratosferi ugotovljene turbulentne motnje in močni vetrovi, ki pihajo v različnih smereh. Tako kot v troposferi obstajajo močni zračni vrtinci, ki so še posebej nevarni za letala z visokimi hitrostmi. Močni vetrovi, imenovani curki, pihajo v ozkih območjih vzdolž meja zmernih zemljepisnih širin, obrnjenih proti poloma. Vendar se lahko ta območja premaknejo, izginejo in se znova pojavijo. Reaktivni tokovi običajno prodrejo skozi tropopavzo in se pojavijo v zgornji troposferi, vendar se njihova hitrost z nižanjem nadmorske višine hitro zmanjšuje. Možno je, da nekaj energije, ki vstopa v stratosfero (v glavnem porabljena za tvorbo ozona), vpliva na procese v troposferi. Posebej aktivno mešanje je povezano z atmosferskimi frontami, kjer so bili zabeleženi obsežni tokovi stratosferskega zraka precej pod tropopavzo, troposferski zrak pa se je vlekel v nižje plasti stratosfere. V študiji je bil dosežen pomemben napredek vertikalna struktura nižje plasti atmosfere zaradi izboljšave tehnologije za izstrelitev radiosond na višine 25-30 km. Mezosfera, ki se nahaja nad stratosfero, je lupina, v kateri do višine 80-85 km temperatura pade na najnižje vrednosti za celotno ozračje. Rekordno nizke temperature -110°C so zabeležile vremenske rakete, izstreljene iz ameriško-kanadskega objekta v Fort Churchillu (Kanada). Zgornja meja mezosfere (mezopavza) približno sovpada s spodnjo mejo območja aktivne absorpcije rentgenskega in kratkovalovnega ultravijoličnega sevanja Sonca, ki ga spremlja segrevanje in ionizacija plina. V polarnih območjih se med mezopavzo poleti pogosto pojavljajo oblačni sistemi, ki zavzemajo veliko površino, vendar imajo malo vertikalnega razvoja. Takšni nočno žareči oblaki pogosto razkrivajo obsežna valovna gibanja zraka v mezosferi. Sestava teh oblakov, viri vlage in kondenzacijskih jeder, dinamika in razmerja z meteorološkimi dejavniki še niso dovolj raziskani. Termosfera je plast ozračja, v kateri temperatura nenehno narašča. Njegova moč lahko doseže 600 km. Tlak in s tem tudi gostota plina z višino nenehno padata. V bližini zemeljskega površja vsebuje 1 m3 zraka cca. 2,5 x 1025 molekul, na višini pribl. 100 km, v spodnjih plasteh termosfere - približno 1019, na nadmorski višini 200 km, v ionosferi - 5 * 10 15 in po izračunih na nadmorski višini pribl. 850 km - približno 1012 molekul. V medplanetarnem prostoru je koncentracija molekul 10 8-10 9 na 1 m3. Na nadmorski višini cca. 100 km je število molekul majhno in le redko trčijo med seboj. Povprečna razdalja, ki jo prepotuje kaotično gibajoča se molekula, preden trči z drugo podobno molekulo, se imenuje njena povprečna prosta pot. Plast, v kateri se ta vrednost toliko poveča, da lahko zanemarimo verjetnost medmolekularnih ali medatomskih trkov, se nahaja na meji med termosfero in zgornjo lupino (eksosfero) in se imenuje termopavza. Termopavza je približno 650 km od zemeljske površine. Pri določeni temperaturi je hitrost molekule odvisna od njene mase: lažje molekule se gibljejo hitreje od težjih. V nižjih slojih atmosfere, kjer je prosta pot zelo kratka, ni opaznega ločevanja plinov po njihovi molekulski masi, vendar je to izraženo nad 100 km. Poleg tega molekule kisika pod vplivom ultravijoličnega in rentgenskega sevanja Sonca razpadejo na atome, katerih masa je polovica mase molekule. Zato z oddaljevanjem od zemeljskega površja postaja atomski kisik vse večji pomen v sestavi ozračja in na nadmorski višini cca. 200 km postane njegova glavna sestavina. Višje, na oddaljenosti približno 1200 km od površja Zemlje, prevladujeta lahka plina - helij in vodik. Zunanji ovoj atmosfere je sestavljen iz njih. To ločevanje po masi, imenovano difuzna stratifikacija, je podobno ločevanju zmesi s centrifugo. Eksosfera je zunanja plast ozračja, ki nastane zaradi sprememb temperature in lastnosti nevtralnega plina. Molekule in atomi v eksosferi se pod vplivom gravitacije vrtijo okoli Zemlje v balističnih orbitah. Nekatere od teh orbit so parabolične in spominjajo na trajektorije izstrelkov. Molekule se lahko vrtijo okoli Zemlje in v eliptičnih orbitah, kot sateliti. Nekatere molekule, predvsem vodik in helij, imajo odprte trajektorije in gredo v vesolje (slika 2).
SONČNO-ZEMLJSKE POVEZAVE IN NJIHOV VPLIV NA OZRAČJE
Atmosferske plime. Privlačnost Sonca in Lune povzroča plimovanje v ozračju, podobno zemeljskemu in morskemu plimovanju. Toda atmosferske plime imajo pomembno razliko: atmosfera najmočneje reagira na privlačnost Sonca, medtem ko Zemljina skorja in ocean - pod privlačnostjo Lune. To je razloženo z dejstvom, da ozračje segreva Sonce in poleg gravitacijskega nastane močna toplotna plima. Na splošno sta mehanizma nastanka atmosferskega in morskega plimovanja podobna, le da je za napoved reakcije zraka na gravitacijske in toplotne vplive treba upoštevati njegovo stisljivost in porazdelitev temperature. Ni povsem jasno, zakaj poldnevne (12-urne) sončne plime v ozračju prevladujejo nad dnevnimi sončnimi in poldnevnimi luninimi plimami, čeprav gonilne sile Zadnja dva procesa sta veliko močnejša. Prej je veljalo, da v ozračju nastane resonanca, ki okrepi nihanje z 12-urnim obdobjem. Vendar pa opazovanja z uporabo geofizičnih raket kažejo, da za tako resonanco ni temperaturnih razlogov. Pri reševanju tega problema je verjetno treba upoštevati vse hidrodinamične in toplotne značilnosti ozračja. Na zemeljskem površju blizu ekvatorja, kjer je vpliv plimskih nihanj največji, zagotavlja spremembo atmosferskega tlaka za 0,1 %. Hitrost plimskega vetra je pribl. 0,3 km/h. Zaradi zapletene toplotne strukture atmosfere (zlasti prisotnosti minimalne temperature v mezopavzi) se plimski zračni tokovi okrepijo in na primer na nadmorski višini 70 km je njihova hitrost približno 160-krat večja od hitrosti zemeljsko površje, kar ima pomembne geofizikalne posledice. Menijo, da v spodnjem delu ionosfere (plast E) plimska nihanja premikajo ionizirani plin navpično v zemeljskem magnetnem polju, zato tu nastajajo električni tokovi. Ti nenehno nastajajoči sistemi tokov na zemeljskem površju nastanejo zaradi motenj v magnetnem polju. Dnevne spremembe magnetnega polja se dokaj dobro ujemajo z izračunanimi vrednostmi, kar je prepričljiv dokaz v prid teoriji plimskih mehanizmov »atmosferskega dinama«. Električni tokovi, ki nastanejo v spodnjem delu ionosfere (plast E), morajo nekam potovati, zato mora biti tokokrog sklenjen. Analogija z dinamom postane popolna, če upoštevamo prihajajoče gibanje kot delo motorja. Predpostavlja se, da se obratno kroženje električnega toka pojavi v višji plasti ionosfere (F), in ta protitok lahko pojasni nekatere posebne lastnosti te plasti. Končno bi moral učinek plimovanja ustvarjati tudi vodoravne tokove v E plasti in s tem v F plasti.
Ionosfera. Znanstveniki 19. stoletja so poskušali razložiti mehanizem nastanka aurore. predlagal, da v ozračju obstaja območje z električno nabitimi delci. V 20. stoletju Eksperimentalno so bili pridobljeni prepričljivi dokazi o obstoju na nadmorski višini od 85 do 400 km plasti, ki odbija radijske valove. Zdaj je znano, da so njegove električne lastnosti posledica ionizacije atmosferskega plina. Zato se ta sloj običajno imenuje ionosfera. Vpliv na radijske valove nastane predvsem zaradi prisotnosti prostih elektronov v ionosferi, čeprav je mehanizem širjenja radijskih valov povezan s prisotnostjo velikih ionov. Slednji so zanimivi tudi pri študiju kemijske lastnosti atmosferi, saj so bolj aktivni kot nevtralni atomi in molekule. Kemične reakcije, ki potekajo v ionosferi, igrajo pomembno vlogo pri njenem energijskem in električnem ravnovesju.
Normalna ionosfera. Opazovanja z geofizikalnimi raketami in sateliti so zagotovila veliko novih informacij, ki kažejo, da do ionizacije ozračja pride pod vplivom sončnega sevanja. širok spekter. Njegov glavni del (več kot 90%) je koncentriran v vidnem delu spektra. Ultravijolično sevanje S krajšo valovno dolžino in večjo energijo od vijoličnih svetlobnih žarkov ga oddaja vodik v notranjem delu Sončeve atmosfere (kromosfera), rentgenske žarke, ki imajo še večjo energijo, pa oddajajo plini v zunanji lupini sončne svetlobe. sonce (korona). Normalno (povprečno) stanje ionosfere je posledica stalnega močnega sevanja. V normalni ionosferi se zaradi dnevne rotacije Zemlje in sezonskih razlik vpadnega kota sončnih žarkov opoldne dogajajo redne spremembe, pojavljajo pa se tudi nepredvidljive in nenadne spremembe stanja ionosfere.
Motnje v ionosferi. Kot je znano, se na Soncu pojavljajo močne ciklično ponavljajoče se motnje, ki dosežejo maksimum vsakih 11 let. Opazovanja v okviru programa Mednarodnega geofizikalnega leta (IGY) so sovpadala z obdobjem največje sončne aktivnosti za celotno obdobje sistematičnih meteoroloških opazovanj, t.j. iz začetka 18. stoletja. V obdobjih visoke aktivnosti se svetlost nekaterih območij na Soncu večkrat poveča in oddajajo močne impulze ultravijoličnega in rentgenskega sevanja. Takšni pojavi se imenujejo sončni izbruhi. Trajajo od nekaj minut do ene do dveh ur. Med izbruhom izbruhne sončni plin (večinoma protoni in elektroni) in elementarni delci hiteti v vesolje. Elektromagnetno in korpuskularno sevanje Sonca ob takih izbruhih močno vpliva na Zemljino atmosfero. Začetno reakcijo opazimo 8 minut po izbruhu, ko Zemljo doseže intenzivno ultravijolično in rentgensko sevanje. Posledično se ionizacija močno poveča; Rentgenski žarki prodrejo v ozračje do spodnje meje ionosfere; število elektronov v teh plasteh se toliko poveča, da se radijski signali skoraj popolnoma absorbirajo (»ugasnejo«). Dodatna absorpcija sevanja povzroči segrevanje plina, kar prispeva k razvoju vetrov. Ionizirani plin je električni prevodnik in pri gibanju v Zemljinem magnetnem polju nastane dinamo učinek in nastane električni tok. Takšni tokovi pa lahko povzročijo opazne motnje v magnetnem polju in se pokažejo v obliki magnetnih neviht. Ta začetna faza traja le kratek čas, ki ustreza trajanju sončnega izbruha. Med močnimi izbruhi na Soncu tok pospešenih delcev plane v vesolje. Ko se usmeri proti Zemlji, se začne druga faza, ki ima velik vpliv na stanje ozračja. Mnogi naravni pojavi, med katerimi so najbolj znani polarni sij, kažejo, da Zemljo doseže precejšnje število nabitih delcev (glej tudi AVRORE). Kljub temu procesi ločevanja teh delcev od Sonca, njihove trajektorije v medplanetarnem prostoru in mehanizmi interakcije z zemeljskim magnetnim poljem in magnetosfero še niso dovolj raziskani. Težava je postala bolj zapletena, ko je leta 1958 James Van Allen odkril lupine, sestavljene iz nabitih delcev, ki jih drži geomagnetno polje. Ti delci se premikajo z ene hemisfere na drugo in se vrtijo v spiralah okoli silnic magnetnega polja. V bližini Zemlje, na višini, ki je odvisna od oblike silnic polja in energije delcev, obstajajo »odbojne točke«, na katerih delci spremenijo smer gibanja v nasprotno (slika 3). Ker se jakost magnetnega polja zmanjšuje z oddaljenostjo od Zemlje, so orbite, po katerih se ti delci gibljejo, nekoliko popačene: elektroni se odklanjajo proti vzhodu, protoni pa proti zahodu. Zato so razdeljeni v obliki pasov po vsem svetu.
Nekatere posledice segrevanja ozračja s Soncem. Sončna energija vpliva na celotno ozračje. Zgoraj smo že omenili pasove, ki jih tvorijo nabiti delci v Zemljinem magnetnem polju in se vrtijo okoli njega. Ti pasovi se najbolj približajo zemeljskemu površju v subpolarnih območjih (glej sliko 3), kjer opazimo polarni sij. Slika 1 prikazuje, da so v avroralnih območjih v Kanadi temperature termosfere znatno višje kot v jugozahodnem delu ZDA. Verjetno ujeti delci sprostijo del svoje energije v atmosfero, zlasti ob trčenju z molekulami plina v bližini odbojnih točk, in zapustijo prejšnje orbite. Tako se segrevajo visoke plasti atmosfere v avroralnem območju. Med proučevanjem orbit umetnih satelitov je prišlo do drugega pomembnega odkritja. Luigi Iacchia, astronom na Smithsonian Astrophysical Observatory, meni, da so rahla odstopanja v teh orbitah posledica sprememb v gostoti atmosfere, ko jo segreva Sonce. Predlagal je obstoj največje gostote elektronov na nadmorski višini več kot 200 km v ionosferi, ki ne ustreza sončnemu poldnevu, vendar se pod vplivom sil trenja glede na to zamakne za približno dve uri. V tem času se vrednosti atmosferske gostote, značilne za nadmorsko višino 600 km, opazijo na ravni pribl. 950 km. Poleg tega največja elektronska gostota doživlja nepravilna nihanja zaradi kratkotrajnih bliskov ultravijoličnega in rentgenskega sevanja Sonca. L. Iacchia je odkril tudi kratkotrajna nihanja gostote zraka, ki ustrezajo sončnim izbruhom in motnjam magnetnega polja. Te pojave pojasnjujejo z vdorom delcev sončnega izvora v Zemljino atmosfero in segrevanjem tistih plasti, kjer krožijo sateliti.
ATMOSFERSKA ELEKTRIKA
V površinski plasti ozračja majhen del molekule se ionizirajo pod vplivom kozmičnih žarkov, radioaktivnega sevanja skale in razpadnih produktov radija (predvsem radona) v samem zraku. Med ionizacijo atom izgubi elektron in pridobi pozitiven naboj. Prosti elektron se hitro združi z drugim atomom in tvori negativno nabit ion. Takšni seznanjeni pozitivni in negativni ioni imajo molekularne dimenzije. Molekule v ozračju se nagibajo k združevanju okoli teh ionov. Več molekul v kombinaciji z ionom tvori kompleks, ki se običajno imenuje "lahki ion". Atmosfera vsebuje tudi komplekse molekul, v meteorologiji znane kot kondenzacijska jedra, okoli katerih se, ko je zrak nasičen z vlago, začne proces kondenzacije. Ta jedra so delci soli in prahu, pa tudi onesnaževala, ki se sproščajo v zrak iz industrijskih in drugih virov. Lahki ioni se pogosto pritrdijo na takšna jedra in tvorijo "težke ione". Pod vplivom električno polje lahki in težki ioni se premikajo iz enega področja atmosfere v drugega in prenašajo električne naboje. Čeprav atmosfera na splošno ne velja za električno prevodno, ima nekaj prevodnosti. Zato naelektreno telo, ki ostane v zraku, počasi izgubi naboj. Atmosferska prevodnost narašča z nadmorsko višino zaradi povečane intenzivnosti kozmičnih žarkov, zmanjšane izgube ionov pri nižjem tlaku (in s tem daljše povprečne proste poti) in manjšega števila težkih jeder. Atmosferska prevodnost doseže največjo vrednost na nadmorski višini pribl. 50 km, t.i "stopnja odškodnine". Znano je, da med zemeljsko površino in "kompenzacijsko stopnjo" obstaja konstantna potencialna razlika nekaj sto kilovoltov, tj. konstantno električno polje. Izkazalo se je, da je potencialna razlika med določeno točko v zraku na višini nekaj metrov in površino Zemlje zelo velika - več kot 100 V. Atmosfera ima pozitiven naboj, zemeljska površina pa je negativno nabita. . Ker je električno polje območje, v vsaki točki katerega obstaja določena vrednost potenciala, lahko govorimo o gradientu potenciala. V jasnem vremenu je znotraj spodnjih nekaj metrov električna poljska jakost ozračja skoraj konstantna. Zaradi razlik v električni prevodnosti zraka v površinski plasti je potencialni gradient podvržen dnevnim nihanjem, katerih potek se od kraja do kraja močno razlikuje. Če ni lokalnih virov onesnaževanja zraka – nad oceani, visoko v gorah ali v polarnih območjih – je dnevna sprememba potencialnega gradienta enaka v jasnem vremenu. Velikost gradienta je odvisna od univerzalnega ali greenwiškega srednjega časa (UT) in doseže maksimum ob 19 urah E. Appleton je predlagal, da ta največja električna prevodnost verjetno sovpada z največjo nevihtno aktivnostjo na planetarni lestvici. Razelektritve strele med nevihtami prenašajo negativni naboj na zemeljsko površje, saj imajo baze najaktivnejših kumulonimbusnih nevihtnih oblakov pomembno negativni naboj. Vrhovi nevihtnih oblakov imajo pozitiven naboj, ki po izračunih Holzerja in Saxona med nevihtami odteka z njihovih vrhov. Brez stalnega dopolnjevanja bi bil naboj na zemeljski površini nevtraliziran z atmosfersko prevodnostjo. Predpostavko, da potencialno razliko med zemeljsko površino in »kompenzacijsko stopnjo« ohranjajo nevihte, podpirajo statistični podatki. Na primer, največje število neviht je opaziti v dolini reke. Amazonke. Najpogosteje se nevihte tam pojavljajo ob koncu dneva, t.j. V REDU. 19:00 po Greenwiškem srednjem času, ko je potencialni gradient največji kjer koli na svetu. Poleg tega se sezonske spremembe v obliki dnevnih variacijskih krivulj potencialnega gradienta prav tako popolnoma ujemajo s podatki o globalni porazdelitvi neviht. Nekateri raziskovalci trdijo, da je lahko vir zemeljskega električnega polja zunanjega izvora, saj naj bi električna polja obstajala v ionosferi in magnetosferi. Ta okoliščina verjetno pojasnjuje pojav zelo ozkih podolgovatih oblik aurorov, podobnih kulisom in lokom
(glej tudi AURORA LUČI). Zaradi prisotnosti potencialnega gradienta in prevodnosti atmosfere se nabiti delci začnejo premikati med "kompenzacijsko stopnjo" in zemeljsko površino: pozitivno nabiti ioni proti Zemljini površini in negativno nabiti navzgor od nje. Moč tega toka je cca. 1800 A. Čeprav se ta vrednost zdi velika, je treba zapomniti, da je porazdeljena po celotni površini Zemlje. Jakost toka v stolpcu zraka z osnovno površino 1 m2 je le 4 * 10 -12 A. Po drugi strani pa lahko jakost toka med praznjenjem strele doseže več amperov, čeprav je seveda tak praznjenje ima kratko trajanje - od delčka sekunde do cele sekunde ali malo več s ponavljajočimi se udarci. Strele so zelo zanimive ne le kot svojevrsten naravni pojav. Omogoča opazovanje električne razelektritve v plinastem mediju pri napetosti nekaj sto milijonov voltov in razdalji med elektrodami več kilometrov. Leta 1750 je B. Franklin Kraljevski družbi v Londonu predlagal izvedbo poskusa z železno palico, nameščeno na izolacijsko podlago in nameščeno na visokem stolpu. Pričakoval je, da se bo, ko se bo nevihtni oblak približal stolpu, naboj nasprotnega predznaka koncentriral na zgornjem koncu prvotno nevtralne palice, naboj istega predznaka kot na dnu oblaka pa bo koncentriran na spodnjem koncu . Če se jakost električnega polja med razelektritvijo strele dovolj poveča, bo naboj z zgornjega konca palice delno stekel v zrak in palica bo dobila naboj enakega predznaka kot osnova oblaka. Eksperimenta, ki ga je predlagal Franklin, v Angliji niso izvedli, ga je pa leta 1752 v Marlyju blizu Pariza izvedel francoski fizik Jean d'Alembert.Uporabil je železno palico, dolgo 12 m, vstavljeno v steklenico (ki je služila kot izolator), vendar ga ni postavil na stolp. 10. maja je njegov pomočnik poročal, da so, ko je bil nevihtni oblak nad palico, nastale iskre, ko je bila blizu nje približana ozemljena žica. , junija istega leta izvedel svoj znameniti eksperiment z zmajem in opazoval električne iskre na koncu žice, privezane nanj.Naslednje leto je Franklin med preučevanjem nabojev, zbranih iz palice, odkril, da so baze nevihtnih oblakov običajno negativno nabite. Podrobnejše preučevanje strele je postalo mogoče v poznem 19. stoletju zaradi izboljšav fotografske tehnike, zlasti po izumu aparature z vrtljivimi lečami, ki je omogočila snemanje hitro razvijajočih se procesov. Ta vrsta kamere se je pogosto uporabljala pri preučevanju iskričnih razelektritev. Ugotovljeno je bilo, da obstaja več vrst strel, najpogostejše pa so črtne, ravninske (v oblaku) in krogle (zračni izpusti). Linearna strela je iskrica med oblakom in zemeljsko površino, ki sledi kanalu z vejami navzdol. Ploščata strela se pojavi v nevihtnem oblaku in je videti kot blisk difuzne svetlobe. Zračni izpusti kroglične strele, ki se začnejo iz nevihtnega oblaka, so pogosto usmerjeni vodoravno in ne dosežejo zemeljske površine.
Razelektritev strele je običajno sestavljena iz treh ali več ponavljajočih se razelektritev - impulzov, ki sledijo isti poti. Intervali med zaporednimi impulzi so zelo kratki, od 1/100 do 1/10 s (to povzroča utripanje strele). Na splošno traja blisk približno sekundo ali manj. Tipičen proces razvoja strele lahko opišemo na naslednji način. Najprej od zgoraj na zemeljsko površje hiti šibko svetleča vodna razelektritev. Ko ga doseže, gre svetlo žareč povratni ali glavni izpust od tal navzgor skozi kanal, ki ga je postavil vodja. Vodilni izpust se praviloma premika cik-cak. Hitrost njegovega širjenja je od sto do nekaj sto kilometrov na sekundo. Na svoji poti ionizira molekule zraka in ustvari kanal s povečano prevodnostjo, skozi katerega se povratna razelektritev premika navzgor s približno stokrat večjo hitrostjo od vodilne razelektritve. Velikost kanala je težko določiti, vendar je premer vodilnega iztoka ocenjen na 1-10 m, premer povratnega iztoka pa je nekaj centimetrov. Razelektritve strele ustvarjajo radijske motnje z oddajanjem radijskih valov v širokem razponu - od 30 kHz do ultra nizkih frekvenc. Največja emisija radijskih valov je verjetno v območju od 5 do 10 kHz. Takšne nizkofrekvenčne radijske motnje so »koncentrirane« v prostoru med spodnjo mejo ionosfere in zemeljskim površjem in se lahko razširijo na razdalje več tisoč kilometrov od vira.
SPREMEMBE V OZRAČJU
Vpliv meteorjev in meteoritov.Čeprav meteorski dež včasih povzroči dramatičen prikaz svetlobe, so posamezni meteorji redko vidni. Veliko številčnejši so nevidni meteorji, premajhni, da bi bili vidni, ko jih absorbira ozračje. Nekateri najmanjši meteorji se verjetno sploh ne segrejejo, ampak jih le ujame atmosfera. Ti majhni delci z velikostjo od nekaj milimetrov do desettisočink milimetra se imenujejo mikrometeoriti. Količina meteorskega materiala, ki vsak dan vstopi v ozračje, se giblje od 100 do 10.000 ton, pri čemer večina tega materiala prihaja iz mikrometeoritov. Ker meteorska snov delno zgori v ozračju, se njena plinska sestava polni s sledovi različnih kemičnih elementov. Na primer, kamniti meteorji vnesejo litij v ozračje. Zgorevanje kovinskih meteorjev povzroči nastanek drobnih sferičnih železnih, železo-nikljevih in drugih kapljic, ki gredo skozi ozračje in se usedejo na zemeljsko površje. Najdemo jih na Grenlandiji in Antarktiki, kjer ledene plošče ostanejo skoraj nespremenjene več let. Oceanologi jih najdejo v oceanskih sedimentih. Večina delcev meteorjev, ki vstopijo v ozračje, se usede v približno 30 dneh. Nekateri znanstveniki verjamejo, da ima ta kozmični prah pomembno vlogo pri nastajanju atmosferskih pojavov, kot je dež, ker služi kot kondenzacijska jedra za vodno paro. Zato se domneva, da so padavine statistično povezane z velikimi meteorskimi vodami. Vendar pa nekateri strokovnjaki menijo, da ker je celotna zaloga meteorskega materiala več desetkrat večja od celo največjega meteorskega dežja, lahko spremembo skupne količine tega materiala, ki je posledica enega takega dežja, zanemarimo. Ni pa dvoma, da največji mikrometeoriti in seveda vidni meteoriti puščajo dolge sledi ionizacije v visokih plasteh atmosfere, predvsem v ionosferi. Takšne sledi se lahko uporabljajo za radijsko komunikacijo na dolge razdalje, saj odbijajo visokofrekvenčne radijske valove. Energija meteorjev, ki vstopajo v atmosfero, se večinoma in morda v celoti porabi za njeno segrevanje. To je ena od manjših komponent toplotnega ravnovesja ozračja.
Ogljikov dioksid industrijskega izvora. V karbonskem obdobju je bila na Zemlji razširjena lesnata vegetacija. Večina ogljikovega dioksida, ki so ga takrat absorbirale rastline, se je kopičila v nahajališčih premoga in naftonosnih usedlinah. Človek se je naučil uporabljati ogromne zaloge teh mineralov kot vir energije in zdaj pospešeno vrača ogljikov dioksid v kroženje snovi. Fosilno stanje je verjetno pribl. 4*10 13 ton karbona. V zadnjem stoletju je človeštvo pokurilo toliko fosilnih goriv, da je približno 4*10 11 ton ogljika ponovno vstopilo v ozračje. Trenutno je cca. 2 * 10 12 ton ogljika, v naslednjih sto letih pa se lahko zaradi zgorevanja fosilnih goriv ta številka podvoji. Vendar ves ogljik ne bo ostal v atmosferi: nekaj se ga bo raztopilo v oceanskih vodah, nekaj ga bodo absorbirale rastline, nekaj pa bo vezanega v procesu preperevanja kamnin. Ni še mogoče napovedati, koliko ogljikovega dioksida bo v ozračju ali točno kakšen vpliv bo imelo na podnebje sveta. Verjame pa se, da bo vsako povečanje njegove vsebnosti povzročilo segrevanje, čeprav sploh ni nujno, da bo morebitno segrevanje bistveno vplivalo na podnebje. Koncentracija ogljikovega dioksida v ozračju po rezultatih meritev opazno narašča, čeprav počasi. Podnebni podatki za Svalbard in Little America Station na ledeni plošči Ross na Antarktiki kažejo na povišanje povprečnih letnih temperatur za 5 °C oziroma 2,5 °C v približno 50-letnem obdobju.
Izpostavljenost kozmičnemu sevanju. Ko visokoenergijski kozmični žarki medsebojno delujejo s posameznimi komponentami ozračja, radioaktivni izotopi. Med njimi izstopa izotop ogljika 14C, ki se kopiči v rastlinskih in živalskih tkivih. Z merjenjem radioaktivnosti organska snov, ki že dolgo nista izmenjala ogljika z okolju, je mogoče določiti njihovo starost. Radiokarbonska metoda se je uveljavil kot najbolj zanesljiv način datiranje fosilnih organizmov in predmetov materialne kulture, katerih starost ne presega 50 tisoč let. Za datiranje materialov, starih več sto tisoč let, bo mogoče uporabiti druge radioaktivne izotope z dolgimi razpolovnimi dobami, če bo temeljni problem merjenja izjemno nizke ravni radioaktivnost
(glej tudi RADIOKARBONSKO DATIRANJE).
IZVOR ZEMLJINE ATMOSFERE
Zgodovina nastanka ozračja še ni povsem zanesljivo rekonstruirana. Kljub temu so bile ugotovljene nekatere verjetne spremembe v njegovi sestavi. Nastajanje ozračja se je začelo takoj po nastanku Zemlje. Obstajajo precej dobri razlogi za domnevo, da je v procesu evolucije Zemlje in njenega pridobivanja dimenzij in mase, ki so blizu sodobnim, skoraj popolnoma izgubila prvotno atmosfero. Domneva se, da je bila Zemlja v zgodnji fazi v staljenem stanju in pribl. Pred 4,5 milijarde let se je oblikovala trdna. Ta mejnik velja za začetek geološke kronologije. Od takrat naprej je prišlo do počasnega razvoja ozračja. Nekatere geološke procese, kot je izlitje lave med vulkanskimi izbruhi, je spremljalo sproščanje plinov iz črevesja Zemlje. Verjetno so vključevali dušik, amoniak, metan, vodno paro, ogljikov monoksid in dioksid. Pod vplivom sončnega ultravijoličnega sevanja je vodna para razpadla na vodik in kisik, vendar je sproščeni kisik reagiral z ogljikovim monoksidom v ogljikov dioksid. Amoniak razpade na dušik in vodik. Med procesom difuzije se je vodik dvignil navzgor in zapustil atmosfero, težji dušik pa ni mogel izhlapeti in se je postopoma kopičil ter postal njegova glavna sestavina, čeprav se ga je nekaj med kemične reakcije. Pod vplivom ultravijoličnih žarkov in električnih razelektritev je mešanica plinov, ki je bila verjetno prisotna v prvotni Zemljini atmosferi, vstopila v kemične reakcije, ki so povzročile nastanek organskih snovi, zlasti aminokislin. Posledično bi življenje lahko nastalo v atmosferi, ki je bistveno drugačna od sodobne. S pojavom primitivnih rastlin se je začel proces fotosinteze (glej tudi FOTOSINTEZA), ki ga spremlja sproščanje prostega kisika. Ta plin je, zlasti po difuziji v zgornje plasti atmosfere, začel ščititi njene spodnje plasti in površje Zemlje pred smrtno nevarnimi ultravijoličnimi in rentgenskimi žarki. Ocenjuje se, da bi prisotnost le 0,00004 sodobne prostornine kisika lahko povzročila nastanek plasti s polovično sedanjo koncentracijo ozona, ki pa je kljub temu zagotavljala zelo pomembno zaščito pred ultravijoličnimi žarki. Prav tako je verjetno, da je primarna atmosfera vsebovala veliko ogljikovega dioksida. Porabljen je bil med fotosintezo, njegova koncentracija pa se je verjetno zmanjšala z razvojem rastlinskega sveta in tudi zaradi absorpcije med nekaterimi geološkimi procesi. Ker je učinek tople grede povezan s prisotnostjo ogljikovega dioksida v atmosferi, nekateri znanstveniki menijo, da so nihanja njegove koncentracije eden od pomembnih vzrokov za obsežne podnebne spremembe v Zemljini zgodovini, kot so ledene dobe. Verjetno je helij, ki je prisoten v sodobnem ozračju večinoma je produkt radioaktivnega razpada urana, torija in radija. Ti radioaktivni elementi oddajajo delce alfa, ki so jedra atomov helija. Ker se med radioaktivnim razpadom ne ustvari ali izgubi električni naboj, sta za vsak delec alfa dva elektrona. Posledično se kombinira z njimi in tvori nevtralne atome helija. Radioaktivne elemente vsebujejo minerali, razpršeni v kamninah, zato se velik del helija, ki nastane kot posledica radioaktivnega razpada, zadrži v njih in zelo počasi uhaja v ozračje. Določena količina helija se zaradi difuzije dvigne navzgor v eksosfero, vendar je zaradi stalnega dotoka z zemeljskega površja prostornina tega plina v atmosferi konstantna. Na podlagi spektralne analize zvezdne svetlobe in proučevanja meteoritov je mogoče oceniti relativno številčnost različnih kemičnih elementov v vesolju. Koncentracija neona v vesolju je približno deset milijardkrat večja kot na Zemlji, kriptona desetmilijonkrat večja, ksenona pa milijonkrat večja. Iz tega sledi, da se je koncentracija teh inertnih plinov, ki so bili sprva prisotni v Zemljini atmosferi in se med kemičnimi reakcijami niso obnovili, zelo zmanjšala, verjetno že v fazi izgube primarne atmosfere Zemlje. Izjema je inertni plin argon, saj v obliki izotopa 40Ar še vedno nastaja pri radioaktivnem razpadu izotopa kalija.
OPTIČNI POJAVI
Raznolikost optičnih pojavov v ozračju je posledica zaradi različnih razlogov. Najpogostejši pojavi vključujejo strele (glej zgoraj) ter zelo spektakularen severni in južni polarni sij (glej tudi AURORA). Poleg tega so še posebej zanimivi mavrica, gal, parhelij (lažno sonce) in loki, korona, haloji in Brocken duhovi, fatamorgane, Elmovi ognji, svetleči oblaki, zeleni in krepuskularni žarki. Mavrica je najlepši atmosferski pojav. Običajno je to ogromen lok, sestavljen iz večbarvnih trakov, ki ga opazimo, ko sonce osvetljuje le del neba in je zrak nasičen z vodnimi kapljicami, na primer med dežjem. Večbarvni loki so razporejeni v spektralnem zaporedju (rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična), vendar barve skoraj nikoli niso čiste, ker se proge med seboj prekrivajo. Fizikalne lastnosti mavric se praviloma zelo razlikujejo, zato videz so zelo raznoliki. Njihovo skupna lastnost je, da se središče loka vedno nahaja na ravni črti, ki poteka od Sonca do opazovalca. Glavna mavrica je lok, sestavljen iz najsvetlejših barv - rdeče na zunanji strani in vijolične na notranji strani. Včasih je viden samo en lok, pogosto pa se pojavi stranski lok na zunanji strani glavne mavrice. Nima tako svetle barve kot prva, rdeče in vijolične črte v njej pa zamenjajo mesta: rdeča se nahaja na notranji strani. Nastanek glavne mavrice je razložen z dvojnim lomom (glej tudi OPTIKA) in enojnim notranjim odbojem žarkov. sončna svetloba(glej sliko 5). Ko prodre v kapljico vode (A), se žarek svetlobe lomi in razgradi, kot da bi šel skozi prizmo. Nato doseže nasprotno površino kapljice (B), se od nje odbije in zapusti kapljico zunaj (C). V tem primeru se svetlobni žarek še drugič lomi, preden doseže opazovalca. Prvotni beli žarek se razgradi na žarke različne barve z divergenčnim kotom 2°. Ko nastane sekundarna mavrica, pride do dvojnega loma in dvojnega odboja sončnih žarkov (glej sliko 6). V tem primeru se svetloba lomi, prodre v kapljico skozi njen spodnji del (A) in se odbije od notranje površine kapljice najprej v točki B, nato v točki C. V točki D se svetloba lomi, zapustiti kapljico proti opazovalcu.
Ob sončnem vzhodu in zahodu opazovalec vidi mavrico v obliki loka, ki je enak polovici kroga, saj je os mavrice vzporedna z obzorjem. Če je Sonce višje nad obzorjem, je lok mavrice manjši od polovice obsega. Ko se Sonce dvigne nad 42° nad obzorjem, mavrica izgine. Povsod, razen na visokih zemljepisnih širinah, se mavrica ne more pojaviti opoldne, ko je Sonce previsoko. Zanimiva je ocena razdalje do mavrice. Čeprav se zdi, da se večbarvni lok nahaja v isti ravnini, je to iluzija. Dejansko ima mavrica ogromno globino in si jo lahko predstavljamo kot površino votlega stožca, na vrhu katerega se nahaja opazovalec. Os stožca povezuje Sonce, opazovalca in središče mavrice. Opazovalec gleda kot vzdolž površine tega stožca. Dva človeka nikoli ne moreta videti popolnoma enake mavrice. Seveda lahko opazite v bistvu enak učinek, vendar obe mavrici zasedata različna položaja in ju tvorijo različne kapljice vode. Ko dež ali škropljenje tvori mavrico, je polni optični učinek dosežen s skupnim učinkom vseh vodnih kapljic, ki prečkajo površino mavričnega stožca z opazovalcem na vrhu. Vloga vsake kapljice je minljiva. Površina mavričnega stožca je sestavljena iz več plasti. Ko jih hitro prečkamo in gremo skozi niz kritičnih točk, se vsaka kapljica takoj razgradi Sončni žarek po celotnem spektru v strogo določenem zaporedju - od rdeče do vijolična. Številne kapljice na enak način sekajo površino stožca, tako da se mavrica opazovalcu zdi neprekinjena vzdolž in počez njenega loka. Halosi so beli ali mavrični svetlobni loki in krogi okoli diska Sonca ali Lune. Nastanejo zaradi loma ali odboja svetlobe od ledenih ali snežnih kristalov v ozračju. Kristali, ki tvorijo halo, se nahajajo na površini namišljenega stožca z osjo, usmerjeno od opazovalca (od vrha stožca) proti Soncu. Pod določenimi pogoji je lahko atmosfera nasičena z majhnimi kristali, katerih mnoge ploskve tvorijo pravi kot z ravnino, ki poteka skozi Sonce, opazovalca in te kristale. Takšne ploskve odbijajo prihajajoče svetlobne žarke z odstopanjem 22° in tvorijo halo, ki je v notranjosti rdečkast, lahko pa je sestavljen iz vseh barv spektra. Manj pogost je halo s kotnim polmerom 46°, ki se nahaja koncentrično okoli 22° halo. Njegovo notranja stran ima tudi rdečkast odtenek. Razlog za to je tudi lom svetlobe, ki se v tem primeru pojavi na robovih kristalov, ki tvorijo prave kote. Širina obroča takšnega haloja presega 2,5°. Tako 46-stopinjski kot 22-stopinjski halosi so ponavadi najsvetlejši na vrhu in dnu obroča. Redek 90-stopinjski halo je rahlo svetleč, skoraj brezbarven obroč, ki ima skupno središče z dvema drugima halooma. Če je obarvan, bo imel rdečo barvo na zunanji strani obroča. Mehanizem nastanka te vrste haloja ni popolnoma razumljen (slika 7).
Parhelije in loki. Parhelični krog (ali krog lažnih sonc) je bel obroč s središčem v točki zenita, ki poteka skozi Sonce vzporedno z obzorjem. Razlog za njegov nastanek je odboj sončne svetlobe od robov površin ledenih kristalov. Če so kristali dovolj enakomerno razporejeni po zraku, postane viden celoten krog. Parhelije ali lažna sonca so svetlo svetleče lise, ki spominjajo na Sonce, ki se tvorijo na presečiščih parheličnega kroga z avreolami s kotnimi polmeri 22°, 46° in 90°. Najpogostejši in najsvetlejši parhelij se oblikuje na presečišču z 22-stopinjskim halojem, običajno obarvan v skoraj vse barve mavrice. Lažna sonca na presečiščih s 46- in 90-stopinjskimi haloji opazimo veliko redkeje. Parhelije, ki se pojavijo na presečiščih z 90-stopinjskimi haloji, imenujemo parantelije ali lažna protisonca. Včasih je viden tudi antelij (protisonce) - svetla lisa, ki se nahaja na parhelijevem obroču točno nasproti Sonca. Domneva se, da je vzrok tega pojava dvojni notranji odboj sončne svetlobe. Odbiti žarek sledi isti poti kot vpadni žarek, vendar v nasprotni smeri. Skoraj zenitni lok, včasih nepravilno imenovan zgornji tangentni lok 46-stopinjskega haloja, je lok 90° ali manj s središčem v zenitu, ki se nahaja približno 46° nad Soncem. Vidna je redko in le nekaj minut, ima svetle barve, rdeča barva pa je omejena na zunanjo stran loka. Skoraj zenitni lok je izjemen zaradi svoje barve, svetlosti in jasnih obrisov. Drug zanimiv in zelo redek optični učinek tipa halo je Lowitzov lok. Nastanejo kot nadaljevanje parhelijev na presečišču z 22-stopinjskim halojem, segajo z zunanje strani haloja in so rahlo konkavni proti Soncu. Stebri belkaste svetlobe so kot različni križi včasih vidni ob zori ali mraku, zlasti v polarnih območjih, in lahko spremljajo tako Sonce kot Luno. Včasih opazimo lunine haloje in druge učinke, podobne zgoraj opisanim, pri čemer ima najpogostejši lunin halo (obroč okoli Lune) kotni radij 22°. Tako kot lažna sonca lahko nastanejo lažne lune. Korone ali krone so majhni koncentrični barvni obroči okoli Sonca, Lune ali drugih svetlih predmetov, ki jih občasno opazujemo, ko je vir svetlobe za prosojnimi oblaki. Polmer korone je manjši od polmera haloja in znaša pribl. 1-5° je modri ali vijolični obroč najbližje Soncu. Korona nastane, ko svetlobo razpršijo majhne vodne kapljice in tvorijo oblak. Včasih je korona videti kot svetleča lisa (ali halo), ki obdaja Sonce (ali Luno), ki se konča z rdečkastim obročem. V drugih primerih sta zunaj avreola vidna vsaj dva koncentrična obroča večjega premera, ki sta zelo bledo obarvana. Ta pojav spremljajo mavrični oblaki. Včasih so robovi zelo visokih oblakov svetlih barv.
Gloria (avreole). V posebnih razmerah prihaja do nenavadnih atmosferskih pojavov. Če je Sonce za opazovalcem in je njegova senca projicirana na bližnje oblake ali zaveso megle, lahko pod določenim stanjem ozračja okoli sence človekove glave vidite barvni svetleči krog - halo. Običajno se takšen halo oblikuje zaradi odboja svetlobe od kapljic rose na travnati trati. Glorije pogosto najdemo tudi okoli sence, ki jo meče letalo na spodnje oblake.
Duhovi iz Brockena. Na nekaterih območjih sveta, ko senca opazovalca, ki se nahaja na hribu ob sončnem vzhodu ali zahodu, pade za njim na oblake, ki se nahajajo na kratki razdalji, se odkrije osupljiv učinek: senca pridobi ogromne razsežnosti. Do tega pride zaradi odboja in loma svetlobe na drobnih vodnih kapljicah v megli. Opisani pojav se imenuje "Ghost of Brocken" po vrhu v gorovju Harz v Nemčiji.
Mirage- optični učinek, ki nastane zaradi loma svetlobe pri prehodu skozi plasti zraka različnih gostot in se izraža v videzu navidezne slike. V tem primeru se lahko zdi, da so oddaljeni predmeti dvignjeni ali spuščeni glede na njihov dejanski položaj, lahko pa so tudi popačeni in prevzamejo nepravilne, fantastične oblike. Privide pogosto opazimo v vročem podnebju, na primer nad peščenimi ravnicami. Nižje fatamorgane so pogoste, ko oddaljena, skoraj ravna puščavska površina prevzame videz odprte vode, še posebej, če jo gledamo z rahle višine ali preprosto nad plastjo segretega zraka. Ta iluzija se običajno pojavi na razgreti asfaltni cesti, ki je daleč spredaj videti kot vodna gladina. V resnici je ta površina odsev neba. Pod višino oči se lahko v tej "vodi" pojavijo predmeti, običajno obrnjeni na glavo. Nad segreto zemeljsko površino nastane "zrak". večplastna torta", in plast, ki je najbližja zemlji, je najbolj vroča in tako redka, da so svetlobni valovi, ki gredo skozi njo, popačeni, saj se hitrost njihovega širjenja spreminja glede na gostoto medija. Zgornje fatamorgane so manj pogoste in bolj slikovite v primerjavi z nižji. Oddaljeni predmeti (pogosto pod morskim obzorjem) so na nebu prikazani obrnjeni na glavo, včasih pa se zgoraj pojavi pokončna slika istega predmeta. Ta pojav je značilen v hladnih regijah, še posebej, ko je močna temperaturna inverzija, ko je je toplejša plast zraka nad hladnejšo plastjo. Ta optični učinek se kaže kot posledica zapletenih vzorcev širjenja fronte svetlobnega valovanja v plasteh zraka z neenakomerno gostoto. Občasno se pojavijo zelo nenavadne fatamorgane, zlasti v polarnih regije Ko se fatamorgane pojavljajo na kopnem, so drevesa in drugi deli pokrajine obrnjeni na glavo.V vseh primerih so v zgornjem V fatamorganah predmeti vidnejši jasneje kot v spodnjih. Ko je meja dveh zračnih mas navpična ravnina, včasih opazimo bočne fatamorgane.
Ogenj svetega Elma. Nekateri optični pojavi v ozračju (na primer sij in najpogostejši meteorološki pojav - strela) imajo električna narava. Veliko manj pogoste so luči svetega Elma - svetleči bledo modri ali vijoličasti čopiči, dolgi od 30 cm do 1 m ali več, običajno na vrhovih jamborov ali koncih ladij na morju. Včasih se zdi, da je celotna oprema ladje prekrita s fosforjem in sveti. Ogenj svetega Elma se včasih pojavi na gorskih vrhovih, pa tudi na vrhovih in ostrih vogalih visokih zgradb. Ta pojav predstavlja krtačaste električne razelektritve na koncih električnih vodnikov, ko se jakost električnega polja v atmosferi okoli njih močno poveča. Will-o'-the-wisps so šibek modrikast ali zelenkast sij, ki ga včasih opazimo v močvirjih, na pokopališčih in grobnicah. Pogosto so videti kot plamen sveče, dvignjen približno 30 cm nad tlemi, tiho gori, ne daje toplote in za trenutek lebdi nad predmetom. Svetloba se zdi popolnoma izmuzljiva in ko se opazovalec približa, se zdi, kot da se premakne na drugo mesto. Razlog za ta pojav je razgradnja organskih ostankov in samovžig močvirskega plina metana (CH4) ali fosfina (PH3). Will-o'-the-wisps imajo različne oblike, včasih celo sferične. Zeleni žarek - blisk smaragdno zelene sončne svetlobe v trenutku, ko zadnji sončni žarek izgine za obzorjem. Najprej izgine rdeča komponenta sončne svetlobe, sledijo vse druge po vrsti, zadnja pa ostane smaragdno zelena. Do tega pojava pride le takrat, ko nad obzorjem ostane samo rob sončnega diska, sicer pride do mešanja barv. Krepuskularni žarki so divergentni žarki sončne svetlobe, ki postanejo vidni zaradi njihove osvetlitve prahu v visokih plasteh ozračja. Sence oblakov tvorijo temne proge, med njimi pa se širijo žarki. Ta učinek se pojavi, ko je Sonce nizko na obzorju pred zoro ali po sončnem zahodu.
