Atmosfer hakkında bilgi ve gerçekler. Dünyanın atmosferi. Atmosferin dikey yapısı

10,045×10 3 J/(kg*K) (0-100°C sıcaklık aralığında), C v 8,3710*10 3 J/(kg*K) (0-1500°C). Havanın sudaki çözünürlüğü 0°C'de %0,036, 25°C - %0,22'dir.

Atmosfer bileşimi

Atmosfer oluşumunun tarihi

Erken tarih

Şu anda bilim, Dünya'nın oluşumunun tüm aşamalarını yüzde yüz doğrulukla izleyemiyor. En yaygın teoriye göre Dünya'nın atmosferi zaman içinde dört kat daha genişlemiştir. çeşitli kompozisyonlar. Başlangıçta gezegenler arası uzaydan yakalanan hafif gazlardan (hidrojen ve helyum) oluşuyordu. Bu sözde birincil atmosfer. Bir sonraki aşamada aktif volkanik aktivite, atmosferin hidrojen dışındaki gazlarla (hidrokarbonlar, amonyak, su buharı) doymasına neden oldu. Bu şekilde oluştu ikincil atmosfer. Bu atmosfer onarıcıydı. Ayrıca atmosfer oluşum süreci aşağıdaki faktörlerle belirlendi:

• gezegenler arası uzaya sürekli hidrojen sızıntısı;
• ultraviyole radyasyon, yıldırım deşarjı ve diğer bazı faktörlerin etkisi altında atmosferde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar.

Yavaş yavaş bu faktörler oluşumuna yol açtı. üçüncül atmosferçok daha düşük bir hidrojen içeriği ve çok daha yüksek bir nitrojen ve karbon dioksit içeriği ile karakterize edilir (sonuç olarak oluşur) kimyasal reaksiyonlar amonyak ve hidrokarbonlardan).

Hayatın ve oksijenin ortaya çıkışı

Fotosentez sonucu canlı organizmaların Dünya'da ortaya çıkması, oksijenin salınması ve karbondioksitin emilmesiyle birlikte atmosferin bileşimi değişmeye başladı. Bununla birlikte, atmosferik oksijenin jeolojik kökenini gösteren veriler (atmosferik oksijenin izotopik bileşiminin ve fotosentez sırasında salınanların analizi) mevcuttur.

Başlangıçta oksijen, indirgenmiş bileşiklerin (hidrokarbonlar, okyanuslarda bulunan demirin demir formu vb.) oksidasyonu için harcandı. Bu aşamanın sonunda, atmosferdeki oksijen içeriği artmaya başladı.

1990'larda kapalı bir ekolojik sistem (“Biyosfer 2”) oluşturmak için deneyler yapıldı; bu sırada tek tip hava bileşimine sahip kararlı bir sistem oluşturmanın mümkün olmadığı görüldü. Mikroorganizmaların etkisi oksijen seviyelerinde bir azalmaya ve karbondioksit miktarında bir artışa yol açtı.

Azot

Büyük miktarda N2 oluşumu, birincil amonyak-hidrojen atmosferinin, sözde yaklaşık 3 milyar yıl önce fotosentez sonucu gezegenin yüzeyinden gelmeye başlayan moleküler O2 ile oksidasyonundan kaynaklanmaktadır (göre) başka bir versiyona göre atmosferik oksijen jeolojik kökenlidir). Azot NO'ya oksitlenir üst katmanlar atmosfer, endüstride kullanılır ve nitrojen sabitleyici bakteriler tarafından bağlanır, aynı zamanda nitratların ve diğer nitrojen içeren bileşiklerin denitrifikasyonu sonucu atmosfere N2 salınır.

Azot N2 inert bir gazdır ve yalnızca belirli koşullar altında (örneğin, yıldırım düşmesi sırasında) reaksiyona girer. Siyanobakteriler ve bazı bakteriler (örneğin baklagil bitkilerle rizobiyal simbiyoz oluşturan nodül bakterileri) onu oksitleyebilir ve biyolojik forma dönüştürebilir.

Moleküler nitrojenin elektriksel deşarjlarla oksidasyonu, nitrojenli gübrelerin endüstriyel üretiminde kullanıldı ve aynı zamanda Şili Atacama Çölü'nde benzersiz nitrat yataklarının oluşmasına da yol açtı.

Soy gazlar

Yakıtın yanması kirletici gazların (CO, NO, SO2) ana kaynağıdır. Kükürt dioksit, atmosferin üst katmanlarında, H2O ve NH3 buharlarıyla etkileşime giren hava O2'den SO3'e oksitlenir ve ortaya çıkan H2SO4 ve (NH4)2SO4, Dünya yüzeyine geri döner. yağışla birlikte. İçten yanmalı motorların kullanılması, nitrojen oksitler, hidrokarbonlar ve Pb bileşiklerinden kaynaklanan önemli atmosferik kirliliğe neden olur.

Atmosferdeki aerosol kirliliği hem doğal nedenlerden (volkanik patlamalar, toz fırtınaları, deniz suyu damlacıklarının ve bitki polen parçacıklarının sürüklenmesi vb.) hem de insani ekonomik faaliyetlerden (cevher madenciliği ve madencilik) kaynaklanmaktadır. yapı malzemeleri, yakıt yanması, çimento üretimi vb.). Partikül maddenin atmosfere yoğun ve büyük ölçekli salınımı, gezegendeki iklim değişikliğinin olası nedenlerinden biridir.

Atmosferin yapısı ve bireysel kabukların özellikleri

Atmosferin fiziksel durumu hava ve iklim tarafından belirlenir. Atmosferin temel parametreleri: hava yoğunluğu, basınç, sıcaklık ve bileşim. Yükseklik arttıkça hava yoğunluğu ve atmosfer basıncı azalır. Yükseklik değiştikçe sıcaklık da değişir. Dikey yapı Atmosfer, farklı sıcaklık ve elektriksel özellikler, farklı hava koşulları ile karakterize edilir. Atmosferdeki sıcaklığa bağlı olarak aşağıdaki ana katmanlar ayırt edilir: troposfer, stratosfer, mezosfer, termosfer, ekzosfer (saçılma küresi). Atmosferin komşu kabuklar arasındaki geçiş bölgelerine sırasıyla tropopoz, stratopoz vb. denir.

Troposfer

Stratosfer

Stratosferde, ultraviyole radyasyonun (180-200 nm) kısa dalga kısmının çoğu tutulur ve kısa dalgaların enerjisi dönüştürülür. Bu ışınların etkisi altında manyetik alanlar değişir, moleküller parçalanır, iyonlaşma meydana gelir, yeni gaz oluşumu vb. kimyasal bileşikler. Bu süreçler kuzey ışıkları, şimşekler ve diğer parıltılar şeklinde gözlemlenebilir.

Stratosferde ve daha yüksek katmanlarda, güneş radyasyonunun etkisi altında, gaz molekülleri atomlara ayrışır (80 km'nin üzerinde CO2 ve H2 ayrışır, 150 km'nin üzerinde - O2, 300 km'nin üzerinde - H2). 100-400 km yükseklikte, iyonosferde gazların iyonlaşması da meydana gelir; 320 km yükseklikte, yüklü parçacıkların konsantrasyonu (O + 2, O - 2, N + 2) ~ 1/300'dür. Nötr parçacıkların konsantrasyonu. Atmosferin üst katmanlarında serbest radikaller vardır - OH, HO2, vb.

Stratosferde neredeyse hiç su buharı yoktur.

Mezosfer

100 km yüksekliğe kadar atmosfer homojen, iyi karışmış bir gaz karışımıdır. Daha yüksek katmanlarda, gazların yüksekliğe göre dağılımı moleküler kütlelerine bağlıdır; daha ağır gazların konsantrasyonu, Dünya yüzeyinden uzaklaştıkça daha hızlı azalır. Gaz yoğunluğunun azalması nedeniyle sıcaklık stratosferde 0°C'den mezosferde -110°C'ye düşer. Fakat kinetik enerji 200-250 km yükseklikteki bireysel parçacıklar ~1500°C sıcaklığa karşılık gelir. 200 km'nin üzerinde zaman ve mekanda sıcaklık ve gaz yoğunluğunda önemli dalgalanmalar gözlemleniyor.

Yaklaşık 2000-3000 km yükseklikte, ekzosfer yavaş yavaş, esas olarak hidrojen atomları olmak üzere, gezegenler arası gazın oldukça nadir parçacıklarıyla dolu olan sözde yakın uzay boşluğuna dönüşür. Ancak bu gaz gezegenler arası maddenin yalnızca bir kısmını temsil ediyor. Diğer kısım kuyruklu yıldız ve meteor kökenli toz parçacıklarından oluşur. Bu son derece nadir parçacıklara ek olarak, güneş ve galaktik kökenli elektromanyetik ve korpüsküler radyasyon da bu uzaya nüfuz eder.

Troposfer, atmosferin kütlesinin yaklaşık% 80'ini, stratosfer - yaklaşık% 20'sini oluşturur; mezosferin kütlesi% 0,3'ten fazla değildir, termosfer ise atmosferin toplam kütlesinin% 0,05'inden azdır. dayalı elektriksel özellikler Atmosfer nötronosfer ve iyonosfere bölünmüştür. Şu anda atmosferin 2000-3000 km yüksekliğe kadar uzandığına inanılıyor.

Atmosferdeki gazın bileşimine bağlı olarak yayarlar. homosfer Ve heterosfer. Heterosfer- Bu, yerçekiminin gazların ayrılmasını etkilediği alandır, çünkü bu yükseklikte gazların karışması ihmal edilebilir düzeydedir. Bu, heterosferin değişken bir bileşimini ima eder. Bunun altında atmosferin homojen ve iyi karışmış bir kısmı olan homosfer bulunur. Bu katmanlar arasındaki sınıra turbopause adı verilir ve yaklaşık 120 km yükseklikte yer alır.

atmosferik özellikler

Zaten deniz seviyesinden 5 km yükseklikte, eğitimsiz bir kişi oksijen açlığı yaşamaya başlar ve uyum sağlamadan kişinin performansı önemli ölçüde azalır. Burası atmosferin fizyolojik bölgesinin bittiği yerdir. Yaklaşık 115 km'ye kadar atmosferde oksijen bulunmasına rağmen, 15 km yükseklikte insanın nefes alması imkansız hale gelir.

Atmosfer bize nefes almamız için gerekli olan oksijeni sağlar. Ancak atmosferin toplam basıncının düşmesi nedeniyle yükseklere çıkıldıkça oksijenin kısmi basıncı da buna bağlı olarak azalır.

İnsan akciğerleri sürekli olarak yaklaşık 3 litre alveolar hava içerir. Normal atmosfer basıncında alveolar havadaki kısmi oksijen basıncı 110 mmHg'dir. Art., karbondioksit basıncı - 40 mm Hg. Art. ve su buharı −47 mm Hg. Sanat. Yükseklik arttıkça oksijen basıncı düşer ve akciğerlerdeki su ve karbondioksitin toplam buhar basıncı neredeyse sabit kalır - yaklaşık 87 mm Hg. Sanat. Ortam hava basıncı bu değere eşitlendiğinde akciğerlere oksijen verilmesi tamamen duracaktır.

Yaklaşık 19-20 km yükseklikte atmosfer basıncı 47 mm Hg'ye düşer. Sanat. Dolayısıyla bu yükseklikte insan vücudunda su ve dokulararası sıvı kaynamaya başlar. Bu irtifada basınçlı kabinin dışında ölüm neredeyse anında meydana gelir. Dolayısıyla insan fizyolojisi açısından “uzay” zaten 15-19 km yükseklikte başlıyor.

Yoğun hava katmanları - troposfer ve stratosfer - bizi radyasyonun zararlı etkilerinden korur. Havanın yeterli miktarda seyreltilmesiyle, 36 km'den daha yüksek rakımlarda iyonlaştırıcı radyasyon - birincil kozmik ışınlar - vücut üzerinde yoğun bir etkiye sahiptir; 40 km'nin üzerindeki rakımlarda güneş spektrumunun ultraviyole kısmı insanlar için tehlikelidir.

Atmosfer, gezegenimizin Dünya ile birlikte dönen gazdan oluşan kabuğudur. Atmosferde bulunan gaza hava denir. Atmosfer hidrosfer ile temas halindedir ve litosferi kısmen kaplar. Ancak üst sınırların belirlenmesi zordur. Geleneksel olarak atmosferin yukarı doğru yaklaşık üç bin kilometre boyunca uzandığı kabul edilmektedir. Orada sorunsuzca havasız alana akar.

Dünya atmosferinin kimyasal bileşimi

Atmosferin kimyasal bileşiminin oluşumu yaklaşık dört milyar yıl önce başladı. Başlangıçta atmosfer yalnızca hafif gazlardan (helyum ve hidrojen) oluşuyordu. Bilim adamlarına göre, Dünya çevresinde bir gaz kabuğunun oluşmasının ilk önkoşulları, lavlarla birlikte büyük miktarlarda gaz yayan volkanik patlamalardı. Daha sonra su boşluklarıyla, canlı organizmalarla ve onların faaliyetlerinin ürünleriyle gaz değişimi başladı. Havanın bileşimi yavaş yavaş değişti ve birkaç milyon yıl önce modern haliyle sabitlendi.

Atmosferin ana bileşenleri nitrojen (yaklaşık %79) ve oksijendir (%20). Geriye kalan yüzde (%1) şu gazlardan gelir: argon, neon, helyum, metan, karbondioksit, hidrojen, kripton, ksenon, ozon, amonyak, kükürt ve nitrojen dioksitler, nitröz oksit ve karbon monoksit. yüzde bir.

Ayrıca havada su buharı ve partikül madde (polen, toz, tuz kristalleri, aerosol yabancı maddeleri) bulunur.

İÇİNDE son zamanlarda Bilim insanları havanın bazı bileşenlerinde niteliksel değil niceliksel bir değişime dikkat çekiyor. Bunun nedeni ise insan ve onun faaliyetleridir. Yalnızca son 100 yılda karbondioksit seviyeleri önemli ölçüde arttı! Bu, en küresel olanı iklim değişikliği olan birçok sorunla doludur.

Hava ve iklimin oluşumu

Atmosfer, Dünya üzerindeki iklimin ve havanın şekillenmesinde kritik bir rol oynar. Birçoğu güneş ışığının miktarına, alttaki yüzeyin doğasına ve atmosferik dolaşıma bağlıdır.

Faktörlere sırasıyla bakalım.

1. Atmosfer, güneş ışınlarının ısısını iletir ve zararlı radyasyonu emer. Güneş ışınlarının dünyanın farklı bölgelerine düşmesi farklı açılar eski Yunanlılar biliyordu. Eski Yunancadan tercüme edilen "iklim" kelimesinin kendisi "eğim" anlamına gelir. Yani ekvatorda güneş ışınları neredeyse dikey olarak düşüyor, bu yüzden burası çok sıcak. Kutuplara ne kadar yakınsa eğim açısı da o kadar büyük olur. Ve sıcaklık düşer.

2. Dünyanın dengesiz ısınması nedeniyle atmosferde hava akımları oluşur. Boyutlarına göre sınıflandırılırlar. En küçükleri (onlarca ve yüzlerce metre) yerel rüzgarlardır. Bunu musonlar ve alize rüzgarları, kasırgalar ve antisiklonlar ve gezegenin ön bölgeleri takip ediyor.

Bütün bu hava kütleleri sürekli hareket halindedir. Bazıları oldukça statiktir. Örneğin subtropiklerden ekvatora doğru esen ticaret rüzgarları. Diğerlerinin hareketi büyük ölçüde atmosfer basıncına bağlıdır.

3. Atmosfer basıncı iklim oluşumunu etkileyen bir diğer faktördür. Bu, dünya yüzeyindeki hava basıncıdır. Bilindiği gibi hava kütleleri atmosfer basıncının yüksek olduğu bölgeden bu basıncın düşük olduğu bölgeye doğru hareket eder.

Toplam 7 bölge tahsis edilmiştir. Ekvator alçak basınç bölgesidir. Ayrıca ekvatorun her iki yanında otuzlu enlemlere kadar yüksek basınç alanı vardır. 30°'den 60°'ye - yine düşük basınç. Ve 60°'den kutuplara kadar yüksek basınç bölgesi vardır. Bu bölgeler arasında hava kütleleri dolaşır. Denizden karaya gelenler yağmur ve kötü havayı, kıtalardan esen rüzgarlar ise açık ve kuru havayı getirir. Hava akımlarının çarpıştığı yerlerde, yağış ve sert, rüzgarlı hava ile karakterize edilen atmosferik ön bölgeler oluşur.

Bilim adamları, bir kişinin refahının bile atmosferik basınca bağlı olduğunu kanıtladılar. Uluslararası standartlara göre normal atmosfer basıncı 760 mm Hg'dir. 0°C sıcaklıktaki kolon. Bu gösterge neredeyse deniz seviyesiyle aynı seviyede olan arazi alanları için hesaplanmaktadır. Yükseklik arttıkça basınç azalır. Bu nedenle, örneğin St. Petersburg için 760 mm Hg. - bu normdur. Ancak daha yüksekte bulunan Moskova için normal basınç 748 mm Hg'dir.

Basınç sadece dikey olarak değil aynı zamanda yatay olarak da değişir. Bu özellikle siklonların geçişi sırasında hissedilir.

Atmosferin yapısı

Atmosfer bir katman pastasını andırıyor. Ve her katmanın kendine has özellikleri vardır.

. Troposfer- Dünya'ya en yakın katman. Bu katmanın "kalınlığı" ekvatordan uzaklaştıkça değişir. Ekvatorun üzerinde katman yukarı doğru 16-18 km, ılıman bölgelerde 10-12 km, kutuplarda 8-10 km kadar uzanır.

Toplam hava kütlesinin %80'i ve su buharının %90'ı burada bulunur. Burada bulutlar oluşuyor, siklonlar ve antisiklonlar ortaya çıkıyor. Hava sıcaklığı bölgenin yüksekliğine bağlıdır. Ortalama olarak her 100 metrede 0,65°C azalır.

. Tropopoz- atmosferin geçiş katmanı. Yüksekliği birkaç yüz metreden 1-2 km'ye kadar değişmektedir. Yaz aylarında hava sıcaklığı kış aylarına göre daha yüksektir. Örneğin kışın kutupların üzerinde sıcaklık -65° C'dir. Ekvatorun üzerinde ise yılın herhangi bir zamanında sıcaklık -70° C'dir.

. Stratosfer- bu, üst sınırı 50-55 kilometre yükseklikte bulunan bir katmandır. Buradaki türbülans düşüktür, havadaki su buharı içeriği ihmal edilebilir düzeydedir. Ama çok fazla ozon var. Maksimum konsantrasyonu 20-25 km yüksekliktedir. Stratosferde hava sıcaklığı artmaya başlar ve +0,8° C'ye ulaşır. Bunun nedeni ozon tabakasının ultraviyole radyasyonla etkileşime girmesidir.

. Stratopoz- stratosfer ile onu takip eden mezosfer arasında alçak bir ara katman.

. Mezosfer- bu katmanın üst sınırı 80-85 kilometredir. Burada serbest radikalleri içeren karmaşık fotokimyasal süreçler meydana gelir. Gezegenimizin uzaydan görülen o narin mavi ışıltısını sağlayanlar onlardır.

Çoğu kuyruklu yıldız ve meteorit mezosferde yanar.

. Mezopoz- hava sıcaklığının en az -90° olduğu bir sonraki ara katman.

. Termosfer- alt sınır 80 - 90 km yükseklikte başlar ve katmanın üst sınırı yaklaşık 800 km'de uzanır. Hava sıcaklığı artıyor. +500° C ile +1000° C arasında değişebilir. Gün içinde sıcaklık dalgalanmaları yüzlerce dereceye ulaşır! Ancak buradaki hava o kadar seyrekleşmiş ki, "sıcaklık" terimini sandığımız şekilde anlamak burada uygun değil.

. İyonosfer- Mezosfer, mezopoz ve termosferi birleştirir. Buradaki hava esas olarak oksijen ve nitrojen moleküllerinin yanı sıra yarı nötr plazmadan oluşur. İyonosfere giren güneş ışınları hava moleküllerini güçlü bir şekilde iyonize eder. Alt katmanda (90 km'ye kadar) iyonizasyon derecesi düşüktür. Ne kadar yüksek olursa iyonizasyon da o kadar fazla olur. Yani 100-110 km yükseklikte elektronlar yoğunlaşır. Bu, kısa ve orta radyo dalgalarının yansıtılmasına yardımcı olur.

İyonosferin en önemli katmanı 150-400 km yükseklikte bulunan üst katmandır. Özelliği, radyo dalgalarını yansıtmasıdır ve bu, radyo sinyallerinin önemli mesafelere iletilmesini kolaylaştırır.

Aurora gibi bir fenomenin meydana geldiği yer iyonosferdir.

. Ekzosfer- Oksijen, helyum ve hidrojen atomlarından oluşur. Bu katmandaki gaz oldukça seyrektir ve hidrojen atomları sıklıkla uzaya kaçar. Bu nedenle bu katmana “dağılım bölgesi” adı verilmektedir.

Atmosferimizin ağırlığı olduğunu öne süren ilk bilim adamı İtalyan E. Torricelli'ydi. Örneğin Ostap Bender, "Altın Buzağı" adlı romanında, her insanın 14 kg ağırlığındaki bir hava sütunu tarafından bastırıldığından yakınıyordu! Ancak büyük entrikacı biraz yanılmıştı. Bir yetişkin 13-15 tonluk bir basınçla karşılaşır! Ancak bu ağırlığı hissetmiyoruz çünkü atmosferik basınç, kişinin iç basıncıyla dengeleniyor. Atmosferimizin ağırlığı 5.300.000.000.000.000 tondur. Bu rakam devasa, ancak gezegenimizin ağırlığının yalnızca milyonda biri kadar.

Dünya atmosferinin oksijen doygunluğu seviyesindeki fark, canlı organizmaların evrimi ile yakından ilgilidir. Geçtiğimiz 400 milyon yıl boyunca, oksijen seviyeleri modern seviyelerin %21'i kadar önemli ölçüde değişiklik gösterdi.

Londra Üniversitesi Royal Holloway College ve Chicago'daki Doğa Tarihi Müzesi'ndeki bilim insanları, atmosferik oksijen seviyelerini tahmin etmek için atmosferdeki oksijen miktarını kullanan bir çalışma yayınladılar. kömür, antik turba bataklıklarında korunmuştur.

Şimdiye kadar bilim insanları atmosferdeki oksijen konsantrasyonlarını tahmin etmek için jeokimyasal modellere güveniyordu. Model farklılıkları nedeniyle rakamlarda bazı farklılıklar var, ancak tüm modellere göre yaklaşık 300 milyon yıl önce, Paleozoyik'in sonlarında oksijen seviyeleri bugüne göre önemli ölçüde yüksekti. Bu sayede, örneğin kanat açıklığı 60 cm'den fazla olan yusufçuk Meganeura monyi gibi bazı hayvan ve böcek gruplarının devleşmesi meydana geldi. Bazı bilim adamları, daha yüksek oksijen konsantrasyonlarının omurgalıların karaya çıkmasına da izin verdiğine inanıyor.

Yüksek oksijen seviyeleri, kanat açıklığı 60 cm'den fazla olan yusufçuk Meganeura monyi gibi dev böceklerin varlığını mümkün kıldı.

Yüksek oksijen konsantrasyonu, dünya yüzeyindeki bitki bolluğunun doğrudan bir sonucuydu. Fotosentez sırasında bitkiler oksijeni serbest bırakır ve karbon biriktirir (bu da karbondioksit oluşturur). Atmosferdeki oksijenin net bir oranda artması için fazla karbonun toprağa gömülmesi gerekir. Sonuç olarak bitki örtüsünün yayılması, topraktaki karbon birikiminde keskin bir artışa yol açar. Büyük kömür rezervlerinin biriktiği Paleozoik'in sonlarında özellikle büyüktüler.

Doktor Ian J. Glasspool(Dr Ian J Glasspool), atmosferdeki oksijen konsantrasyonunun malzemelerin yanıcılığıyla yakından ilişkili olduğunu açıkladı. Oksijen seviyesi %15'in altında olduğundan orman yangınları yayılamadı. Seviye %25'i aştığında, ıslak bitkiler bile kolayca alev alır ve %30-35 seviyesinde, geç Paleozoyik'te olduğu gibi, yangınlar çok sık görülür ve felaketle sonuçlanır.

Bilim adamları, kömür damarlarındaki kömür konsantrasyonunun son 50 milyon yılda yaklaşık %4-8 olduğunu ve bu oranın atmosferdeki mevcut oksijen seviyesine yaklaşık olarak eşit olduğunu bulmuşlardır. Ancak Dünya tarihinde payının %70'e ulaştığı dönemler olmuştur. Bu, atmosferik oksijen konsantrasyonunun çok yüksek olduğunu gösterir. Bu dönemler, Paleozoik dönemin (320-250 milyon yıl önce) Karbonifer ve Permiyen dönemlerinde ve Orta Kretase döneminde (yaklaşık 100 milyon yıl önce) kaydedilmiştir.

Bu, yeni bitki gruplarının (kozalaklı ağaçlar ve çiçekli bitkiler) yayılmasıyla ilişkili floranın gelişiminde önemli değişikliklerin olduğu bir zamandı. Bu, büyük organik karbon yığınlarının oluşmasına ve atmosferdeki karbondioksit miktarında bir düşüşe ve ayrıca oksijen konsantrasyonlarında bir artışa yol açtı. Bunlar aynı zamanda yoğun yangınların ve şiddetli erozyonun yaşandığı dönemlerdir.

Araştırmacılar asıl gizemin, oksijen oranının neden yaklaşık 50 milyon yıl önce sabitlendiğini ve hala aynı seviyede kaldığını belirtiyor.

Bitki örtüsü miktarı ile atmosferdeki oksijen konsantrasyonu arasındaki bu kadar yakın ilişki ve stabilizasyon sürecinin milyonlarca yıl süren süresi, Dünya'nın ekosferinin sandığımızdan daha kırılgan olduğunu düşündürmektedir. Yüzlerce yıllık araştırmalardan sonra onun hakkında her şeyi bilmiyoruz. Atmosferdeki karbondioksit konsantrasyonundaki artışın, yalnızca endüstriyel işletmelerin emisyonlarından değil, kısmen ormansızlaşmadan kaynaklanması da mümkündür.

Dünya atmosferinin yapısı ve bileşiminin, gezegenimizin gelişiminin bir veya başka döneminde her zaman sabit değerler olmadığı söylenmelidir. Bugün, toplam “kalınlığı” 1,5-2,0 bin km olan bu elementin dikey yapısı, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birkaç ana katmanla temsil edilmektedir:

1. Troposfer.
2. Tropopoz.
3. Stratosfer.
4. Stratopoz.
5. Mezosfer ve mezopoz.
6. Termosfer.
7. Ekzosfer.

Atmosferin temel unsurları

Troposfer, güçlü dikey ve yatay hareketlerin gözlemlendiği bir katmandır; burada hava, tortul olaylar, iklim koşulları. Kutup bölgeleri hariç (15 km'ye kadar) gezegenin yüzeyinden hemen hemen her yere 7-8 kilometre uzanır. Troposferde sıcaklıkta, her kilometre yükseklikte yaklaşık 6,4°C kadar kademeli bir azalma meydana gelir. Bu gösterge farklı enlemler ve mevsimler için farklılık gösterebilir.

Bu kısımdaki Dünya atmosferinin bileşimi aşağıdaki elementler ve bunların yüzdeleri ile temsil edilir:

Azot - yaklaşık yüzde 78;

Oksijen - neredeyse yüzde 21;

Argon - yaklaşık yüzde bir;

Karbon dioksit -% 0,05'ten az.

90 kilometre yüksekliğe kadar tek kompozisyon

Ayrıca toz, su damlacıkları, su buharı, yanma ürünleri, buz kristalleri, deniz tuzları, çok sayıda aerosol parçacığı vb. Dünya atmosferinin bu bileşimi yaklaşık doksan kilometre yüksekliğe kadar gözlemlenir, dolayısıyla havanın kimyasal bileşimi yalnızca troposferde değil, aynı zamanda üstteki katmanlarda da yaklaşık olarak aynıdır. Ancak orada atmosfer temelde farklı fiziksel özelliklere sahiptir. Genel bir kimyasal bileşime sahip olan katmana homosfer denir.

Dünya atmosferini başka hangi elementler oluşturur? Yüzde olarak (hacim olarak, kuru havada) kripton (yaklaşık 1,14 x 10-4), ksenon (8,7 x 10-7), hidrojen (5,0 x 10-5), metan (yaklaşık 1,7 x 10-5) gibi gazlar burada 4), nitro oksit (5,0 x 10-5) vb. gösterilmektedir. Kütle yüzdesi olarak listelenen bileşenlerin çoğu nitro oksit ve hidrojendir, ardından helyum, kripton vb. gelir.

Farklı atmosferik katmanların fiziksel özellikleri

Troposferin fiziksel özellikleri, gezegenin yüzeyine yakınlığıyla yakından ilgilidir. Buradan kızılötesi ışınlar biçiminde yansıyan güneş ısısı, iletim ve konveksiyon süreçlerini içerecek şekilde yukarıya doğru yönlendirilir. Bu nedenle sıcaklık dünya yüzeyinden uzaklaştıkça düşer. Bu fenomen stratosferin yüksekliğine (11-17 kilometre) kadar gözlenir, daha sonra sıcaklık 34-35 km'ye kadar neredeyse değişmez ve ardından sıcaklık tekrar 50 kilometre yüksekliğe (stratosferin üst sınırı) yükselir. . Stratosfer ve troposfer arasında tropopozun ince bir ara tabakası vardır (1-2 km'ye kadar), burada sabit sıcaklıklar ekvatorun üstünde - yaklaşık eksi 70°C ve altı. Kutupların üzerinde tropopoz yazın eksi 45°C'ye kadar “ısınır”; kışın ise sıcaklıklar -65°C civarında dalgalanır.

Dünya atmosferinin gaz bileşimi ozon gibi önemli bir elementi içerir. Gaz, atmosferin üst kısımlarındaki atomik oksijenden gelen güneş ışığının etkisi altında oluştuğundan, yüzeyde nispeten az miktarda bulunur (yüzde birin on üzeri eksi altıncı kuvveti). Özellikle ozon yaklaşık 25 km yükseklikte bulunur ve “ozon ekranının” tamamı kutuplarda 7-8 km, ekvatorda 18 km ve toplamda elli kilometreye kadar olan bölgelerde bulunur. gezegenin yüzeyi.

Atmosfer güneş ışınlarından korur

Dünya atmosferindeki havanın bileşimi yaşamın korunmasında çok önemli bir rol oynar, çünkü bireysel kimyasal elementler ve bileşimler güneş radyasyonunun dünya yüzeyine ve üzerinde yaşayan insanlara, hayvanlara ve bitkilere erişimini başarıyla sınırlandırır. Örneğin, su buharı molekülleri, 8 ila 13 mikron aralığındaki uzunluklar hariç, neredeyse tüm kızılötesi radyasyon aralıklarını etkili bir şekilde emer. Ozon, 3100 A dalga boyuna kadar ultraviyole ışınımı emer. İnce tabakası olmadan (gezegenin yüzeyine yerleştirildiğinde ortalama sadece 3 mm), yalnızca 10 metreden daha derindeki su ve güneş ışınımının olmadığı yer altı mağaraları ulaşılabilmektedir.

Stratopozda sıfır santigrat

Atmosferin sonraki iki seviyesi olan stratosfer ve mezosfer arasında dikkate değer bir katman vardır: stratopoz. Bu yaklaşık olarak ozon maksimumunun yüksekliğine karşılık gelir ve buradaki sıcaklık insanlar için nispeten rahattır - yaklaşık 0°C. Stratopozun üstünde, mezosferde (50 km yükseklikte bir yerden başlar ve 80-90 km yükseklikte biter), Dünya yüzeyinden uzaklaştıkça (eksi 70-80 ° C'ye) sıcaklıkta yine bir düşüş gözlenir. ). Meteorlar genellikle mezosferde tamamen yanar.

Termosferde - artı 2000 K!

Dünya atmosferinin termosferdeki kimyasal bileşimi (yaklaşık 85-90 ila 800 km yükseklikteki mezopozdan sonra başlar), güneş ışınımının etkisi altında çok seyrekleşmiş “hava” katmanlarının kademeli olarak ısınması gibi bir olgunun olasılığını belirler. . Gezegenin “hava battaniyesinin” bu bölümünde, oksijenin iyonlaşması (atomik oksijen 300 km'nin üzerinde bulunur) ve ayrıca oksijen atomlarının moleküller halinde rekombinasyonu nedeniyle elde edilen sıcaklıklar 200 ila 2000 K arasında değişmektedir. , büyük miktarda ısının açığa çıkmasıyla birlikte. Termosfer, auroraların meydana geldiği yerdir.

Termosferin üstünde, hafif ve hızlı hareket eden hidrojen atomlarının dış uzaya kaçabileceği atmosferin dış katmanı olan ekzosfer bulunur. Buradaki Dünya atmosferinin kimyasal bileşimi çoğunlukla alt katmanlardaki bireysel oksijen atomları, orta katmanlardaki helyum atomları ve üst katmanlardaki neredeyse yalnızca hidrojen atomlarıyla temsil edilir. Burada yüksek sıcaklıklar hakimdir - yaklaşık 3000 K ve atmosferik basınç yoktur.

Dünyanın atmosferi nasıl oluştu?

Ancak yukarıda da belirtildiği gibi gezegen her zaman böyle bir atmosferik bileşime sahip değildi. Toplamda, bu elementin kökenine ilişkin üç kavram vardır. İlk hipotez, atmosferin bir proto-gezegen bulutundan birikim süreci yoluyla alındığını öne sürüyor. Ancak bugün bu teori önemli eleştirilere maruz kalıyor, çünkü böyle bir birincil atmosferin gezegen sistemimizdeki bir yıldızdan gelen güneş "rüzgârı" tarafından yok edilmesi gerekirdi. Ayrıca uçucu elementlerin çok yüksek sıcaklıklar nedeniyle karasal gezegenlerin oluşum bölgesinde tutulamadığı varsayılmaktadır.

İkinci hipotezin öne sürdüğü gibi, Dünya'nın birincil atmosferinin bileşimi, gelişimin ilk aşamalarında Güneş sisteminin yakınlarından gelen asteroitler ve kuyruklu yıldızlar tarafından yüzeyin aktif bombardımanı nedeniyle oluşmuş olabilir. Bu kavramı doğrulamak veya çürütmek oldukça zordur.

IDG RAS'ta deney yapın

En makul olanı, atmosferin yaklaşık 4 milyar yıl önce yer kabuğunun mantosundan gazların salınması sonucu ortaya çıktığına inanan üçüncü hipotez gibi görünüyor. Bu kavram, Rusya Bilimler Akademisi Coğrafya Enstitüsü'nde, meteorik kökenli bir madde örneğinin vakumda ısıtıldığı "Tsarev 2" adlı bir deney sırasında test edildi. Daha sonra H2, CH4, CO, H2O, N2 vb. gazların salınımı kaydedildi. Bu nedenle, bilim adamları haklı olarak Dünya'nın birincil atmosferinin kimyasal bileşiminin su ve karbondioksit, hidrojen florür içerdiğini varsaydılar. HF) buharı, karbon monoksit(CO), hidrojen sülfür (H2S), nitrojen bileşikleri, hidrojen, metan (CH4), amonyak buharı (NH3), argon vb. Hidrosfer, karbondioksit oluşumuna birincil atmosferden gelen su buharı katıldı. Organik maddelerde ve kayalarda büyük ölçüde bağlı halde ortaya çıkan azot, modern havanın bileşimine ve ayrıca tortul kayaçlara ve organik maddelere de geçti.

Dünyanın birincil atmosferinin bileşimi buna izin vermezdi modern insanlar o zamanlar gerekli miktarlarda oksijen bulunmadığından, içinde solunum cihazı olmadan bulunmak. Bu elementin, bir buçuk milyar yıl önce önemli miktarlarda ortaya çıktığı ve gezegenimizin en eski sakinleri olan mavi-yeşil alglerde ve diğer alglerde fotosentez sürecinin gelişmesiyle bağlantılı olduğuna inanılıyor.

Minimum oksijen

Dünya atmosferinin bileşiminin başlangıçta neredeyse oksijensiz olduğu gerçeği, en eski (Katarka) kayalarında kolayca oksitlenen, ancak oksitlenmeyen grafitin (karbon) bulunmasıyla gösterilmektedir. Daha sonra, zenginleştirilmiş demir oksit katmanlarını içeren sözde bantlı demir cevherleri ortaya çıktı; bu, gezegende moleküler formda güçlü bir oksijen kaynağının ortaya çıkması anlamına geliyor. Ancak bu elementler yalnızca periyodik olarak bulundu (belki de aynı algler veya diğer oksijen üreticileri, oksijensiz bir çöldeki küçük adalarda ortaya çıktı), dünyanın geri kalanı anaerobikti. İkincisi, kolayca oksitlenen piritin, kimyasal reaksiyon izleri olmadan akışla işlenmiş çakıl taşları biçiminde bulunmasıyla desteklenmektedir. Akan sular yeterince havalandırılamayacağından, Kambriyen öncesindeki atmosferin bugünkü oksijen bileşiminin yüzde birinden daha azını içerdiği görüşü gelişmiştir.

Hava bileşiminde devrim niteliğinde değişiklik

Yaklaşık olarak Proterozoyik'in ortasında (1,8 milyar yıl önce), dünya aerobik solunuma geçtiğinde bir "oksijen devrimi" meydana geldi; bu sırada bir besin molekülünden (glikoz) iki değil (38) 38 elde edilebiliyordu. anaerobik solunum) enerji birimleri. Dünya atmosferinin oksijen açısından bileşimi bugünkünün yüzde birini aşmaya başladı ve organizmaları radyasyondan koruyan ozon tabakası oluşmaya başladı. Örneğin trilobitler gibi eski hayvanların kalın kabukların altına "saklandığı" ondandı. O zamandan günümüze kadar ana “solunum” unsurunun içeriği yavaş yavaş artarak gezegendeki yaşam formlarının gelişiminin çeşitliliğini sağladı.

Deniz seviyesinde 1013,25 hPa (yaklaşık 760 mmHg). Dünya yüzeyindeki küresel ortalama hava sıcaklığı 15°C olup, sıcaklıklar subtropikal çöllerde yaklaşık 57°C ile Antarktika'da -89°C arasında değişmektedir. Üstel sayıya yakın bir yasaya göre hava yoğunluğu ve basıncı yükseklikle birlikte azalır.

Atmosferin yapısı. Dikey olarak atmosfer, esas olarak coğrafi konuma, mevsime, günün saatine vb. bağlı olarak dikey sıcaklık dağılımının (şekil) özellikleriyle belirlenen katmanlı bir yapıya sahiptir. Atmosferin alt katmanı - troposfer - sıcaklıktaki yükseklikle birlikte bir düşüş (1 km'de yaklaşık 6°C), yüksekliği kutup enlemlerinde 8-10 km'den tropik bölgelerde 16-18 km'ye kadar olan bir düşüşle karakterize edilir. Yükseklik arttıkça hava yoğunluğunun hızla azalması nedeniyle atmosferin toplam kütlesinin yaklaşık %80'i troposferde bulunur. Troposferin üzerinde stratosfer bulunur; bu tabaka genellikle yükseklikle sıcaklığın artmasıyla karakterize edilir. Troposfer ile stratosfer arasındaki geçiş katmanına tropopoz denir. Aşağı stratosferde, yaklaşık 20 km'lik bir seviyeye kadar, sıcaklık yükseklikle (izotermal bölge olarak adlandırılan bölge) çok az değişir ve hatta çoğu zaman hafifçe azalır. Bunun üzerinde Güneş'ten gelen UV ışınlarının ozon tarafından emilmesi nedeniyle sıcaklık önce yavaş yavaş, 34-36 km'den itibaren ise daha hızlı artar. Stratosferin üst sınırı - stratopoz - maksimum sıcaklığa (260-270 K) karşılık gelen 50-55 km yükseklikte bulunur. Sıcaklığın tekrar yükseklikle düştüğü 55-85 km yükseklikte bulunan atmosfer katmanına mezosfer denir; üst sınırında - mezopoz - sıcaklık yaz aylarında 150-160 K'ye, 200-230'a ulaşır. Kışın K Mezopozun üzerinde termosfer başlar - ile karakterize edilen bir katman. hızlı yükseliş 250 km yükseklikte 800-1200 K'ye ulaşan sıcaklıklar Termosferde Güneş'ten gelen parçacık ve X-ışını radyasyonu emilir, meteorlar yavaşlatılır ve yakılır, böylece Dünya'nın koruyucu bir tabakası görevi görür. Atmosfer gazlarının dağılma nedeniyle uzaya dağıldığı ve atmosferden gezegenler arası uzaya kademeli bir geçişin meydana geldiği ekzosfer daha da yüksektir.

Atmosfer bileşimi. Yaklaşık 100 km yüksekliğe kadar atmosferin kimyasal bileşimi neredeyse homojendir ve havanın ortalama molekül ağırlığı (yaklaşık 29) sabittir. Dünya yüzeyine yakın atmosfer, nitrojen (hacimce yaklaşık %78,1) ve oksijenden (yaklaşık %20,9) oluşur ve ayrıca az miktarda argon, karbondioksit (karbon dioksit), neon ve diğer kalıcı ve değişken bileşenleri içerir (bkz. Hava). ).

Ayrıca atmosferde az miktarda ozon, nitrojen oksit, amonyak, radon vb. bulunur. Havanın ana bileşenlerinin göreceli içeriği zaman içinde sabittir ve farklı coğrafi bölgelerde aynıdır. Su buharı ve ozon içeriği uzay ve zamana göre değişkendir; Düşük içeriklerine rağmen atmosferik süreçlerdeki rolleri çok önemlidir.

100-110 km'nin üzerinde oksijen, karbondioksit ve su buharı moleküllerinin ayrışması meydana gelir, dolayısıyla havanın moleküler kütlesi azalır. Yaklaşık 1000 km yükseklikte hafif gazlar - helyum ve hidrojen - hakim olmaya başlar ve daha da yüksekte, Dünya'nın atmosferi yavaş yavaş gezegenler arası gaza dönüşür.

Atmosferin en önemli değişken bileşeni, su yüzeyinden ve nemli topraktan buharlaşma ve bitkilerin terlemesi yoluyla atmosfere giren su buharıdır. Su buharının bağıl içeriği dünya yüzeyinde tropik bölgelerde %2,6'dan kutup enlemlerinde %0,2'ye kadar değişir. Yükseklikle hızla düşer, 1,5-2 km yükseklikte zaten yarı yarıya azalır. Ilıman enlemlerdeki atmosferin dikey sütunu yaklaşık 1,7 cm'lik "çökelmiş su tabakası" içerir. Su buharı yoğunlaştığında, yağmur, dolu ve kar şeklinde atmosferik yağışların düştüğü bulutlar oluşur.

Önemli bir bileşen atmosferik hava ozondur, %90'ı stratosferde (10 ila 50 km arasında) yoğunlaşmıştır, yaklaşık %10'u troposferdedir. Ozon, sert UV radyasyonunun (dalga boyu 290 nm'den az) emilmesini sağlar ve bu onun biyosfer için koruyucu rolüdür. Toplam ozon içeriğinin değerleri enlem ve mevsime bağlı olarak 0,22 ila 0,45 cm aralığında değişir (p = 1 atm basınçta ve T = 0°C sıcaklıkta ozon tabakasının kalınlığı). Antarktika'da 1980'li yılların başından itibaren ilkbaharda gözlenen ozon deliklerinde ozon içeriği 0,07 cm'ye kadar düşebilmektedir. Ekvatordan kutuplara doğru artarak ilkbaharda maksimum, sonbaharda minimum olmak üzere yıllık bir döngüye sahiptir ve genliği Yıllık döngü tropik bölgelerde küçüktür ve yüksek enlemlere doğru büyür. Atmosferin önemli bir değişken bileşeni, atmosferdeki içeriği son 200 yılda %35 oranında artan karbondioksittir. antropojenik faktör. Bitki fotosentezi ve deniz suyundaki çözünürlüğü ile ilişkili enlemsel ve mevsimsel değişkenliği gözlenir (Henry yasasına göre, gazın sudaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça azalır).

Gezegenin ikliminin şekillenmesinde önemli bir rol, boyutları birkaç nanometreden onlarca mikrona kadar değişen, havada asılı duran katı ve sıvı parçacıklardan oluşan atmosferik aerosol tarafından oynanır. Doğal ve antropojenik kökenli aerosoller vardır. Aerosol, bitkilerin atık ürünlerinden gaz fazı reaksiyonları sürecinde oluşur ve ekonomik faaliyetİnsanlar, volkanik patlamalar sonucu, gezegenin yüzeyinden, özellikle de çöl bölgelerinden rüzgarla yükselen tozların oluşturduğu ve aynı zamanda kozmik tozüst atmosfere giriyor. Aerosolün çoğu troposferde yoğunlaşmıştır; volkanik patlamalardan kaynaklanan aerosol, yaklaşık 20 km yükseklikte Junge tabakasını oluşturur. En büyük miktar antropojenik aerosol, araçların ve termik santrallerin çalışması, kimyasal üretim, yakıt yanması vb. sonucunda atmosfere girer. Bu nedenle, bazı bölgelerde atmosferin bileşimi, bir gazın oluşturulmasını gerektiren sıradan havadan belirgin şekilde farklıdır. atmosferik hava kirliliği seviyesinin gözlemlenmesi ve izlenmesi için özel hizmet.

Atmosferin evrimi. Modern atmosfer görünüşe göre ikincil kökenlidir: yaklaşık 4,5 milyar yıl önce gezegenin oluşumu tamamlandıktan sonra Dünya'nın katı kabuğu tarafından salınan gazlardan oluşmuştur. Dünyanın jeolojik tarihi boyunca atmosfer, bir dizi faktörün etkisi altında bileşiminde önemli değişikliklere uğramıştır: gazların, özellikle daha hafif olanların, uzaya yayılması (uçması); volkanik aktivitenin bir sonucu olarak litosferden gazların salınması; atmosferin bileşenleri ile yer kabuğunu oluşturan kayalar arasındaki kimyasal reaksiyonlar; Güneş UV radyasyonunun etkisi altında atmosferin kendisindeki fotokimyasal reaksiyonlar; gezegenler arası ortamdan (örneğin meteorik madde) maddenin birikmesi (yakalanması). Atmosferin gelişimi jeolojik ve jeokimyasal süreçlerle ve son 3-4 milyar yılda biyosferin aktivitesiyle de yakından ilişkilidir. Modern atmosferi oluşturan gazların (azot, karbondioksit, su buharı) önemli bir kısmı, onları Dünya'nın derinliklerinden taşıyan volkanik aktivite ve müdahale sırasında ortaya çıktı. Oksijen, yaklaşık 2 milyar yıl önce, başlangıçta okyanusun yüzey sularında ortaya çıkan fotosentetik organizmaların bir sonucu olarak kayda değer miktarlarda ortaya çıktı.

Karbonat yataklarının kimyasal bileşimine ilişkin verilere dayanarak, jeolojik geçmişin atmosferindeki karbondioksit ve oksijen miktarına ilişkin tahminler elde edildi. Fanerozoik (Dünya tarihinin son 570 milyon yılı) boyunca atmosferdeki karbondioksit miktarı, karbondioksit seviyesine bağlı olarak büyük ölçüde değişiklik gösterdi. volkanik aktivite, okyanus sıcaklığı ve fotosentez seviyeleri. Bu sürenin çoğunda atmosferdeki karbondioksit konsantrasyonu bugüne göre önemli ölçüde daha yüksekti (10 kata kadar). Fanerozoik atmosferdeki oksijen miktarı, artışa yönelik baskın bir eğilimle birlikte önemli ölçüde değişti. Prekambriyen atmosferinde, karbondioksit kütlesi kural olarak daha büyüktü ve oksijen kütlesi Fanerozoik atmosfere kıyasla daha küçüktü. Karbondioksit miktarındaki dalgalanmalar geçmişte iklim üzerinde önemli bir etkiye sahipti; karbondioksit konsantrasyonlarının artmasıyla birlikte sera etkisi artıyor ve Fanerozoik'in ana bölümünde iklimi modern çağa kıyasla çok daha sıcak hale getiriyordu.

Atmosfer ve yaşam. Atmosfer olmasaydı Dünya ölü bir gezegen olurdu. Organik yaşam, atmosfer ve buna bağlı iklim ve hava durumu ile yakın etkileşim içinde meydana gelir. Gezegenin bütünüyle karşılaştırıldığında kütlesi önemsiz (yaklaşık milyonda bir) olan atmosfer, tüm yaşam biçimleri için vazgeçilmez bir koşuldur. Organizmaların yaşamı için atmosferdeki gazların en önemlileri oksijen, azot, su buharı, karbondioksit ve ozondur. Karbondioksit fotosentetik bitkiler tarafından emildiğinde, insanlar da dahil olmak üzere canlıların büyük çoğunluğu tarafından enerji kaynağı olarak kullanılan organik madde oluşur. Oksijen, enerji akışının oksidasyon reaksiyonları ile sağlandığı aerobik organizmaların varlığı için gereklidir. organik madde. Bazı mikroorganizmalar (azot sabitleyiciler) tarafından asimile edilen azot, bitkilerin mineral beslenmesi için gereklidir. Güneş'ten gelen sert UV ışınlarını emen ozon, güneş ışınımının hayata zararlı olan bu kısmını önemli ölçüde zayıflatır. Atmosferdeki su buharının yoğunlaşması, bulutların oluşması ve ardından gelen yağışlar, karaya su sağlar ve bu su olmadan hiçbir canlının yaşaması mümkün değildir. Hidrosferdeki organizmaların hayati aktivitesi büyük ölçüde suda çözünmüş atmosferik gazların miktarı ve kimyasal bileşimi ile belirlenir. Atmosferin kimyasal bileşimi organizmaların faaliyetlerine önemli ölçüde bağlı olduğundan, biyosfer ve atmosfer bir parçası olarak düşünülebilir. birleşik sistem Bir gezegen olarak Dünya'nın tarihi boyunca atmosferin bileşimini değiştirmek için bakımı ve evrimi (bkz. Biyojeokimyasal döngüler) büyük önem taşıyordu.

Atmosferin radyasyon, ısı ve su dengeleri. Güneş radyasyonu, atmosferdeki tüm fiziksel süreçler için pratik olarak tek enerji kaynağıdır. Atmosferin radyasyon rejiminin ana özelliği, sözde sera etkisidir: atmosfer, güneş ışınımını dünya yüzeyine oldukça iyi iletir, ancak bir kısmı yüzeye geri dönen dünya yüzeyinden termal uzun dalga radyasyonunu aktif olarak emer. karşıt radyasyon şeklinde, dünya yüzeyinden gelen ışınımsal ısı kaybını telafi eder (bkz. Atmosfer radyasyonu). Atmosferin olmadığı durumda dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığı -18°C olacaktır, ancak gerçekte 15°C'dir. Gelen güneş ışınımı kısmen (yaklaşık %20) atmosfer tarafından emilir (esas olarak su buharı, su damlacıkları, karbon dioksit, ozon ve aerosoller tarafından) ve ayrıca aerosol parçacıkları ve yoğunluk dalgalanmaları (Rayleigh saçılması) tarafından da saçılır (yaklaşık %7) . Dünya yüzeyine ulaşan toplam ışınım kısmen (yaklaşık %23) yansıtılır. Yansıma katsayısı, albedo adı verilen alttaki yüzeyin yansıtıcılığıyla belirlenir. Ortalama olarak, güneş ışınımının integral akışı için Dünya'nın albedosu %30'a yakındır. Yeni yağan kar için yüzde birkaçtan (kuru toprak ve kara toprak) %70-90'a kadar değişir. Dünya yüzeyi ile atmosfer arasındaki ışınımsal ısı değişimi önemli ölçüde albedoya bağlıdır ve dünya yüzeyinin etkin radyasyonu ve onun tarafından emilen atmosferin karşı radyasyonu ile belirlenir. Cebirsel toplam Dünya atmosferine giren radyasyon akışları uzay ve onu geri bırakanlara radyasyon dengesi denir.

Güneş ışınımının atmosfer ve dünya yüzeyi tarafından emildikten sonra geçirdiği dönüşümler, bir gezegen olarak Dünya'nın ısı dengesini belirler. Atmosferin ana ısı kaynağı dünyanın yüzeyidir; ondan gelen ısı yalnızca uzun dalga radyasyonu şeklinde değil, aynı zamanda konveksiyon yoluyla da aktarılır ve aynı zamanda su buharının yoğunlaşması sırasında da açığa çıkar. Bu ısı girişlerinin payları sırasıyla ortalama %20, %7 ve %23'tür. Doğrudan güneş ışınımının emilmesi nedeniyle buraya yaklaşık% 20 ısı da eklenir. Güneş ışınlarına dik ve atmosferin dışında, Dünya'dan Güneş'e ortalama uzaklıkta bulunan tek bir alandan birim zaman başına güneş ışınımının akışı (güneş sabiti olarak adlandırılır) 1367 W/m2'ye eşittir; değişiklikler Güneş aktivitesinin döngüsüne bağlı olarak 1-2 W/m2. Yaklaşık %30'luk bir gezegen albedosuyla, gezegene zaman açısından ortalama küresel güneş enerjisi akışı 239 W/m2'dir. Dünya bir gezegen olarak uzaya ortalama olarak aynı miktarda enerji yaydığından, Stefan-Boltzmann yasasına göre, çıkan termal uzun dalga radyasyonunun etkin sıcaklığı 255 K'dır (-18 ° C). Aynı zamanda dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığı 15°C'dir. 33°C'lik fark sera etkisinden kaynaklanmaktadır.

Atmosferin su dengesi genel olarak Dünya yüzeyinden buharlaşan nem miktarı ile Dünya yüzeyine düşen yağış miktarının eşitliğine karşılık gelir. Okyanusların üzerindeki atmosfer, karaya göre buharlaşma süreçlerinden daha fazla nem alır ve %90'ını yağış şeklinde kaybeder. Okyanuslardaki fazla su buharı kıtalara taşınıyor hava akımları. Okyanuslardan kıtalara atmosfere aktarılan su buharı miktarı, okyanuslara akan nehirlerin hacmine eşittir.

Hava hareketi. Dünya küresel olduğundan, yüksek enlemlere tropik bölgelere göre çok daha az güneş radyasyonu ulaşır. Bunun sonucunda enlemler arasında büyük sıcaklık farkları ortaya çıkar. Sıcaklık dağılımı aynı zamanda okyanusların ve kıtaların göreceli konumlarından da önemli ölçüde etkilenir. Okyanus sularının büyük kütlesi ve suyun yüksek ısı kapasitesi nedeniyle mevsimsel değişiklikler Okyanus yüzey sıcaklıkları kara sıcaklıklarından önemli ölçüde düşüktür. Bu bakımdan orta ve yüksek enlemlerde yaz aylarında okyanuslar üzerindeki hava sıcaklığı kıtalara göre gözle görülür derecede düşük, kışın ise daha yüksektir.

Dünyanın farklı bölgelerinde atmosferin eşit olmayan şekilde ısıtılması, atmosferik basıncın mekansal olarak homojen olmayan bir dağılımına neden olur. Deniz seviyesinde basınç dağılımı, ekvator yakınında nispeten düşük değerler, subtropiklerde (yüksek basınç kuşakları) artışlar ve orta ve yüksek enlemlerde azalmalarla karakterize edilir. Aynı zamanda, tropik dışı enlemlerdeki kıtalarda basınç genellikle kışın artar ve yazın azalır; bu da sıcaklık dağılımıyla ilişkilidir. Basınç gradyanının etkisi altında hava, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru yönlendirilen bir ivme yaşar ve bu da hava kütlelerinin hareketine yol açar. Hareketli hava kütleleri aynı zamanda Dünya'nın dönüşünün saptırma kuvvetinden (Coriolis kuvveti), yükseklikle azalan sürtünme kuvvetinden ve kavisli yörüngeler için merkezkaç kuvvetinden de etkilenir. Havanın türbülanslı karışımı büyük önem taşımaktadır (bkz. Atmosferdeki türbülans).

Gezegensel basınç dağılımıyla ilişkili karmaşık sistem hava akımları (genel atmosferik sirkülasyon). Ortalama olarak, meridyen düzleminde iki veya üç meridyen sirkülasyon hücresi izlenebilir. Ekvatorun yakınında, subtropiklerde ısınan hava yükselip alçalır ve bir Hadley hücresi oluşturur. Ters Ferrell hücresinin havası da oraya iner. Yüksek enlemlerde genellikle düz bir kutup hücresi görülür. Meridyonel dolaşım hızları 1 m/s veya daha azdır. Coriolis kuvveti nedeniyle atmosferin büyük bölümünde orta troposferde yaklaşık 15 m/s hıza sahip batıdan esen rüzgarlar gözlenmektedir. Nispeten istikrarlı rüzgar sistemleri vardır. Bunlara ticaret rüzgarları da dahildir; subtropiklerdeki yüksek basınç bölgelerinden ekvatora doğru belirgin bir doğu bileşeniyle (doğudan batıya) esen rüzgarlar. Musonlar oldukça istikrarlıdır; açıkça tanımlanmış bir mevsimsel karaktere sahip hava akımları: yazın okyanustan ana karaya, kışın ise ters yöne doğru eser. Musonlar özellikle düzenlidir Hint Okyanusu. Orta enlemlerde hava kütlelerinin hareketi esas olarak batıya doğru (batıdan doğuya) doğrudur. Bu, yüzlerce ve hatta binlerce kilometreyi kapsayan büyük girdapların (siklonlar ve antisiklonlar) ortaya çıktığı atmosferik cephelerden oluşan bir bölgedir. Tropik bölgelerde de siklonlar meydana gelir; Burada daha küçük boyutlarıyla, ancak tropikal siklonlar olarak adlandırılan kasırga kuvvetine (33 m/s veya daha fazla) ulaşan çok yüksek rüzgar hızlarıyla ayırt edilirler. Atlantik ve doğu Pasifik Okyanuslarında bunlara kasırga, batı Pasifik Okyanusunda ise tayfun denir. Üst troposferde ve alt stratosferde, doğrudan Hadley meridyen dolaşım hücresini ve ters Ferrell hücresini ayıran, nispeten dar, yüzlerce kilometre genişliğinde, sınırları keskin bir şekilde tanımlanmış jet akımları sıklıkla gözlenir ve içinde rüzgar 100-150'ye ulaşır. ve hatta 200 m/ İle.

İklim ve hava durumu. Dünya yüzeyine farklı enlemlerde gelen güneş ışınımı miktarındaki farklılık ve fiziksel özellikleri farklılık göstermesi, Dünya iklimlerinin çeşitliliğini belirlemektedir. Ekvatordan tropikal enlemlere kadar dünya yüzeyindeki hava sıcaklığı ortalama 25-30°C'dir ve yıl boyunca çok az değişiklik gösterir. Ekvator kuşağında genellikle çok fazla yağış olur ve bu da orada aşırı nem koşulları yaratır. Tropikal bölgelerde yağışlar azalır ve bazı bölgelerde çok düşük olur. İşte Dünya'nın uçsuz bucaksız çölleri.

Subtropikal ve orta enlemlerde hava sıcaklığı yıl boyunca önemli ölçüde değişir ve yaz ve kış sıcaklıkları arasındaki fark özellikle kıtaların okyanuslardan uzak bölgelerinde büyüktür. Evet, bazı bölgelerde Doğu Sibirya Yıllık hava sıcaklığı aralığı 65°C'ye ulaşır. Bu enlemlerdeki nemlendirme koşulları çok çeşitlidir, esas olarak genel atmosferik sirkülasyon rejimine bağlıdır ve yıldan yıla önemli ölçüde değişiklik gösterir.

Kutup enlemlerinde, gözle görülür mevsimsel değişiklikler olsa bile sıcaklık yıl boyunca düşük kalır. Bu, başta Sibirya olmak üzere Rusya'daki alanının %65'inden fazlasını kaplayan buz örtüsünün okyanuslarda ve karada ve permafrostta yaygın dağılımına katkıda bulunuyor.

İçin son on yıllar Küresel iklimdeki değişiklikler giderek daha belirgin hale geldi. Sıcaklıklar yüksek enlemlerde alçak enlemlere göre daha fazla artar; kışın yaza göre daha fazla; geceleri gündüze göre daha fazla. 20. yüzyılda Rusya'da dünya yüzeyindeki ortalama hava sıcaklığı 1,5-2°C arttı ve Sibirya'nın bazı bölgelerinde birkaç derecelik bir artış gözlendi. Bu, eser gazların konsantrasyonundaki artışa bağlı olarak sera etkisindeki artışla ilişkilidir.

Hava, atmosferik dolaşım koşulları tarafından belirlenir ve coğrafi konum Arazi, tropik bölgelerde en istikrarlıdır ve orta ve yüksek enlemlerde en değişkendir. Hava durumu en çok atmosferik cephelerin, yağış taşıyan siklonların ve antisiklonların ve artan rüzgarın geçişinin neden olduğu değişen hava kütlelerinin olduğu bölgelerde değişir. Hava tahminine yönelik veriler, yerdeki hava istasyonlarından, gemilerden ve uçaklardan ve meteorolojik uydulardan toplanır. Ayrıca bkz. Meteoroloji.

Atmosferdeki optik, akustik ve elektriksel olaylar. Elektromanyetik radyasyon atmosferde yayıldığında, ışığın hava ve çeşitli parçacıklar (aerosol, buz kristalleri, su damlaları) tarafından kırılması, emilmesi ve saçılması sonucunda çeşitli optik olaylar ortaya çıkar: gökkuşağı, taç, hale, serap vb. Işığın saçılması, gök kubbenin görünen yüksekliğini ve gökyüzünün mavi rengini belirler. Nesnelerin görünürlük aralığı, atmosferdeki ışığın yayılma koşullarına göre belirlenir (bkz. Atmosfer görünürlüğü). Atmosferin şeffaflığından çeşitli uzunluklar dalgalar iletişim aralığına ve nesneleri araçlarla tespit etme yeteneğine bağlıdır. astronomik gözlemler Dünyanın yüzeyinden. Stratosfer ve mezosferin optik homojensizlikleri üzerine yapılan çalışmalarda alacakaranlık olgusu önemli bir rol oynar. Örneğin, alacakaranlığın uzay aracından fotoğraflanması, aerosol katmanlarının tespit edilmesini mümkün kılar. Elektromanyetik radyasyonun atmosferdeki yayılma özellikleri, parametrelerinin uzaktan algılanması yöntemlerinin doğruluğunu belirler. Tüm bu sorular ve diğerleri, atmosferik optik tarafından incelenmektedir. Radyo dalgalarının kırılması ve saçılması, radyo alımı olanaklarını belirler (bkz. Radyo dalgalarının yayılması).

Sesin atmosferde yayılması, sıcaklığın ve rüzgar hızının mekansal dağılımına bağlıdır (bkz. Atmosfer akustiği). Uzaktan yöntemlerle atmosferik algılama ilgi çekicidir. Roketlerin üst atmosfere fırlattığı patlayıcı patlamaları, rüzgâr sistemleri ve stratosfer ile mezosferdeki sıcaklık değişimleri hakkında zengin bilgiler sağladı. Sabit tabakalı bir atmosferde sıcaklık, adyabatik eğimden (9,8 K/km) daha yavaş bir yükseklikle azaldığında, iç dalgalar olarak adlandırılanlar ortaya çıkar. Bu dalgalar stratosfere ve hatta mezosfere doğru yayılarak burada zayıflayabilir ve rüzgarların ve türbülansın artmasına katkıda bulunabilir.

Dünyanın negatif yükü ve bunun sonucunda ortaya çıkan elektrik alanı Atmosfer, elektrik yüklü iyonosfer ve manyetosfer ile birlikte küresel bir elektrik devresi oluşturur. Bunda bulutların oluşması ve fırtına elektriğinin oluşması önemli rol oynuyor. Yıldırım deşarjı tehlikesi binalar, yapılar, enerji hatları ve iletişim için yıldırımdan korunma yöntemlerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Bu olgu havacılık için özel bir tehlike oluşturmaktadır. Yıldırım deşarjları, atmosferik adı verilen atmosferik radyo girişimine neden olur (bkz. Islıklı atmosferik). Gerginliğin keskin bir şekilde artması sırasında elektrik alanı uçlarda görünen parlak deşarjlar ve keskin köşeler dünya yüzeyinin üzerinde, dağlardaki bireysel zirvelerde vb. çıkıntı yapan nesneler (Elma ışıkları). Atmosfer her zaman belirli koşullara bağlı olarak büyük ölçüde değişen miktarlarda hafif ve ağır iyon içerir. elektriksel iletkenlik atmosfer. Dünya yüzeyine yakın havanın ana iyonlaştırıcıları, içinde bulunan radyoaktif maddelerin radyasyonudur. yer kabuğu ve atmosferde ve kozmik ışınlarda. Ayrıca bkz. Atmosfer elektriği.

İnsanın atmosfere etkisi. Geçtiğimiz yüzyıllarda konsantrasyonda bir artış yaşandı. sera gazlarıİnsan ekonomik faaliyetleri nedeniyle atmosferde. Karbondioksit yüzdesi iki yüz yıl önce 2,8-10 2'den 2005'te 3,8-10 2'ye, metan içeriği ise yaklaşık 300-400 yıl önce 0,7-10 1'den 21. yüzyılın başında 1,8-10 -4'e yükseldi. yüzyıl; Geçtiğimiz yüzyılda sera etkisindeki artışın yaklaşık %20'si, 20. yüzyılın ortalarına kadar atmosferde neredeyse hiç bulunmayan freonlardan kaynaklandı. Bu maddeler stratosferik ozon tabakasını incelten maddeler olarak kabul edilmektedir ve bunların üretimi 1987 Montreal Protokolü ile yasaklanmıştır. Atmosferdeki karbondioksit konsantrasyonunun artması, giderek artan miktarlarda kömür, petrol, gaz ve diğer karbon yakıt türlerinin yakılmasının yanı sıra ormanların yok edilmesinden ve bunun sonucunda emilimin azalmasından kaynaklanmaktadır. fotosentez yoluyla karbondioksit. Metan konsantrasyonu, petrol ve gaz üretimindeki artışın (kayıplarından dolayı) yanı sıra pirinç mahsullerinin genişlemesi ve sığır sayısındaki artışla da artıyor. Bütün bunlar iklimin ısınmasına katkıda bulunuyor.

Hava durumunu değiştirmek için atmosferik süreçleri aktif olarak etkileyecek yöntemler geliştirildi. Gök gürültüsü bulutlarına özel reaktifler dağıtarak tarım bitkilerini doludan korumak için kullanılırlar. Havalimanlarında sisin dağıtılması, bitkilerin dondan korunması, bulutların etkilenerek istenilen bölgelerde yağışın arttırılması veya halka açık etkinlikler sırasında bulutların dağıtılması gibi yöntemler de bulunmaktadır.

Atmosferin incelenmesi. Hakkında bilgi fiziksel süreçler Atmosferdeki veriler öncelikle küresel bir kalıcı meteoroloji ağı tarafından gerçekleştirilen meteorolojik gözlemlerden elde edilmektedir. hava istasyonları ve tüm kıtalarda ve birçok adada bulunan gönderiler. Günlük gözlemler hava sıcaklığı ve nemi, atmosferik basınç ve yağış, bulutluluk, rüzgar vb. hakkında bilgi sağlar. Güneş ışınımı ve dönüşümlerinin gözlemleri aktinometrik istasyonlarda gerçekleştirilir. Atmosferin incelenmesi için büyük önem taşıyan aerolojik istasyon ağları, radyosondalar kullanılarak 30-35 km yüksekliğe kadar meteorolojik ölçümlerin yapıldığı ağlardır. Bazı istasyonlarda atmosferik ozon, atmosferdeki elektriksel olaylar ve havanın kimyasal bileşimi gözlemleri yapılmaktadır.

Yer istasyonlarından elde edilen veriler, sürekli olarak Dünya Okyanusunun belirli bölgelerinde bulunan “meteoroloji gemilerinin” faaliyet gösterdiği okyanuslardaki gözlemlerin yanı sıra araştırmalardan ve diğer gemilerden alınan meteorolojik bilgilerle desteklenmektedir.

Son yıllarda, bulutların fotoğrafını çekmeye ve Güneş'ten gelen ultraviyole, kızılötesi ve mikrodalga radyasyon akışlarını ölçen araçlar taşıyan meteorolojik uydular kullanılarak atmosfer hakkında giderek artan miktarda bilgi elde ediliyor. Uydular, dikey sıcaklık profilleri, bulutluluk ve su kaynağı, atmosferin radyasyon dengesi unsurları, okyanus yüzeyi sıcaklığı vb. hakkında bilgi edinmeyi mümkün kılar. Bir navigasyon uydu sisteminden radyo sinyallerinin kırılma ölçümlerini kullanarak, Yoğunluk, basınç ve sıcaklığın yanı sıra atmosferdeki nem içeriğinin dikey profillerini belirlemek mümkündür. Uyduların yardımıyla, Dünya'nın güneş sabiti ve gezegensel albedo'sunun değerini açıklığa kavuşturmak, Dünya-atmosfer sisteminin radyasyon dengesinin haritalarını oluşturmak, küçük atmosferik kirleticilerin içeriğini ve değişkenliğini ölçmek ve çözmek mümkün hale geldi. atmosferik fizik ve çevresel izlemenin diğer birçok problemi.

Yandı: Budyko M.I. Geçmişte ve gelecekte iklim. L., 1980; Matveev L. T. Genel meteoroloji kursu. Atmosfer fiziği. 2. baskı. L., 1984; Budyko M.I., Ronov A.B., Yanshin A.L. Atmosferin tarihi. L., 1985; Khrgian A. Kh. Atmosfer Fiziği. M., 1986; Atmosfer: Dizin. L., 1991; Khromov S.P., Petrosyants M.A. Meteoroloji ve klimatoloji. 5. baskı. M., 2001.

G. S. Golitsyn, N. A. Zaitseva.