Тема 2. Атмосфера — повітряна ковдра Землі

Повітря не має ні запаху, ні кольору. Іноді нам здається, що його немає. Але воно завжди з нами й проникає в кожну щілину. Повітря навколо Землі утворює її найлегшу зовнішню оболонку – атмосферу. Вона необхідна не лише для дихання. Це наш «скафандр», що захищає від космічного опромінення; «ковдра», що зберігає температуру; надійний щит від метеоритів, а ще – провідник звуків. В атмосфері формується погода. Чи можна керувати нею й замовляти гарну погоду? Про деякі таємниці атмосфери ви дізнаєтеся з цієї теми.

§ 26. Будова атмосфери

Пригадайте! 1. Чи є атмосфера на інших планетах Сонячної системи? 2. Унаслідок яких процесів сформувалася первинна атмосфера Землі? З яких газів вона складалася?

Нові терміни до скарбнички знань: атмосфера, тропосфера, стратосфера, повітря.

Коротко про головне

Де починається й закінчується атмосфера. Наша планета – великий магніт. Тому атмосферу утримує біля її поверхні сила земного тяжіння. Повітряна оболонка обертається разом із Землею як єдине ціле. Зрозуміло, що нижньою межею атмосфери є тверда поверхня планети. Тому повітряну оболонку можна порівняти з океаном, на дні якого ми живемо. Чим далі від поверхні планети, тим сила тяжіння менша. Тому й щільність повітря неоднакова на різних висотах. Близько 3/4 усієї маси атмосфери зосереджено у нижніх 10 кілометрах над Землею. Але повітря існує й вище, хоч і дуже розріджене. За різними даними верхня межа атмосфери знаходиться на висоті від 2000 км до 3000 км (мал. 151).

Мал. 151. Товщина атмосфери Землі

Завдання. 1. За малюнком порівняйте відстань від поверхні Землі до верхньої межі атмосфери з відстанню до найближчого від нашої планети небесного тіла – Місяця. 2. Порахуйте, скільки б знадобилося часу (годин або діб), щоб подолати першу й другу відстань від земної поверхні автомобілю (зі швидкістю руху 100 км/год) та літаку (1000 км/год)

Шари атмосфери. Атмосфера Землі має шарувату будову. Її умовно поділяють на п’ять основних шарів, які поступово переходять один в одний (мал. 152). Нижній шар називають тропосфера (до висоти 8-18 км). У зв’язку з приплюснутою формою нашої планети сила тяжіння неоднакова в різних широтах. Тому верхня межа тропосфери біля екватора сягає 18-20 км, у наших широтах – 10 км, біля полюсів – 8-9 км. У тропосфері зосереджені близько 80 % усього атмосферного повітря та майже вся атмосферна вода, з якої формуються хмари й випадають опади. Тобто погода зароджується саме в тропосфері.

Мал. 152. Будова атмосфери

• 1. Назвіть 5 шарів атмосфери; які з них належать до верхніх шарів атмосфери; в якому шарі формується погода.
• 2. Прослідкуйте, в якій частині атмосфери існують більшість хмар. Поясніть чому.
• 3. Порівняйте висоту Джомолунгми з верхньою межею тропосфери.
• 4. Прослідкуйте, які літальні апарати перебувають у різних шарах атмосфери.

Вище від тропосфери знаходиться стратосфера, яка досягає висоти 51-55 км і в якій міститься понад 19 % повітря атмосфери. Там повітря холодне й сухе. Лише інколи в стратосфері виникають перламутрові хмари – тонкі прозорі утворення з кришталиків льоду. Ці хмари ледь помітні після заходу та перед сходом Сонця.

Над стратосферою лежать ще три верхні шари атмосфери. На них разом припадає менше, ніж 1 % атмосферного повітря, яке тут дуже розріджене й легко пропускає заряджені частинки з космосу. Ці частинки притягуються до полюсів Землі. Тому саме за полярним колом спостерігаються яскраві полярні сяйва. У верхніх шарах атмосфери також поширюються радіохвилі, а в періоди підвищеної сонячної активності зароджуються магнітні бурі.

Озоновий шар. Улітку після сильної зливи з грозою в повітрі можна відчути небувалу свіжість. Так пахне газ озон (від давн.-грец. – пахну). Він утворюється зі звичайного кисню під дією електричних розрядів під час грози (мал. 153). Але біля земної поверхні озон зберігається недовго. В атмосфері він зосереджений на висоті від 10 до 60 км, найбільша його концентрація на висоті 20-25 км. Саме озоновий шар захищає живі організми нашої планети від згубного впливу невидимого оком ультрафіолетового проміння Сонця. Малі дози ультрафіолету мають позитивне значення для всього живого, а великі призводять до загибелі живих клітин. Тому без озонового захисту ми не прожили б і кількох секунд.

Мал. 153. Утворення молекул озону (О₃) з молекул кисню (О₂) під час грози

Газовий склад повітря. Вам відомо, що підтримує дихання газ кисень. Проте атмосферне повітря – це не лише кисень. За складом воно є сумішшю близько 20 основних газів. 78 % об’єму повітря становить азот, майже 21 % – кисень, 1 % – інші гази, у тому числі – вуглекислий газ (0,03 %) (мал. 154). Крім того, в повітрі є багато домішок: водяна пара, пил, сажа, дим, озон, пилок рослин та інші.

Мал. 154. Газовий склад повітря

Завдання. 1. За малюнком назвіть основні складники атмосферного повітря. 2. Поясніть, чим відрізняються поняття «основні гази» та «домішки». 3. Поясніть, яке значення має кожний з основних газів повітря для природи. 4. Назвіть шкідливі та корисні домішки в повітрі. 5. Поясніть, які існують природні та техногенні джерела надходження в повітря домішок.

Кожний з газів повітря має своє значення. Азот відіграє велику роль у життєдіяльності організмів: він входить до складу білків, з яких складаються тіла живих істот. Але з повітря його можуть засвоювати лише деякі бактерії. В процесі дихання цей газ участі не бере. Більшість живих істот його одержує з їжею. Завдяки кисню підтримується дихання всіх живих істот нашої планети. Без кисню тварини й люди не можуть прожити більше 4-5 хвилин. Лише деякі мікроорганізми, що живуть у ґрунті, на морському дні, усередині інших істот, можуть обходитися без цього газу. Вуглекислий газ необхідний більшості рослин для утворення органічних речовин у процесі фотосинтезу. Первинна атмосфера Землі, яку утворили вулканічні гази, була багатою на вуглекислий газ і майже не мала кисню. Сучасний склад повітря утворився внаслідок життєдіяльності рослин і залишається незмінним протягом кількох сотень мільйонів років.

«Вірю – не вірю»: перевіряємо інформацію

«Атмосфера становить лише одну мільйонну частину маси нашої планети. Проте повітря дуже багато. І воно лише на перший погляд невагоме. Загальна маса атмосфери вражає: вона дорівнює вазі мідної кулі діаметром 10 км! Середня щільність атмосфери Землі використовується в якості однієї з одиниць вимірювання атмосферного тиску: її так і називають 1 атмосфера. Нею користуються для порівняння щільності повітря на інших небесних тілах, а також тиску під водою та в надрах Землі. Наприклад на Венері атмосферний тиск в 90 раз вищий, ніж на Землі.

• На плато Устюрт в Казахстані є стара криниця, яка, як кажуть місцеві жителі, може передбачати погоду. Перед початком дощу, снігу, а то й туману, криниця втягує в себе повітря. Якщо ж погода буде суха й сонячна, повітря виштовхує. В цьому легко переконатися: якщо кинутий в криницю легкий предмет летить назад – буде сухо, в падає вниз – варто очікувати опадів. Криницю по праву вважають природним феноменом, а місцеві жителі заявляють, що криниця ще ні разу не помилялася у своїх прогнозах.

ОЦІНЮЄМО СВОЇ ДОСЯГНЕННЯ • усього 12 балів

1 бал • 1. Що таке атмосфера? Назвіть її основні шари. 2. Поясніть, як з висотою змінюється щільність атмосфери. Якими ознаками вирізняється повітря в тропосфері з-поміж інших шарів атмосфери? Які атмосферні явища з цим пов’язані? 2 бали • 3. З яких газів складене атмосферне повітря. Проілюструйте прикладами значення кожного з атмосферних газів для існування життя на Землі. 4. Порівняйте відсоткові частки газів-складників атмосфери. Чи можна погодитися з думкою про те, що чим більший відсоток газу в атмосфері, тим більше його значення для природи Землі? 3 бали • 5. Поміркуйте, як пов’язана атмосфера з вулканізмом. Чому говорять, що вулкани створили атмосферу? Як сучасні вулкани здатні впливати на неї? 6. Оцініть ситуацію, якщо б зникла навколо Землі атмосфера. Які б зміни відбулися на нашій планеті?

Шари атмосфери по черзі від поверхні Землі

Кожна грамотна людина повинна знати не тільки те, що планету оточує атмосфера з суміші всіляких газів, але і те, що існують різні шари атмосфери, які розташовуються на неоднаковому видаленні від поверхні Землі.

Спостерігаючи на небі, ми абсолютно не бачимо ні його складного пристрою, ні неоднорідного складу, ні інших прихованих від очей речей. Але саме завдяки складному і багатокомпонентному складу повітряного шару, навколо планети на ній і існують такі умови, які дозволили виникнути тут життя, розквітнути рослинності, з’явитися всьому тому, що тут коли б то не було.

Знання про предмет розмови дає людям вже 6 клас в школі, але деякі до нього ще не довчилися, а деякі були там так давно, що вже все забули. Проте кожна освічена людина повинна знати, з чого складається світ навколо нього, особливо та його частина, від якої безпосередньо залежить сама можливість його нормального життя.

Як називається кожен з шарів атмосфери, на якій висоті він знаходиться, яку роль відіграє? Всі ці питання будуть розглянуті нижче.

Будова атмосфери Землі

Дивлячись на небо, особливо коли воно абсолютно безхмарно, дуже складно навіть припустити, що воно має таку складну і багатошарову структуру, що температура там на різних висотах дуже сильно відрізняється, і що саме там, в висоті, відбуваються найважливіші процеси для всієї флори і фауни на Землі.

Якби не такий складний склад газового покриву планети, то тут би просто не було ніякого життя і навіть можливості для її зародження.

Перші спроби вивчити цю частину навколишнього світу були зроблені ще древніми греками, але ті не могли зайти в своїх висновках занадто далеко, оскільки не володіли необхідною технічною базою. Вони не бачили кордону різних шарів, не могли виміряти їх температуру, вивчити компонентний склад і т. д.

В основному тільки погодні явища наштовхували найпрогресивніші уми на роздуми про те, що видиме небо не таке просте, як здається.

Вважається, що структура сучасної газової оболонки навколо Землі утворилася в три етапи. Спочатку була первинна атмосфера з водню і гелію, захоплених з космічного простору.

Потім виверження вулканів наповнило повітря масою інших частинок, і виникла Вторинна атмосфера. Після проходження всіх основних хімічних реакцій і процесів релаксації частинок, виникла нинішня ситуація.

Шари атмосфери по черзі від поверхні землі і їх характеристика

Структура газової оболонки планети досить складна і різноманітна. Розглянемо її більш детально, поступово дійшовши на самих верхніх рівнів.

Тропосфера

Крім прикордонного шару, тропосфера являє собою найнижчий шар атмосфери. Простягається вона на висоту приблизно 8-10 км над поверхнею землі в полярних регіонах, на 10-12 км в помірному кліматі, а в тропічних частинах – на 16-18 кілометрів.

[warning]цікавий факт: це відстань може змінюватися в залежності від пори року – взимку воно дещо менше, ніж влітку.[/warning]

Повітря тропосфери містить в собі основну цілющу силу для всього живого на землі. Тут міститься близько 80% від усього наявного атмосферного повітря, більше 90% водяної пари, саме тут утворюються хмари, циклони та інші атмосферні явища.

Цікаво відзначити поступове зниження температури при піднятті від поверхні планети. Вчені підрахували, що на кожні 100 м висоти температура зменшується приблизно на 0,6-0,7 градуса.

Стратосфера

Наступний найважливіший шар-стратосфера. Висота стратосфери становить приблизно 45-50 кілометрів. Починається вона з 11 км і тут вже переважають негативні температури, досягаючи цілих -57°с.

Чим важливий цей шар для людини, всіх тварин і рослин? Саме тут, на висоті 20-25 кілометрів, знаходиться озоновий шар – він затримує ультрафіолетові промені, що виходять від сонця, і зменшує їх руйнівний вплив на флору і фауну до прийнятного значення.

Дуже цікаво відзначити, що стратосфера поглинає багато типів випромінювання, які йдуть на землю від сонця, інших зірок і космічного простору. Отримана енергія від цих частинок йде на іонізацію знаходяться тут молекул і атомів, з’являються різні хімічні сполуки.

Все це призводить до такого відомого і барвистому явищу, як північне сяйво.

Мезосфера

Мезосфера починається приблизно з 50 і простягається до 90 кілометрів. Градієнт, або перепад температури зі зміною висоти, тут вже не настільки великий, як в нижніх шарах. У верхніх межах даної оболонки температура дорівнює близько -80°С. Склад цієї області включає в себе приблизно 80% азоту, а також 20% кисню.

Важливо відзначити, що мезосфера – свого роду мертва зона для будь-яких літальних пристроїв. Літаки не можуть тут літати, оскільки повітря надмірно розріджений, супутники ж на такій низькій висоті не літають, оскільки для них наявна щільність повітря дуже велика.

Ще одна цікава характеристика мезосфери – саме тут згоряють налітають на планету Метеорити. Вивчення таких віддалених від землі шарів відбувається за допомогою спеціальних ракет, але ефективність процесу невелика, тому вивченість регіону залишає бажати кращого.

Термосфера

Відразу після розглянутого шару йде термосфера, висота в км якої простягається на цілих 800 км.у деякому роді це вже майже відкритий космос. Тут спостерігається агресивна дія космічного випромінювання, радіації, сонячного випромінювання.

Все це породжує таке чудове і красиве явище, як Полярне сяйво.

Найнижчий шар термосфери нагрівається до температури приблизно 200 до і більше. Відбувається це завдяки елементарним процесам між атомами і молекулами, їх рекомбінацією і випромінювання.

Верхні шари ж нагріваються завдяки проходячим тут магнітним бурям, електричним струмів, які при цьому генеруються. Температура шару нерівномірна і може дуже істотно коливатися.

У термосфері відбувається політ більшості штучних супутників, балістичних тіл, пілотованих станцій і т.д. також тут проводяться випробування запусків різного роду зброї, ракет.

Екзосфера

Екзосфера, або як вона ще називається сфера розсіювання, – це самий верхній рівень нашої атмосфери, її межа, за яким слід міжпланетний космічний простір. Починається екзосфера з висоти приблизно в 800-1000 кілометрів.

Щільні шари залишилися позаду і тут повітря гранично розріджений, будь-які потрапили з боку частинки просто несуться в космос в силу дуже слабкої дії сили гравітації.

Закінчується дана оболонка на висоті приблизно 3000-3500 км, і тут вже майже немає ніяких частинок. Дана зона називається білякосмічним вакуумом. Тут переважають не окремі частинки в своєму звичайному стані, а плазма, найчастіше повністю іонізована.

Значення атмосфери в житті Землі

Ось так виглядають всі основні рівні пристрою атмосфери нашої планети. Детальна її схема може включати і інші регіони, але вони мають вже другорядне значення.

Важливо відзначити, що атмосфера грає для життя на Землі вирішальну роль. Багато озону в її стратосфері дозволяють флорі і фауні рятуватися від вбивчої дії радіації і випромінювання з космосу.

Також саме тут формується погода, відбуваються всі атмосферні явища, зароджуються і вмирають циклони, вітри, встановлюється той чи інший тиск. Все це має прямий вплив на стан людини, всіх живих організмів і рослин.

Найближчий шар, тропосфера, дає нам можливість дихати, насичує киснем все живе і дозволяє йому жити. Навіть невеликі відхилення в структурі і компонентному складі атмосфери здатні самим згубним чином вплинути на все живе.

Саме тому зараз розгорнулася така кампанія проти шкідливих викидів від авто і виробництва, екологи б’ють на сполох з приводу товщини озонової кулі, Партія Зелених і їй подібні ратують за максимальне збереження природи. Тільки так можна продовжити нормальне життя на землі і не зробити її нестерпною в кліматичному плані.

✅Основні шари атмосфери Землі

Газова оболонка, що оточує нашу планету Земля, відома як атмосфера, складається з п’яти основних шарів. Ці шари беруть початок на поверхні планети, від рівня моря і підіймаються до космічного простору в наступній послідовності:

У проміжку між кожним з цих основних п’яти шарів знаходяться перехідні зони, звані «паузами», де відбуваються зміни температури, складу і щільність повітря. Разом з паузами, атмосфера Землі в цілому включає 9 шарів.

Тропосфера: де створюється погода

З усього шару атмосфери тропосфера є тією, з якою ми найбільше знайомі (чи усвідомлюєте ви це, чи ні), оскільки ми живемо на її дні – поверхні планети. Вона огортає поверхню Землі і простягається вгору на кілька кілометрів. Слово тропосфера означає «зміна кулі». Дуже хороша назва, оскільки цей шар, де відбувається наша повсякденна погода.

Починаючи з рівня моря, тропосфера піднімається на висоту від 6 до 20 км. Нижня третина, найближча до нас, містить 50% усіх атмосферних газів. Це єдина частина всього складу атмосфери, яка дихає.

Завдяки тому, що повітря нагрівається знизу земною поверхнею, що поглинає теплову енергію Сонця, зі збільшенням висоти температура і тиск тропосфери знижуються.

На вершині знаходиться тонкий шар, званий тропопаузою, який є всього лише буфером між тропосферою і стратосферою.

Стратосфера: дім озону

Стратосфера – наступний шар атмосфери. Він простягається від 6-20 км до 50 км над земною поверхнею. Це шар, в якому літають більшість комерційних авіалайнерів і подорожують повітряні кулі.

Тут повітря не тече вгору і вниз, а рухається паралельно землі в дуже швидко рухомих повітряних потоках. У міру того, як ви піднімаєтеся, температура збільшується, завдяки великій кількості природного озону (O₃) – побічний продукт сонячної радіації і кисню, який має здатність поглинати шкідливі ультрафіолетові промені сонця (будь-яке підвищення температури з висотою в метеорології, відомий як «інверсія»).

Оскільки стратосфера має більш теплі температури внизу і більш прохолодні нагорі, конвекція (вертикальні переміщення повітряних мас) зустрічається рідко в цій частині атмосфери.

Фактично, ви можете розглядати зі стратосфери бурхливу в тропосфері бурю, оскільки шар діє як «ковпачок» для конвекції, через який не проникають штормові хмари.

Після стратосфери знову слід буферний шар, на цей раз званий стратопаузою.

Мезосфера: середня атмосфера

Мезосфера знаходиться приблизно на відстані 50-80 км від поверхні Землі. У верхній частині мезосфери є найхолоднішим природним місцем на Землі, де температура може опускатися нижче -143 ° C.

Термосфера: верхня атмосфера

Після мезосфери і мезопаузи слід термосфера, розташована між 80 і 700 км над поверхнею планети, і містить менш як 0,01% всього повітря в атмосферної оболонки. Температури тут сягають до +2000 ° C, але через сильну розрідженість повітря і брак молекул газу для перенесення тепла, ці високі температури сприймаються, як дуже холодні.

Екзосфера: межа атмосфери і космосу

На висоті близько 700-10000 км над земною поверхнею знаходиться екзосфера – зовнішній край атмосфери, що межує з космосом. Тут метеорологічні супутники обертаються навколо Землі.

Як щодо іоносфери?

Іоносфера не є окремим шаром, а насправді цей термін використовується для позначення атмосфери на висоті від 60 до 1000 км. Вона включає в себе самі верхні частини мезосфери, всю термосферу і частина екзосфери.

Іоносфера отримала свою назву, тому що в цій частині атмосфери випромінювання Сонця іонізується, коли проходить магнітні поля Землі на півночі і півдні. Це явища спостерігається з землі як північне сяйво.

Що ми дізналися?

1. Тропосфера:
   • Найнижчий шар атмосфери, простирається від поверхні Землі до висоти приблизно 8-15 км. Тут відбувається погода, формуються хмари та опади. Температура знижується з висотою.
2. Стратосфера:
   • Розташовується вище тропосфери, досягає висоти близько 50 км. Важлива особливість – озоновий шар, який поглинає і розсіює шкідливе ультрафіолетове випромінювання Сонця. Температура зростає з висотою через поглинання ультрафіолетових променів озоном.
3. Мезосфера:
   • Простирається від 50 до 80-85 км. Це найхолодніший шар атмосфери, де температура може знижуватися до -90°C. Мезосфера є місцем, де спостерігаються сяючі нічні хмари та метеори згоряють, вступаючи в атмосферу Землі.
4. Термосфера:
   • Висота цього шару варіюється від 85 до 600 км. Температура зростає з висотою, може досягати 2500°C або вище, оскільки газові молекули поглинають високоенергетичне сонячне випромінювання. Термосфера включає іоносферу, що має велике значення для радіозв’язку.
5. Екзосфера:
   • Це зовнішній шар атмосфери, що починається приблизно з 600 км і поступово переходить у космічний простір. Тут молекули газу настільки рідкісні, що можуть втекти у космос.

Атмосфера Землі складається з кількох основних шарів, кожен з яких має унікальні характеристики та важливе значення для підтримки життя на планеті. Від тропосфери, де формується погода, до екзосфери, що межує з космосом, кожен шар виконує незамінні функції, включаючи захист від шкідливого випромінювання, підтримку кліматичної системи та забезпечення умов для радіозв’язку.

Розуміння структури та динаміки атмосфери є ключовим для вирішення сучасних екологічних викликів, таких як зміна клімату та озонова діра, а також для розвитку аеронавтики та космонавтики.