Характеристика планеты земля: атмосфера, внутреннее строение

Основные свойства атмосферы Земли

Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.

Горение метеоров — один из подарков нашей атмосферы

Масса атмосферы составляет 5,2×1018 килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).

Линия Кармана

Линию кармана
называют границей между атмосферой Земли и космосом. Согласно международной авиационной федерацией (ФАИ) высота этой границы — 100 км. Такое определения дали в честь американского ученого Теодора Фон Кармана. Он определил, что примерно на этой высоте плотность атмосферы настолько мала, что аэродинамическая авиация здесь становится невозможная, так как скорость летательного устройства должна быть большей первой космической скорости
. На такой высоте теряет смысл понятие звуковой барьер. Здесь управлять летательным аппаратом можно лишь за счет реактивных сил.

Всё о явлениях, происходящих в небе

На небосводе случаются различные события, на некоторые из них хочется смотреть вечно:

1. Северное и южное полярные сияния — это красивое зрелище, всегда вызывающее восхищение зрителей. Такие явления рождаются в термосфере, как результат взаимодействия с потоками солнечного ветра. Последние содержат высоко заряженные ионы, сталкивающиеся с частицами воздуха и начинающие светиться. Так возникают прекрасные световые шоу.
2. Закаты часто проходят в виде полыхающего неба. Это случается, когда молекулы атмосферы отражают проходящий свет в жёлтых и оранжевых тонах. Пыль или вулканический пепел могут вызвать подобные эффекты.
3. Восходы отличаются более нежными красками. Их оттенки зависят от атмосферных частиц, пропускающих определённые лучи.
4. Тяжёлые и большие грозовые облака всегда несут в себе электрический заряд (образуется за счёт ветра). В нижней и верхней части облаков частицы воды заряжены по-разному (положительно и отрицательно), при их встрече происходит разряд. Так рождается гроза, примечательная своей огромной мощью. Одна лишь молния способна нагреть воздух до 30 000ºC. Воздушные массы, испытывающие удар такой силы, во время нагрева очень быстро расширяются. Этот процесс сопровождается звуковым эффектом под названием гром.
5. Приятный глазу эффект радуги возникает, когда солнечные лучи проходят через мельчайшие капли дождя. Радужная дуга содержит все семь цветов солнечного света.
6. Реактивные самолёты всегда оставляют в небе белые следы, называемые инверсионными полосами. Во время движения двигатель вырабатывает горячие выхлопы, которые растворяются в наружном холодном воздухе. Эффект происходит в момент, когда газовые пары замерзают и обретают видимость. Чем влажнее окружающая среда, тем толще след.
7. Зелёный атмосферный луч на рассвете или закате — большая редкость, длится от 2-3 секунд (средние широты) до получаса (на полюсах). Ему необходим чистый воздух и безоблачное небо.
8. Паргелий — так называется сияющее кольцо вокруг солнечного диска. Иными словами, это ложное изображение нашего светила, их может быть два или больше. Оно возникает, когда солнечные лучи преломляются в ледяных кристалликах, на расстоянии до 10 км от земли.
9. Серебристые облака наблюдаются в поздних сумерках умеренных широт в летнее время. Место их образования — мезосфера, природа их возникновения изучается.

Исследования планеты

Переход от попыток мифического объяснения существования мира к его рациональному изучению начался еще в античные времена и ускорился с появлением письменности. Первые описания Земли отличались наивностью и были развенчаны учеными по мере развития научных знаний.

Представления о планете как о плоском диске были опровергнуты еще в VI в. до н. э., а в III в. до н. э. древнегреческий ученый Эратосфен Киренский смог вычислить длину окружности Земли. Другой грек, философ Аристотель, примерно в то же время рассуждал о медленном движении земной коры и впервые попытался определить возраст планеты. Такие же попытки предпринимали и другие ученые. Плиний и Шень Го независимо друг от друга с этой целью изучали окаменелости и горные породы.

В XVI в. багаж научных знаний пополнился теорией Коперника о гелиоцентрической модели мира. В этот же период изобретение телескопа Галилео Галилеем позволило расширить представления о месте планеты в Солнечной системе и вывело астрономию на новый научный уровень.

В 1959 г. был получен первый снимок Земли с космического аппарата Эксплорер-6, а 1961 г. Юрий Гагарин стал первым человеком, который посмотрел на нашу планету из космоса своими глазами.

В дальнейшем наблюдения, развитие геологии, космические исследования позволили человечеству составить подробную систему знаний о Земле как планете.

Состав

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}}) и углекислого газа (CO2{\displaystyle {\ce {CO2}}}), концентрация которого растет с середины XIX века.

Содержание воды в атмосфере (в виде водяных паров) колеблется от 0,2 % до 2,5 % по объёму, и зависит в основном от широты.

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся N2O{\displaystyle {\ce {N2O}}} и другие оксиды азота (NO2{\displaystyle {\ce {NO2}}}, NO{\displaystyle {\ce {NO}}}), пропан и другие углеводороды, O3{\displaystyle {\ce {O3}}}, Cl2{\displaystyle {\ce {Cl2}}}, SO2{\displaystyle {\ce {SO2}}}, NH3{\displaystyle {\ce {NH3}}}, CO{\displaystyle {\ce {CO}}}, HCl{\displaystyle {\ce {HCl}}}, HF{\displaystyle {\ce {HF}}}, HBr{\displaystyle {\ce {HBr}}}, HI{\displaystyle {\ce {HI}}}, пары Hg{\displaystyle {\ce {Hg}}}, I2{\displaystyle {\ce {I2}}}, Br2{\displaystyle {\ce {Br2}}}, а также многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Самым редким газом в Земной атмосфере является Rn{\displaystyle {\ce {Rn}}}.

Пять слоев

Атмосфера делится на 5 слоев:

Тропосфера — это слой, ближайший к поверхности Земли. Он имеет толщину от 7 до 20 км и содержит половину атмосферы Земли.
Стратосфера начинается над тропосферой и заканчивается около 50 км над землей. В этом слое летают самолеты, чтобы избежать турбулентности и преодолеть большее расстояние, используя меньше топлива.
Мезосфера начинается в 50 км и простирается до 85 км в высоту. Это самая прохладная часть атмосферы с усреднением температуры минус 90 градусов по Цельсию.
Термосфера простирается от 90 км до 500-1000 км. Температура может доходить до 1500 градусов по Цельсию. Здесь летал космический челнок.
Экзосфера является высшим слоем и широко содержит частицы водорода и гелия.

Свойства и особенности

В состав стратосферы входит 90% озона от его общего содержания в атмосфере планеты Земля. Кроме этого вещества и кислорода она включает различные загрязнения. Но разреженных пылевидных частиц в ней вдвое меньше, чем сульфатных аэрозольных. По плотности воздух в этой части атмосферы в сотни раз уступает тому, который находится на уровне моря.

Озоновый слой, расположенный внутри этой области, служит щитом, защищающим планету от опасного радиоактивного излучения Солнца — ультрафиолета (УФ). Также этот своеобразный барьер является предельной границей биосферы, т.е. зоны обитания живых организмов. Условия выше него не подходят для чьего-либо существования. Поэтому жизнь есть только под озоносферой. Это значит, что по обитаемости стратосфера состоит из 2 частей. Нижняя (под озоновым щитом) населена живыми организмами. Верхняя, над ним — необитаема.

Стратосфера по своей структуре является более однородной, чем нижележащая тропосфера. Из-за характерного для газа снижения плотности с увеличением высоты коэффициент диэлектрической проницаемости в ней равняется 1. Поэтому стратосфера слабо влияет на радиоволновое распространение.

В этой области атмосферы задерживается преимущественная часть УФ-излучения. Там же преобразуется энергия его составляющих — коротких волн. Эти лучи обусловливают такие явления и реакции, как:

• ионизация;
• распад молекул (солнечная радиация запускает процесс их диссоциации на атомы);
• изменение магнитных полей;
• новообразование газов;
• возникновение химических соединений.

Такие процессы отражаются в форме различных небесных свечений — зарниц, северных сияний и т.д.

Северное сияние происходит в стратосфере Земли. Credit: germanpulse.com.

Для стратосферы свойственно мизерное содержание водяного пара. Как следствие, в ней практически полностью отсутствует облачность. Эта характеристика делает стратосферу подходящей областью атмосферы для совершения полетов, т.к. в ней стабильные условия. Большинство современных сверхзвуковых самолетов коммерческого и военного назначения летают в этой зоне на уровне 20 км над планетой.

В этой же атмосферной области, но уже в 40 км от Земли, собирают необходимые сведения высотные беспилотные аэростаты — метеозонды. Максимальный подъем такого аппарата равен 51,8 км. Это означает, что аэростат пересекает всю стратосферу и добирается до ее верхней границы.

Слои атмосферы Солнца

Атмосфера Солнца состоит из трех слоев, между которыми нет резкой границы. Самый близкий к фотосфере и самый плотный, но очень тонкий слой называется обращающим слоем. Следующий, более обширный и более разреженный слой называется хромосферой (от греческого «хромоc», что означает «цвет»). Хромосфера Солнца имеет красноватый оттенок.

Хромосфера видна во время полных солнечных затмений как клочковатое яркое кольцо вокруг чёрного диска Луны, только что затмившего Солнце. Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяжённость хромосферы 10— 15 тыс. километров.

Наконец, третий, самый обширный и разреженный слой атмосферы Солнца называется солнечной короной. Он представляется нам в виде лучистого сияния с перламутровым оттенком.

Фотосфера Солнца начинается на 200—300 км глубже видимого края солнечного диска. Эти самые глубокие слои атмосферы называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более одной трёхтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.

В фотосфере видна зернистая структура, получившая название грануляции. Характерные угловые размеры гранул, напоминающих по виду рисовые зерна, составляют 1—2′, но линейные их размеры достигают тысячи и более километров. Наблюдения показывают, что грануляция находится в непрерывном движении и изменении: одни гранулы исчезают, а взамен им тут же появляются новые. Средняя продолжительность жизни различных гранул от 5 до 10 мин. Смещение спектральных линий в спектре центральной, более яркой и горячей части гранулы указывает на подъем горячего вещества из-под фотосферы; противоположное смещение линии в спектре более темного и холодного вещества, окаймляющего гранулу, указывает на опускание вещества под фотосферу.

Скорость подъема и опускания газа в слоях солнечной атмосферы составляет около 1 км/с, а разница между температурой горячего и холодного вещества близка к 300 К. Картина грануляции во многом напоминает картину на поверхности кипящей воды — конвекцию. Горячая вода, как более легкая, поднимается снизу вверх, на поверхности она отдает свою энергию в окружающее пространство и, охладившись, опускается вниз. Специальные измерения показали, что поверхность кипящей воды разбивается на ячейки и в каждой горячее вещество поднимается, а по краям более холодное опускается. Таким образом, грануляция на Солнце указывает на то, что энергия в фотосферу поступает из более глубоких и горячих слоев Солнца путем конвекции.