Состав и Строение Атмосферы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

 

 

 

Реферат на тему:

Состав и Строение Атмосферы.

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2012

 

Содержание.

 
 
Введение.

 Глава 1. Происхождение атмосферы. 
 
Глава 2. Состав атмосферы. 
 
Глава 3. Строение атмосферы. 
 
3.1. Тропосфера.

3.2.Стратосфера.

3.3. Мезосфера.

 3.4.Термосфера.

 3.5.Ионосфера.

 3.6.Экзосфера.

3.7.Из атмосферы в космическое пространство.

4.Тенденции изменения.

4.1.Причины.

4.2.Следствия. 
Заключение.

Литература. 
Введение. 
 
Возможность жизни на любой планете зависит, прежде всего, от того, есть ли там атмосфера, т. е. воздушная оболочка. Только благодаря наличию атмосферы возникла и могла развиться жизнь на Земле. Это она словно куполом прикрыла Землю, с её растительным и животным миром, защищая от пагубного действия ультрафиолетовой и космической радиации, щедро посылаемых Солнцем и Вселенной, а также от всевозможных заряженных частиц, излучаемых космическим пространством. Пропуская лучи Солнца, атмосфера задерживает часть радиации, отражаемой земной поверхностью, а также излучаемой последней, как всяким нагретым телом. Это предохраняет Землю от охлаждения и резких колебаний температуры в течение суток. 
 
Без атмосферы наша планета была бы такой же мертвой, как и её спутница Луна. Освещённая Солнцем поверхность Земли раскалялась бы до губительного зноя, в то время как на затемнённой её части господствовал бы леденящий холод. Вместо великолепной гаммы красок неба, рождаемой солнечным светом, проходящим через атмосферу, Землю окутывал бы бездонный мрак. На черном фоне такого неба Солнце и звезды сверкали бы одновременно немигающим светом. Солнце выглядело бы необычайно ярким шаром с резко очерчёнными краями, из которых вздымаются огненные языки протуберанцев. 
 
Не было бы утренних зорь и вечерних закатов, радуги и полярных сияний, как и других многочисленных световых явлений. Великое множество их создаётся лучами Солнца, которые проходят через различные по плотности слои атмосферы и многократно преломляются в плавающих в ней кристаллах льда и водяных капель. Это из них состоят разнообразные по форме облака, вечно меняющиеся, от тонких нежно-белых до мощных мрачных громад, из которых выпадают обильные осадки в виде дождя, снега, крупы и града.  
 
Неравномерное прогревание земной поверхности приводит к возникновению движения воздуха, развитию вихрей большого и малого масштабов, а также сложных атмосферных процессов, определяющих изменения погоды в различных районах Земли.  
 
Атмосфера – воздушная оболочка между земной корой и космосом, является внешней по отношению к главному источнику энергии (солнечной). Атмосфера составляет по массе одну миллионную часть Земли, т. е. масса атмосферы примерно равна 5,15 * 1015т.  
 
Атмосфера представляет собой физическую смесь газов, жидкости (капли воды), твёрдых веществ (пыль, снег, град), аэрозолей.  

 
^ 1. Происхождение атмосферы. 
 
Так как водород и гелий, – наиболее распространённые элементы в космосе, то они, несомненно, входили и в состав протопланетного газово-пылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака (10-20К) самая первая земная атмосфера (если для её удержания масса Земли была достаточна) только и могла состоять из водорода и гелия, так как все другие вещества, из которых слагалось облако, могли быть только в твёрдом состоянии. 
 
Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри неё радиоактивных элементов. Это послужило стимулом двух процессов: постепенной диссипации водорода и гелия и дегазации мантии Земли. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную первичную атмосферу из газов, выделившихся из её недр. По мнению А.П.Виноградова (1959), в этой атмосфере больше всего было Н2О, затем СО2, СО, НCl, HF, Н2S, N2, NH4Cl и CH4 (примерно таков же состав и современных вулканических газов). В.А.Соколов полагает, что здесь был также Н2 и NH3 (как и прочие соединения водорода, наследие водородной атмосферы самого первого этапа). Кислород отсутствовал. В атмосфере господствовали восстановительные условия. 
 
Следующий этап развития атмосферы был переходным – от абиогенного к биогенному, от восстановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали N2, CO2, CO, в качестве побочных примесей – СН4, О2. Кислород возникал, по-видимому, в результате диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей Солнца; мог он выделяться и из тех окислов, из каких состояла земная кора. Но подавляющая часть его уходила вновь на окисление минералов земной коры (в докембрийских отложениях есть окислы железа и сульфатов кальция) или на окисление водорода и его соединений в атмосфере. Оттого свободного кислорода в атмосфере было мало. 
 
Последний этап развития атмосферы связан с появлением жизни на Земле и, стало быть, с возникновением механизма фотосинтеза. Постепенно содержание свободного кислорода – на этот раз биогенного – стало возрастать. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода. Часть последнего вошла в огромные залежи угля и карбонатов; в карбонатных породах содержание СО2 в 15000 раз больше, чем в нынешней атмосфере (Рухин, 1959, с.277); если бы вернуть весь СО2 из карбонатов в атмосферу, то давление воздуха на поверхность Земли повысилось бы примерно в 40 раз. 
 
Таков путь от водородно-гелиевой атмосферы до современной, главную роль в которой играют теперь N2 и О2, а в качестве примесей присутствуют Ar и CO2. Современный азот тоже биогенного происхождения. Возраст образования кислородной атмосферы – 1,5 – 2,0 млрд. лет. 
 
Отсутствие кислорода в первичной атмосфере одно время считали условием, неблагоприятным для возникновения жизни, так как ультрафиолетовые лучи, не поглощаемые молекулами кислорода, беспрепятственно достигали земной поверхности. Но, как теперь выяснилось, именно под действием ультрафиолетовых лучей (опыты А.Н.Теренина и других учёных) мог весьма успешно происходить фотосинтез альдегидов и аминокислот из газов первобытной атмосферы (NH3, H2O, CH4, CO2); в дальнейшем, попав в воду, эти соединения защищались от жёсткой радиации слоем воды. 
 
^ 2. Состав атмосферы. 
 
Воздух – смесь газов, отличающаяся, за исключением водяных паров, постоянством химического состава. В сухом воздухе у земной поверхности содержится (% по объёму): азот – 78,08; кислород – 20,96; аргон – 0,93; углекислый газ – 0,03. Есть в воз- духе и другие газы (криптон, ксенон, неон, гелий, водород, йод, радон, метан и некоторые другие), но их содержание ничтожно – тысячные и миллионные доли процента. Таким образом, химический состав воздуха, состоящего более чем на 3/4 из азота, резко отличен от земной коры, бедной азотом. 
 
Пять основных компонентов воздушной тропосферы – азот, кислород, аргон, углекислый газ, водяной пар – различны по своим свойствам, а отсюда – и функциональной роли в географической оболочке. Один из них – аргон – принадлежит к группе инертных газов и не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на процессы, протекающие в географической оболочке. 
 
Азот, самый распространённый газ в воздушной тропосфере, химически мало активен. Являясь составной частью белков и их производных, он, тем не менее, усваивается большинством живых организмов не непосредственно из воздуха, а посредством азотфиксирующих бактерий и водорослей.  
 
Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. И наличие большой массы свободного (несвязанного) кислорода в современной атмосфере представляется парадоксальным явлением. Парадокс этот находит объяснение в захоронении органического углерода в процессе фотосинтеза растений. Атмосфера питает кислородом воды океанов, озёр и рек. Специфическая функция кислорода – окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокислённых газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мёртвого органического вещества. 
 
Подсчёты показывают, что в результате фотосинтеза в атмосферу ежегодно поступает 20 * 1016г. кислорода. При общем его содержании в атмосфере 1,2 * 1021 г. время одного оборота массы О2 в атмосфере равно примерно 6 тыс. лет. 
 
^ Углекислого газа в атмосфере немного, но его роль в функционировании географической оболочки исключительно велика. Он представляет основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе: 
 
6СО2 + 6Н2О + Энергия = С6Н12О6 + О2. 
 
В процессе фотосинтеза используется углекислый газ не только атмосферы, но и океана. При деструкции органического вещества большая часть углекислого газа, затраченного на его создание, возвращается обратно в атмосферу и гидросферу. Меньшая часть его захороняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, горючих газов и рассеянного органического вещества. Возникающий дисбаланс углекислого газа в атмосфере исправляется выносом его из недр Земли вулканами. 
 
Значение углекислого газа атмосферы для географической оболочки не ограничивается его участием в создании органического вещества. Важные последствия имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаёт так называемый парниковый эффект, выраженный в повышении температуры воздуха вблизи поверхности Земли. 
 
В нижних 20 км. содержится водяной пар. В отличие от других газов содержание водяного пара во влажном воздухе не постоянно и зависит от температуры воздуха и характера подстилающей поверхности. Его содержание у земной поверхности колеблется в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% в экваториальных. 
 
При оценке водяного пара следует иметь в виду, что он:

1.  
   поддерживает парниковый эффект, так как задерживает длинно- волновое тепловое излучение земной поверхности;
2.  
   представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги;
3.  
   влияет на климат, повышая температуру воздуха при конденсации водяных паров.

 
Соотношение газов в сухом воздухе в тропосфере почти не изменяется с высотой. Что касается водяного пара, то его процентное содержание с высотой уменьшается. 
 
На высоте 20 – 30 км. («озоновая завеса») расположен слой озона (О3). Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, и хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от её губительного действия.

В воздухе тропосферы всегда присутствует примесь аэрозолей – мельчайших жидких и твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Это:

• ^

пыль земного и космического прохождения, микрометеориты,

метеориты и продукты их сгорания – Al, Fe, Ni (14 * 106 т/год);

• ^

твёрдые частицы дыма и пепла от лесных пожаров, сжигания топлива, извержения вулканов – C, S;

• частицы почвы и продукты выветривания горных пород – Si, Al;
• морская соль – NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2;
• ^

частицы органического происхождения – бактерии, микроорганизмы (770 – 2200 Мт/год);

• выбросы цементного производства – Са;
• выбросы химических, металлургических производств – S, Pb, фенолы, хлорфторметаны, фреоны, CF2Cl2, CCl4.

В среднем над каждым квадратным сантиметром в воздухе «висит» 108 – 109 аэрозольных частиц. Особенно много их в городах и крупных промышленных центрах, где к аэрозолям добавляются выбросы в атмосферу вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива. Общее их содержание 250 – 450 Мт/год или 1,5 – 2,0 кг/м2 год.

 
Та или иная концентрация аэрозолей в атмосфере определяет её прозрачность, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли – ядра конденсации – способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

 
 
^ 3. Строение атмосферы. 
 
Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя её граница, на высоте около 2000 – 3000 км, в известной мере условна, так как газы, её составляющие, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие её физические свойства. Химический состав воздуха до высоты 100 км. существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100 – 110 км., под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110 – 120 км. кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400 – 500 км. газы, составляющие атмосферу, также находится в атомар ном состоянии. 
 
Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса её размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних её частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5 – 6 км. сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0 – 16 км. – 90%, а в слое 0 – 30 км. – 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м3 воздуха у поверхности земли равен 1033 г., то на высоте 20 км. он равен 43 г., а на высоте 40 км. лишь 4 г.  
 
На высоте 300 – 400 км. и выше воздух настолько разрежён, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая – ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. 
 
Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется. 
 
В таблице приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоёв:

Сфера	Высота нижней и верхней    границы, км.	Характер изменения    температуры с высотой	Переходный слой
Тропосфера    Стратосфера    Мезосфера    Термосфера    Экзосфера	От поверхности земли до 8 – 17     От 8 – 17 до 50 – 55     От 50 – 55 до 80    От 80 до 800    Выше 800	Понижение    Повышение    Понижение    Повышение    –	Тропопауза    Стратопауза    Мезопауза    Термопауза    –

 
 
3.1.Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является её нижней границей. Наибольшая высота тропосферы наблюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16 – 18 км. и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8 – 10 км. В средних широтах она колеблется от 6 – 8 до 14 – 16 км. 
 
В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,65° на каждые 100 м. Это объясняется тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли. 
 
В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26о, над полярными областями зимой -34°, -36°, а летом около 0°С. Таким образом, разность температур экватор – полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°. 
 
Энергию атмосферной циркуляции можно определить контра- стами температуры экватор – полюс. Так как зимой величина контрастов температуры больше, то атмосферные процессы протекают более интенсивно, чем летом. Этим же объясняется тот факт, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. При этом скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, доходя до максимума равному около 100 м/сек. на высоте 60 – 65 км. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным движением. Вследствие подъёма и опускания больших объёмов воздуха образуются и рассеиваются облака, возникают и прекращаются осадки. Переходным слоем между тропосферой и вышележащей сферой является тропопауза. Выше неё лежит стратосфера. 
 
3.2. Стратосфера простирается от высот 8 – 17 до 50 – 55 км. Она была открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что темпера- тура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1°–2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50 – 55 км, становится даже положительной: +10о. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О3), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Этот слой, границы которого приблизительно соответствуют границам стратосферы, называют озоносферой. Это слой 10 – 60 км, содержащий озон с максимумом на высоте 22- 25 км. 
 
Количество озона неодинаково над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры. 
 
Зимой, в условиях полярной ночи, в высоких широтах в слое озона происходит излучение и охлаждение воздуха. В результате в стратосфере высоких широт (в Арктике и Антарктике) зимой формируется область холода, стратосферный циклонический вихрь с большими горизонтальными градиентами температуры и давления, обуславливающий западные ветры над средними широтами земного шара. 
 
Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла и прогревание воздуха. В результате повышения температуры в стратосфере высоких широт формируется область тепла и стратосферный антициклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км. летом в стратосфере преобладают восточные ветры, с максимальными скоростями до 70 м/с. на высоте 55–60 км. 
 
Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходит бурных процессов облакообразования и не выпадают осадки. 
 
Ещё совсем недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания воздуха, как в тропосфере. Поэтому считали, что газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» – слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т.е. при равенстве поглощённой и отражённой радиации. 
 
Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемешивания, турбулентные движения при сильных горизонтальных воздушных течениях. Всё это – результат неоднородного распределения температуры. 
 
Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза.  
 
3.3. Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50 – 55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км.) достигает -75°,-90°. Давление воздуха вверху мезосферы примерно в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. На уровне 80 км. от поверхности Земли заключено свыше 99,5% всей массы атмосферы. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой. 
 
Интересно отметить, что характерное для мезосферы понижение температуры с высотой происходит неодинаково на различных широтах и в течение года. В низких широтах падение температуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответственно 0,23°— 0,31° на 100 м. или 2,3°— 3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой. 
 
В верхней мезосфере на высоте около 80 км. в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается её повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми. 
 
Природа серебристых облаков ещё недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что, серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения серебристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры 1 при переходе из мезосферы в термосферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает -80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального движения или путём турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев. 
 
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до нескольких сотен километров в час.  
 
1 Инверсией температуры в атмосфере называется слой воздуха, где температура с высотой повышается вместо обычного понижения. 
 
 
3.4. Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км. температура воздуха достигает 220°—240°, а на уровне 200 км. более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км. превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термосфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа - это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной. 
 
В разреженных газах сравнительно немного молекул весьма малых размеров (лёгких газов). Если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет велика. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха содержатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов миллиардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высоких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разреженной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов. 
 
В нижней термосфере и мезосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеорных потоков. 
 
Имеющиеся сведения о слоях атмосферы выше 60— 80 км. еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создаётся в результате превращения молекулярного кислорода (О2) в атомарный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры большое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и ультра- фиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток происходят резкие изменения температуры и ветра.  
 
^ 3.5.. Ионизация атмосферы. Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60—80 км. является её ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряжённых частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то её называют также и ионосферой.  
 
Газы в ионосфере находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, происходит процесс отщепления электронов от нейтральных атомов и молекул воздуха. Такие атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами, а газы — ионизированными, т.е. получившими электрический заряд. При большей концентрации иионов газы становятся электропроводными. 
 
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизации. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмосфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации. 
 
Открытие ионосферы является одним из важных и блестящих достижений науки. Ведь отличительной особенностью ионосферы является её влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные атомы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспечивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии. 
 
Однако известно, что иногда радиосвязь на коротких волнах нарушается. Это происходит в результате хромосферных вспышек на Солнце, благодаря которым резко усиливается ультрафиолетовое излучение Солнца, приводящее к сильным возмущениям ионосферы и магнитного поля Земли — магнитным бурям. При магнитных бурях нарушается радиосвязь, так как движение заряженных частиц зависит от магнитного поля. Во время магнитных бурь ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос. Главным образом с изменением солнечной активности, сопровождающейся усилением ультрафиолетового излучения, увеличивается электронная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению работы радиосвязи на коротких волнах. 
 
Согласно новым исследованиям в мощном ионизированном слое имеются зоны, где концентрация свободных электронов достигает несколько большей концентрации, чем в соседних слоях. Известны четыре такие зоны, которые располагаются на высотах около 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км. и обозначаются буквами D, Е, F1 и F2. При усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния — в виде красивых многокрасочных дуг, загорающихся в ночном небе преимущественно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями. В таких случаях полярные сияния становятся видимыми в средних широтах, а в редких случаях даже в тропической зоне. Так, например, интенсивное сияние, наблюдавшееся 21— 22 января 1957г., было видно почти во всех южных районах нашей страны.  
 
С помощью фотографирования полярных сияний из двух пунктов, находящихся на расстоянии нескольких десятков километров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно полярные сияния располагаются на высоте около 100 км., нередко они обнаруживаются на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км. Хотя природа полярных сияний выяснена, однако остается ещё много нерешённых вопросов, связанных с этим явлением. До сих пор неизвестны причины многообразия форм полярных сияний. 
 
По данным третьего советского спутника, между высотами 200 и 1000 км. днём преобладают положительные ионы расщеплённого молекулярного кислорода, т.е. атомарного кислорода (О). Советские учёные исследуют ионосферу с помощью искусственных спутников серии «Космос». Американские учёные изучают ионосферу также с помощью спутников. 
 
Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. По вертикали эти колебания достигают 100—200 км. и более. 
 
3.6. Экзосфера (сфера рассеяния)—самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений и теоретических расчетов температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом. 
 
Еще сравнительно недавно предполагали, что условная граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Однако на основе торможения искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км. в 1 см3 содержится до 160 тыс. положительных ионов атомного кислорода и азота. Это дает основание предполагать, что заряженные слои атмосферы простираются в космос на значительно большее расстояние. 
 
При высоких температурах на условной границе атмосферы скорости частиц газов достигают приблизительно 12 км/сек. При данных скоростях газы постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это происходит в течение длительного времени. Например, частицы водорода и гелия удаляются в межпланетное пространство в течение нескольких лет. 
 
В исследовании высоких слоев атмосферы богатые данные получены как со спутников серии «Космос» и «Электрон», так и геофизических ракет и космических станций «Марс-1», «Луна-4» и др. Ценными оказались и непосредственные наблюдения космонавтов. Так, по фотографиям, сделанным в космосе В. Николаевой-Терешковой, было установлено, что на высоте 19 км. от Земли существует пылевой слой. Это подтвердилось и данными, полученными экипажем космического корабля «Восход». По-видимому, существует тесная связь между пылевым слоем и так называемыми перламутровыми облаками, иногда наблюдаемыми на высотах около 20—30 км. 
 
3.7. Из атмосферы в космическое пространство. На высоте порядка 2000 – 3000 км. экзосфера переходит в земную корону, прослеживающуюся до высоты более 20 000 км. и образованную «ускользнувшими» из экзосферы частицами водорода. Прежние предположения, что за пределами атмосферы Земли, в межпланетном пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц не превышает нескольких единиц в 1 см3, не оправдались. Исследования показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании зон вокруг Земли с заметно повышенным содержанием заряжённых частиц, т.е. поясов радиации — внутреннего и внешнего. Новые данные помогли внести уточнения. Оказалось, что между внутренним и внешним поясами радиации также имеются заряженные частицы. Число их меняется в зависимости от геомагнитной и солнечной активности. Таким образом, по новому предположению вместо поясов радиации существуют зоны радиации без четко выраженных границ. Границы радиационных зон изменяются в зависимости от солнечной активности. При её усилении, т.е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, выбрасывающиеся на сотни тысяч километров, возрастает поток космических частиц, которые и питают радиационные зоны Земли. 
 
Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полёты на космических кораблях. Поэтому перед полетом в космос определяется состояние и положение радиационных зон, а орбита космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне областей повышенной радиации. Однако высокие слои атмосферы, как и близкое к Земле космическое пространство, ещё мало исследованы.  
 
В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются богатые данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций.  
 
Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Однако современные методы её исследования позволяют надеяться, что в ближайшие годы человек будет знать многие детали строения атмосферы, на дне которой он живет.

4.Тенденции изменения .

“Нет единого мнения о природе и характере изменений в составе атмосферы за последние 1000 миллионов лет. Геологические процессы (вулканическая активность, образование известняков и угля) должны были оказать определенное влияние на состав атмосферы. И есть основания предполагать, что в течение последних 300 миллионов лет количество кислорода и углекислого газа, поскольку эти газы связанны с вышеупомянутыми процессами, колебалось значительно относительно теперешнего уровня”(4).

 
Рис. 3 “График увеличения содержания CO 2 в атмосфере в период с 19-20 вв. (Неклюкова 1976).

Такое изменение содержания CO 2 , конечно, вызвано деятельностью человека – сжигание угля (рис. 3). “Начиная с 1900 года, количество сжигаемого топлива удваивается каждые 10 лет. Так как уголь состоит на 90% из углерода, при горении соединяющегося с кислородом, то в атмосфере увеличивается количество углекислого газа”(8).

Содержание парниковых газов в атмосфере напрямую зависит от периодов потепления на нашей планете (рис. 4). “Была установлена корреляция между периодами потепления и содержанием в атмосфере углекислого газа и метана. 18 тысяч лет назад, в эпоху максимального обледенения, когда ледовый панцирь покрывал всю северную половину Европы и Северной Америки, содержание парниковых газов было меньше”(5).

“За последние 850 лет на Земле произошло пять ледниковых периодов, когда температуры на Земле опускались на 3° C ниже нынешних”(7).

В основном, более или менее сильные изменения газового состава атмосферы происходило в последние два века, ведь именно в этот период человечество осуществило существенные шаги в своём техническом развитии. Особенно сильно сказался на атмосфере приход НТР (Научно Техническая Революция). “Деятельность человека начала воздействовать на атмосферу в начале XIX в. вследствие развития тяжелой  

Рис. 4 Колебание температуры на Земле за последние 850.000 лет

(Мирская, 1997) .

промышленности. Дым тысяч заводских труб, сажа миллионов угольных каминов в городских домах затянули небо смогом. Проблема смога существует во многих странах и сейчас”(7).

рис. 5 Концентрация атмосферного CO 2 (Костицын, 1984) .

III. ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ .

4.1.Причины.

Существует масса причин изменения газового состава атмосферы – первое, и самое главное это деятельность человека. Второе, как ни странно, - деятельность самой природы.

а) антропогенное воздействие . Деятельность человека оказывает разрушающее действие на химический состав атмосферы. При производстве в окружающую среду выбрасывается углекислый газ и ряд других парниковых газов. Особенно опасен выброс CO 2 различными заводами и предприятиями (рис. 5). “Все крупнейшие города, как правило, лежат в слое плотного тумана. И не от того, что часто расположены в низинах или у воды, а из-за ядер конденсации, сосредоточенных над городами. В некоторых местах воздух настолько загрязнен частицами выхлопных газов и промышленных выбросов, что велосипедисты вынуждены надевать маски. Эти частицы служат ядрами конденсации для тумана”(7). Так же губительное воздействие оказывают выхлопные газы автомобилей, содержащие оксид азота, свинец, а также большое количество диоксида углерода (углекислого газа).