Атмосфера Земли - Atmosphere of Earth

«Воздух» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Воздух (значения).
"Качества воздуха" перенаправляются сюда. Не следует путать с Качество воздуха.

Фотография НАСА, показывающая атмосферу Земли в закат солнца, с участием земной шар силуэт
Рассеян синий свет газов в атмосфере, окружающих Землю в видимом синем слое, если смотреть из космоса на борту МКС на высоте 335 км (208 миль).[1]
Состав атмосферы Земли по объему, без водяного пара. Нижняя диаграмма представляет собой следовые газы, которые вместе составляют около 0,043391% атмосферы (0,04402961% при концентрации в апреле 2019 г. [2][3]). Цифры в основном от 2000 г., с CO
2 и метан с 2019 года и не представляют собой какого-либо единственного источника.[4]

В атмосфера Земли слой газы, широко известный как воздуха, сохраненный Земное притяжение, окружающие планету земной шар и формируя свою планетарную атмосфера. Атмосфера Земли защищает жизнь на Земле, создав давление что позволяет жидкая вода существовать на Земле поверхность, поглощая ультрафиолетовый солнечная радиация, нагревая поверхность за счет удержания тепла (парниковый эффект ), а также снижение перепадов температур между день и ночь (в суточные колебания температуры ).

По объему в сухом воздухе содержится 78,09% азот, 20.95% кислород, 0.93% аргон, 0.04% углекислый газ, и небольшое количество других газов.[8] Воздух также содержит переменное количество водяной пар, в среднем около 1% на уровне моря и 0,4% над всей атмосферой. Состав воздуха, температура и атмосферное давление варьируются в зависимости от высоты, а воздух подходит для использования в фотосинтез к наземные растения и дыхание из наземные животные встречается только на Земле тропосфера И в искусственная атмосфера.

Атмосфера Земли сильно изменилась с момента ее образования в основном водородной атмосферой, и несколько раз резко менялась, например Великое окислительное событие 2,4 миллиарда лет назад в атмосфере значительно увеличилось содержание кислорода, практически от нуля до уровней, близких к нынешним. Люди также внесли свой вклад в значительные изменения в составе атмосферы из-за загрязнения воздуха, тем более что индустриализация, что приводит к быстрое изменение окружающей среды Такие как истощение озонового слоя и глобальное потепление.

Масса атмосферы около 5,15×1018 кг,[9] три четверти из которых находятся в пределах 11 км (6,8 миль; 36 000 футов) от поверхности. Атмосфера становится все тоньше и тоньше с увеличением высоты, без определенной границы между атмосферой и космическое пространство. В Карманская линия, в 100 км (62 мили), или 1,57% радиуса Земли, часто используется как граница между атмосферой и космическим пространством. Атмосферные эффекты становятся заметными во время вход в атмосферу космического корабля на высоте около 120 км (75 миль). Несколько слои можно различить в атмосфере по таким характеристикам, как температура и состав.

Изучение атмосферы Земли и ее процессов называется наука об атмосфере (аэрология) и включает несколько подполей, таких как климатология и физика атмосферы. Среди первых пионеров в этой области Леон Тейссерен де Борт и Ричард Ассманн.[10] Изучение исторической атмосферы называется палеоклиматология.

Сочинение

Основная статья: Атмосферная химия
Средний атмосферный водяной пар

Три основных компонента атмосферы Земли: азот, кислород, и аргон. Водяной пар составляет примерно 0,25% атмосферы по массе. Концентрация водяного пара (парникового газа) значительно варьируется от примерно 10 частей на миллион по объему в самых холодных частях атмосферы до целых 5% по объему в горячих влажных воздушных массах, а концентрации других атмосферных газов обычно приводятся в условия сухого воздуха (без водяного пара).[11] Остальные газы часто называют следовыми газами.[12] среди которых есть парниковые газы, в основном двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Помимо уже упомянутого аргона, благородные газы, также присутствуют неон, гелий, криптон и ксенон. Фильтрованный воздух содержит следы многих других химические соединения. Многие вещества природного происхождения могут присутствовать в небольших количествах, изменяющихся в зависимости от местности и сезона, как аэрозоли в нефильтрованной пробе воздуха, в том числе пыль минерального и органического состава, пыльца и споры, морские брызги, и вулканический пепел. Различные промышленные загрязняющие вещества также может присутствовать в виде газов или аэрозолей, таких как хлор (элементарный или в составе), фтор соединения и элементарные Меркурий пар. Соединения серы, такие как сероводород и диоксид серы (ТАК2) могут быть получены из природных источников или в результате промышленного загрязнения воздуха.

Основные компоненты сухого воздуха, по объему[8]
ГазОбъем(А)
ИмяФормулав ppmv(В)в %
АзотN2780,84078.084
КислородО2209,46020.946
АргонAr9,3400.9340
Углекислый газ
(Апрель, 2020)(С)[13]		CO
2		413.610.041361
НеонNe18.180.001818
ГелийОн5.240.000524
МетанCH41.870.000187
КриптонKr1.140.000114
Не входит в вышеуказанную сухую атмосферу:
Водяной пар(D)ЧАС2О0–30,000(D)0–3%(E)
Примечания:

(А) объемная доля равно мольная доля только для идеального газа,
также см объем (термодинамика)
(В) ppmv: частей на миллион по объему
(С) Концентрация CO
2 был увеличивается в последние десятилетия
(D) Водяной пар составляет около 0,25% по массе полная атмосфера
(E) Водяной пар значительно варьируется в зависимости от места[11]

Среднее молекулярный вес сухого воздуха, который можно использовать для расчета плотности или преобразования мольной доли в массовую долю, составляет около 28,946[14] или 28,96[15] г / моль. Это уменьшается, когда воздух влажный.

Относительная концентрация газов остается постоянной примерно до 10 000 м (33 000 футов).[16]

Объемная доля основных составляющих атмосферы Земли в зависимости от высоты согласно атмосферной модели MSIS-E-90.

Стратификация

Атмосфера Земли 4 нижних слоя атмосферы в 3-х измерениях, если смотреть по диагонали сверху экзобазы. Слои нарисованы в масштабе, объекты внутри слоев не масштабируются. Полярные сияния, показанные здесь на дне термосферы, могут фактически формироваться на любой высоте в этом слое атмосферы.

Как правило, давление и плотность воздуха снижаются с высотой в атмосфере. Однако температура имеет более сложный профиль с высотой и может оставаться относительно постоянной или даже увеличиваться с высотой в некоторых регионах (см. температура раздел ниже). Потому что общая картина профиля температуры / высоты или скорость отклонения, является постоянным и измеряется с помощью зондирование воздушного шара, поведение температуры является полезным показателем для различения слоев атмосферы. Таким образом, атмосфера Земли может быть разделена (так называемая атмосферная стратификация) на пять основных слоев. За исключением экзосферы, атмосфера имеет четыре основных слоя: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.[17] Пять основных уровней от самого высокого до самого низкого:

  • Экзосфера: от 700 до 10 000 км (от 440 до 6200 миль)
  • Термосфера: от 80 до 700 км (от 50 до 440 миль)[18]
  • Мезосфера: от 50 до 80 км (от 31 до 50 миль)
  • Стратосфера: от 12 до 50 км (от 7 до 31 мили)
  • Тропосфера: от 0 до 12 км (от 0 до 7 миль)[19]

Экзосфера

Основная статья: Экзосфера

Экзосфера - это самый внешний слой атмосферы Земли (то есть верхний предел атмосферы). Он простирается от экзобаза, который расположен в верхней части термосферы на высоте примерно 700 км над уровнем моря, до примерно 10 000 км (6 200 миль; 33 000 000 футов), где он сливается с Солнечный ветер.

Этот слой в основном состоит из чрезвычайно низких плотностей водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ, ближе к экзобазе. Атомы и молекулы настолько удалены друг от друга, что могут путешествовать на сотни километров, не сталкиваясь друг с другом. Таким образом, экзосфера больше не ведет себя как газ, и частицы постоянно убегают в космос. Эти свободно движущиеся частицы следуют баллистические траектории и может мигрировать в и из магнитосфера или солнечный ветер.

Экзосфера расположена слишком далеко над Землей, чтобы какие-либо метеорологические явления были возможны. Тем не менее Северное сияние и аврора австралис иногда возникают в нижней части экзосферы, где они накладываются на термосферу. Экзосфера содержит большинство спутников, вращающихся вокруг Земли.

Термосфера

Основная статья: Термосфера

Термосфера - второй по высоте слой атмосферы Земли. Он простирается от мезопаузы (которая отделяет ее от мезосферы) на высоте около 80 км (50 миль; 260000 футов) до термопауза в диапазоне высот 500–1000 км (310–620 миль; 1 600 000–3 300 000 футов). Высота термопаузы значительно меняется из-за изменений солнечной активности.[18] Поскольку термопауза находится на нижней границе экзосферы, ее также называют экзобаза. Нижняя часть термосферы, на высоте от 80 до 550 километров (от 50 до 342 миль) над поверхностью Земли, содержит ионосфера.

Температура термосферы постепенно увеличивается с высотой и может подниматься до 1500 ° C (2700 ° F), хотя молекулы газа расположены так далеко друг от друга, что его температура в обычном понимании не имеет большого смысла. Воздух настолько разрежен, что отдельная молекула ( кислород, например) проходит в среднем 1 километр (0,62 мили; 3300 футов) между столкновениями с другими молекулами.[20] Хотя в термосфере большое количество молекул с высокой энергией, она не будет ощущаться горячей для человека при прямом контакте, потому что ее плотность слишком мала, чтобы проводить значительное количество энергии к или от кожи.

Этот слой совершенно безоблачный и не содержит водяного пара. Однако негидрометеорологические явления, такие как Северное сияние и аврора австралис иногда можно увидеть в термосфере. В Международная космическая станция орбиты в этом слое между. 350 и 420 км (220 и 260 миль). Именно в этом слое находится большинство спутников, вращающихся вокруг Земли.

Мезосфера

Основная статья: Мезосфера

Мезосфера - третий по высоте слой атмосферы Земли, занимающий область над стратосферой и под термосферой. Он простирается от стратопаузы на высоте около 50 км (31 миль; 160 000 футов) до мезопаузы на высоте 80–85 км (50–53 миль; 260 000–280 000 футов) над уровнем моря.

С увеличением высоты температура падает до мезопауза который отмечает вершину этого среднего слоя атмосферы. Это самое холодное место на Земле со средней температурой около -85.° C (−120 ° F; 190 K ).[21][22]

Прямо под мезопаузой воздух настолько холодный, что даже очень скудный водяной пар на этой высоте может быть сублимирован в полярно-мезосферную среду. серебристые облака. Это самые высокие облака в атмосфере, и их можно увидеть невооруженным глазом, если солнечный свет отражается от них примерно через час или два после захода солнца или аналогично до восхода солнца. Они наиболее хорошо видны, когда Солнце находится на 4-16 градусах ниже горизонта. Вызванные молнией разряды, известные как переходные световые события (TLE) изредка образуются в мезосфере над тропосферой грозовые тучи. Мезосфера также является слоем, где больше всего метеоры сгорают при входе в атмосферу. Он слишком высоко над Землей, чтобы быть доступным для реактивных самолетов и воздушных шаров, и слишком низко, чтобы позволить орбитальные космические корабли. В мезосферу в основном получают доступ зондирующие ракеты и ракетный самолет.

Стратосфера

Основная статья: Стратосфера

Стратосфера - это второй нижний слой атмосферы Земли. Он расположен над тропосферой и отделен от нее тропопауза. Этот слой простирается от верхней части тропосферы примерно на 12 км (7,5 миль; 39000 футов) над поверхностью Земли до стратопауза на высоте от 50 до 55 км (от 31 до 34 миль; от 164 000 до 180 000 футов).

Атмосферное давление в верхней части стратосферы составляет примерно 1/1000 давления на уровень моря. Он содержит озоновый слой, которая является частью атмосферы Земли, которая содержит относительно высокие концентрации этого газа. Стратосфера определяет слой, в котором температура повышается с увеличением высоты. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетовая радиация (УФ) излучение Солнца озоновым слоем, которое ограничивает турбулентность и перемешивание. Хотя температура в тропопаузе может составлять -60 ° C (-76 ° F; 210 K), верхняя часть стратосферы намного теплее и может быть около 0 ° C.[23]

Профиль температуры стратосферы создает очень стабильные атмосферные условия, поэтому в стратосфере отсутствует вызывающая погодные условия турбулентность воздуха, которая так характерна для тропосферы. Следовательно, стратосфера почти полностью свободна от облаков и других погодных условий. Однако полярная стратосфера или перламутровые облака изредка наблюдаются в нижней части этого слоя атмосферы, где воздух наиболее холодный. Стратосфера - это самый высокий уровень, к которому может получить доступ реактивный самолет.

Тропосфера

Основная статья: Тропосфера

Тропосфера - это самый нижний слой атмосферы Земли. Он простирается от поверхности Земли до средней высоты около 12 км (7,5 миль; 39000 футов), хотя это высота варьируется от примерно 9 км (5,6 миль; 30 000 футов) на географические полюса до 17 км (11 миль; 56000 футов) на Экватор,[19] с некоторыми вариациями из-за погоды. Сверху тропосфера ограничена тропопауза, граница, отмеченная в большинстве мест температурная инверсия (т.е. слой относительно теплого воздуха над более холодным), а в других - зоной, которая изотермический с высотой.[24][25]

Хотя изменения действительно происходят, температура в тропосфере обычно снижается с увеличением высоты, потому что тропосфера в основном нагревается за счет передачи энергии от поверхности. Таким образом, самая нижняя часть тропосферы (то есть поверхность Земли) обычно является самой теплой частью тропосферы. Это способствует вертикальному перемешиванию (отсюда и название этого слова от греческого слова τρόπος, тропос, что означает «поворот»). Тропосфера содержит примерно 80% масса атмосферы Земли.[26] Тропосфера более плотная, чем все вышележащие слои атмосферы, потому что больший атмосферный вес находится на вершине тропосферы и вызывает ее наиболее сильное сжатие. Пятьдесят процентов общей массы атмосферы расположено в нижних 5,6 км (18 000 футов) тропосферы.

Практически весь атмосферный водяной пар или влага находится в тропосфере, поэтому это слой, в котором происходит большая часть погоды на Земле. Он имеет в основном все связанные с погодой типы облаков, порожденные активной циркуляцией ветра, хотя очень высокие кучево-дождевые грозовые облака могут проникать через тропопаузу снизу и подниматься в нижнюю часть стратосферы. Самый обычный авиация активность происходит в тропосфере, и это единственный слой, к которому могут получить доступ винтовой самолет.

Космический шатл Стараться на орбите в термосфере. Из-за угла наклона фотографии кажется, что она охватывает стратосферу и мезосферу, которые на самом деле лежат более чем на 250 км (160 миль) ниже. Оранжевый слой - это тропосфера, который сменяется белесым стратосфера а затем синий мезосфера.[27]

Другие слои

В пяти основных вышеупомянутых слоях, которые в значительной степени определяются температурой, несколько вторичных слоев могут отличаться другими свойствами:

  • В озоновый слой содержится в стратосфере. В этом слое озон концентрации составляют от 2 до 8 частей на миллион, что намного выше, чем в нижних слоях атмосферы, но все же очень мало по сравнению с основными компонентами атмосферы. Он в основном расположен в нижней части стратосферы на расстоянии примерно 15–35 км (9,3–21,7 миль; 49 000–115 000 футов), хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географического положения. Около 90% озона в атмосфере Земли содержится в стратосфере.
  • В ионосфера представляет собой область атмосферы, ионизированную солнечным излучением. Он отвечает за полярные сияния. В дневное время она простирается от 50 до 1000 км (от 31 до 621 мили, от 160 000 до 3 280000 футов) и включает в себя мезосферу, термосферу и части экзосферы. Однако ионизация в мезосфере в основном прекращается в ночное время, поэтому полярные сияния обычно наблюдаются только в термосфере и нижней экзосфере. Ионосфера образует внутренний край магнитосфера. Это имеет практическое значение, поскольку влияет, например, на распространение радиоволн на Земле.
  • Гомосфера и гетеросфера определяются тем, хорошо ли перемешаны атмосферные газы. Гомосфера на поверхности включает тропосферу, стратосферу, мезосферу и нижнюю часть термосферы, где химический состав атмосферы не зависит от молекулярного веса, поскольку газы перемешиваются турбулентностью.[28] Этот относительно однородный слой заканчивается на турбопауза найден на расстоянии около 100 км (62 миль; 330 000 футов), самый край космоса как принято FAI, что помещает его примерно на 20 км (12 миль; 66000 футов) над мезопаузой.
Выше этой высоты находится гетеросфера, которая включает экзосферу и большую часть термосферы. Здесь химический состав меняется с высотой. Это потому, что расстояние, на которое частицы могут перемещаться, не сталкиваясь друг с другом велика по сравнению с размером движений, вызывающих перемешивание. Это позволяет газам расслаиваться по молекулярной массе, причем более тяжелые, такие как кислород и азот, присутствуют только в нижней части гетеросферы. Верхняя часть гетеросферы почти полностью состоит из водорода, самого легкого элемента.[требуется разъяснение ]
  • В планетарный пограничный слой это часть тропосферы, которая находится ближе всего к поверхности Земли и на которую она оказывает непосредственное влияние, в основном через турбулентная диффузия. Днем планетарный пограничный слой обычно хорошо перемешан, а ночью он становится стабильно стратифицированным со слабым или прерывистым перемешиванием. Глубина планетарного пограничного слоя колеблется от примерно 100 метров (330 футов) в ясные безветренные ночи до 3000 м (9800 футов) или более в полдень в засушливых регионах.

Средняя температура атмосферы на поверхности Земли составляет 14 ° C (57 ° F; 287 K).[29] или 15 ° С (59 ° F, 288 К),[30] в зависимости от ссылки.[31][32][33]

Физические свойства

Сравнение 1962 года Стандартная атмосфера США график геометрическая высота против плотность воздуха, давление, то скорость звука и температура с примерными высотами различных объектов.[34]

Давление и толщина

Основная статья: Атмосферное давление

Среднее атмосферное давление на уровне моря определяется Международная стандартная атмосфера как 101325 паскали (760.00 Торр; 14.6959 psi; 760.00 мм рт. ст. ). Иногда это называют единицей стандартные атмосферы (атм). Полная масса атмосферы 5,1480 × 1018 кг (1,135 × 1019 фунт),[35] примерно на 2,5% меньше, чем можно было бы предположить из среднего давления на уровне моря и площади Земли в 51007,2 мегагектара, причем эта часть смещена гористой местностью Земли. Атмосферное давление - это общий вес воздуха над единицей площади в точке измерения давления. Таким образом, давление воздуха зависит от местоположения и Погода.

Если бы вся масса атмосферы имела однородную плотность, равную плотности на уровне моря (около 1,2 кг на м3) от уровня моря вверх, он резко обрывается на высоте 8,50 км (27 900 футов). На самом деле он экспоненциально уменьшается с высотой, снижаясь вдвое каждые 5,6 км (18000 футов) или в 1 /е каждые 7,64 км (25 100 футов), в среднем высота шкалы атмосферы ниже 70 км (43 миль; 230 000 футов). Тем не менее, атмосфера более точно моделируется с помощью индивидуального уравнения для каждого слоя, которое учитывает градиенты температуры, молекулярного состава, солнечного излучения и силы тяжести.

Таким образом, масса атмосферы Земли распределяется примерно следующим образом:[36]

  • 50% ниже 5,6 км (18 000 футов).
  • 90% находится ниже 16 км (52000 футов).
  • 99,99997% ниже 100 км (62 миль; 330 000 футов), Карманская линия. По международному соглашению, это начало космоса, в котором люди-путешественники считаются. космонавты.

Для сравнения, саммит Mt. Эверест находится на высоте 8 848 м (29 029 футов); коммерческий авиалайнеры обычно курсируют на расстояние от 10 до 13 км (от 33 000 до 43 000 футов), где более разреженный воздух улучшает экономию топлива; метеорологические шары достичь 30,4 км (100 000 футов) и выше; и самый высокий Х-15 Полет в 1963 году достиг 108,0 км (354 300 футов).

Даже выше линии Кармана значительные атмосферные эффекты, такие как полярные сияния все еще происходят. Метеоры начинают светиться в этой области, хотя более крупные могут не гореть, пока не проникнут глубже. Различные слои Земли ионосфера, важно КВ радио распространения, начинаются ниже 100 км и простираются за пределы 500 км. Для сравнения: Международная космическая станция и Космический шатл обычно на орбите 350–400 км, в пределах F-слой ионосферы, где они встречают достаточно атмосферное сопротивление требовать перезагрузки каждые несколько месяцев. В зависимости от солнечной активности спутники могут испытывать заметное сопротивление атмосферы на высотах до 700–800 км.

Температура и скорость звука

Основные статьи: Атмосферная температура и Скорость звука
Тенденции температуры в двух толстых слоях атмосферы, измеренные с января 1979 г. по декабрь 2005 г. Устройства микроволнового зондирования и Усовершенствованные устройства микроволнового зондирования на NOAA метеорологические спутники. Приборы регистрируют микроволны, излучаемые молекулами кислорода в атмосфере. Источник:[37]

Разделение атмосферы на слои в основном по температуре обсуждалось выше. Температура уменьшается с высотой, начиная с уровня моря, но изменения в этой тенденции начинаются выше 11 км, где температура стабилизируется на большом вертикальном расстоянии через остальную часть тропосферы. в стратосфера начиная с высоты примерно 20 км, температура увеличивается с высотой из-за нагрева озонового слоя, вызванного захватом значительных ультрафиолетовый излучение от солнце кислородом и озоном в этой области. Еще одна область повышения температуры с высотой происходит на очень больших высотах, в хорошо названном термосфера выше 90 км.

Потому что в идеальный газ постоянного состава скорость звука зависит только от температуры, а не от давления или плотности газа, скорость звука в атмосфере с высотой принимает форму сложного температурного профиля (см. иллюстрацию справа) и не отражает высотные изменения плотности или давления.

Плотность и масса

Температура и массовая плотность в зависимости от высоты от NRLMSISE-00 стандартная атмосфера модель (восемь пунктирных линий в каждой «декаде» находятся на восьми кубах 8, 27, 64, ..., 729)
Основная статья: Плотность воздуха

Плотность воздуха на уровне моря около 1,2 кг / м3.3 (1,2 г / л, 0,0012 г / см3). Плотность не измеряется напрямую, а рассчитывается на основе измерений температуры, давления и влажности с использованием уравнения состояния воздуха (форма закон идеального газа ). Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это изменение можно приблизительно смоделировать с помощью барометрическая формула. Для предсказания орбитального распада спутников используются более сложные модели.

Средняя масса атмосферы составляет около 5 квадриллионов (5×1015) тонны или 1 / 1,200,000 массы Земли. По мнению американского Национальный центр атмосферных исследований, "Полная средняя масса атмосферы 5,1480×1018 кг при годовом диапазоне за счет водяного пара 1,2 или 1,5×1015 кг, в зависимости от того, используются ли данные о приземном давлении или водяном паре; несколько меньше, чем предыдущая оценка. Средняя масса водяного пара оценивается как 1,27×1016 кг, а масса сухого воздуха - 5,1352 ± 0,0003×1018 кг."

Оптические свойства

Смотрите также: Солнечный свет

Солнечная радиация (или солнечный свет) - это энергия, которую Земля получает от солнце. Земля также испускает излучение обратно в космос, но на более длинных волнах, которые мы не видим. Часть входящего и испускаемого излучения поглощается или отражается атмосферой. В мае 2017 года было обнаружено, что вспышки света, мерцающие от орбитального спутника на расстоянии в миллион миль, оказались отраженный свет из кристаллы льда в атмосфере.[38][39]

Рассеяние

Основная статья: Атмосферное рассеяние

Когда свет проходит через атмосферу Земли, фотоны взаимодействовать с ним через рассеяние. Если свет не взаимодействует с атмосферой, это называется прямое излучение и это то, что вы увидите, если посмотрите прямо на Солнце. Непрямое излучение это свет, рассеянный в атмосфере. Например, на пасмурная погода день, когда вы не можете видеть свою тень, прямое излучение не достигает вас, оно все рассеяно. В качестве другого примера, из-за явления, называемого Рэлеевское рассеяние, более короткие (синие) волны рассеиваются легче, чем более длинные (красные) волны. Вот почему небо кажется голубым; вы видите рассеянный синий свет. Вот почему закаты красные. Поскольку Солнце находится близко к горизонту, солнечные лучи проходят через большую часть атмосферы, чем обычно, чтобы достичь вашего глаза. Большая часть синего света рассеяна, оставив красный свет на закате.

Абсорбция

Основная статья: Поглощение (электромагнитное излучение)
Грубый сюжет атмосферного коэффициент пропускания (или непрозрачность) для различных длин волн электромагнитного излучения, включая видимый свет.

Разные молекулы поглощают разные длины волн излучения. Например, O2 и O3 поглощают почти все длины волн короче 300 нанометры. Вода (H2O) поглощает многие длины волн выше 700 нм. Когда молекула поглощает фотон, это увеличивает энергию молекулы. Это нагревает атмосферу, но она также охлаждается за счет излучения, как описано ниже.

Комбинированный спектры поглощения газов в атмосфере оставляют "окна" низких непрозрачность, позволяя пропускать только определенные полосы света. В оптическое окно простирается от 300 морских миль (ультрафиолетовый -C) в пределах досягаемости людей видимый спектр (обычно называемый светом), примерно 400–700 нм и продолжается до инфракрасный примерно до 1100 нм. Это также инфракрасный и радио окна которые передают некоторые инфракрасные и радиоволны на более длинных волнах. Например, радиоокно проходит от примерно одного сантиметра до примерно одиннадцати метров волн.

Эмиссия

Дальнейшая информация: Эмиссия (электромагнитное излучение)

Эмиссия противоположно поглощению, это когда объект излучает излучение.Объекты имеют тенденцию испускать количество и длину волны излучения в зависимости от их "черное тело "кривые излучения, поэтому более горячие объекты, как правило, излучают больше излучения с более короткими длинами волн. Более холодные объекты излучают меньше излучения с более длинными волнами. Например, Солнце составляет примерно 6000K (5,730 ° C; 10,340 ° F ), его излучение достигает максимума около 500 нм и видимо человеческим глазом. Земля имеет температуру около 290 К (17 ° C; 62 ° F), поэтому ее излучение достигает максимума около 10 000 нм и слишком длинное, чтобы быть видимым для людей.

Из-за своей температуры атмосфера излучает инфракрасное излучение. Например, в ясные ночи поверхность Земли остывает быстрее, чем в пасмурные ночи. Это потому, что облака (H2О) являются сильными поглотителями и излучателями инфракрасного излучения. Вот почему ночью на возвышенностях становится холоднее.

В парниковый эффект напрямую связано с этим эффектом поглощения и излучения. Некоторые газы в атмосфере поглощают и излучают инфракрасное излучение, но не взаимодействуют с солнечным светом в видимом спектре. Типичные примеры из них: CO
2 и H2О.

Показатель преломления

Искажающий эффект атмосферная рефракция по форме солнца на горизонте.
Основная статья: Атмосферная рефракция
Смотрите также: Сцинтилляция (астрономия)

В показатель преломления воздуха близко, но чуть больше 1. Систематические изменения показателя преломления могут привести к изгибу световых лучей на длинных оптических путях. Одним из примеров является то, что при некоторых обстоятельствах наблюдатели на борту судов могут видеть другие суда чуть выше горизонт потому что свет преломляется в том же направлении, что и кривизна поверхности Земли.

Показатель преломления воздуха зависит от температуры,[40] вызывая эффекты рефракции при большом градиенте температуры. Примером таких эффектов является мираж.

Тираж

Основная статья: Атмосферная циркуляция
Идеализированный вид трех пар больших циркуляционных ячеек.

Атмосферная циркуляция - крупномасштабное движение воздуха через тропосферу, а средства (с циркуляция океана ), с помощью которого тепло распространяется вокруг Земли. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная структура остается довольно постоянной, потому что она определяется скоростью вращения Земли и разницей в солнечной радиации между экватором и полюсами.

Эволюция атмосферы Земли

Смотрите также: История Земли и Палеоклиматология

Самая ранняя атмосфера

В первая атмосфера состоял из газов в солнечная туманность, в первую очередь водород. Вероятно, там были простые гидриды, подобные тем, которые сейчас обнаруживаются в газовые гиганты (Юпитер и Сатурн ), особенно водяного пара, метан и аммиак.[41]

Вторая атмосфера

Газовыделение из вулканизм, дополненные газами, образовавшимися во время поздняя тяжелая бомбардировка Земли огромными астероиды, произвела следующую атмосферу, состоящую в основном из азот плюс углекислый газ и инертные газы.[41] Большая часть выбросов углекислого газа растворяется в воде и вступает в реакцию с металлами, такими как кальций и магний, во время выветривания горных пород земной коры с образованием карбонатов, которые откладываются в виде отложений. Отложения, связанные с водой, были обнаружены еще 3,8 миллиарда лет назад.[42]

Примерно 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основную часть тогда стабильной «второй атмосферы». Влияние жизни должно быть принято во внимание довольно скоро в истории атмосферы, потому что намеки на ранние формы жизни появились уже 3,5 миллиарда лет назад.[43] Как Земля в то время поддерживала климат, достаточно теплый для жидкой воды и жизни, если раннее Солнце излучало солнечное сияние на 30% меньше, чем сегодня, - это загадка, известная как "слабый парадокс молодого Солнца ".

Однако геологические данные показывают непрерывную относительно теплую поверхность во время полного раннего температурный рекорд Земли - за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В конце Архейский Eon начала формироваться кислородсодержащая атмосфера, очевидно, произведенная фотосинтезом. цианобактерии (видеть Большое событие оксигенации ), которые были найдены как строматолит окаменелости 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода (соотношение изотопов пропорции) настоятельно предлагает условия, аналогичные текущим, и что основные особенности цикл углерода возникла еще 4 миллиарда лет назад.

Древние отложения в Габон датируемые примерно от 2,15 до 2,08 миллиарда лет назад, представляют собой запись динамической эволюции оксигенации Земли. Эти колебания в оксигенации, вероятно, были вызваны экскурсией изотопов углерода Ломагунди.[44]

Третья атмосфера

Содержание кислорода в атмосфере за последний миллиард лет[45][46]

Постоянное переустройство континентов тектоника плит влияет на долгосрочную эволюцию атмосферы за счет переноса углекислого газа в крупные континентальные хранилища карбонатов и из них. Свободный кислород не существовал в атмосфере примерно 2,4 миллиарда лет назад во время Большое событие оксигенации и его внешний вид обозначен концом полосчатые железные образования.

Раньше любой кислород, производимый фотосинтезом, потреблялся путем окисления восстановленных материалов, особенно железа. Молекулы свободного кислорода не начинали накапливаться в атмосфере до тех пор, пока скорость производства кислорода не стала превышать доступность восстановительных материалов, удаляющих кислород. Эта точка означает переход от сокращение атмосферу в окисляющий Атмосфера. О2 показали значительные колебания до достижения устойчивого состояния более 15% к концу докембрия.[47] Следующий промежуток времени с 541 миллиона лет назад до наших дней - это Фанерозой Эон, в самый ранний период которого Кембрийский, нуждающиеся в кислороде многоклеточный начали появляться формы жизни.

Количество кислорода в атмосфере колебалось в течение последних 600 миллионов лет, достигнув пика около 30% около 280 миллионов лет назад, что значительно превышает сегодняшние 21%. Изменениями в атмосфере управляют два основных процесса: растения. использование углекислого газа из атмосферы и высвобождая кислород, а затем растения используют немного кислорода ночью в процессе фотодыхание а остаток кислорода используется для разложения соседнего органического материала. Разбивка по пирит и извержения вулканов релиз сера в атмосферу, которая окисляет и, следовательно, уменьшает количество кислорода в атмосфере. Однако извержения вулканов также выделяют углекислый газ, который растения могут преобразовывать в кислород. Точная причина изменения количества кислорода в атмосфере неизвестна. Периоды с повышенным содержанием кислорода в атмосфере связаны с быстрым развитием животных. Сегодняшняя атмосфера содержит 21% кислорода, что достаточно для быстрого развития животных.[48]

Загрязнение воздуха

Основная статья: Загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха это введение в атмосферу химикаты, твердые частицы или биологические материалы которые причиняют вред или дискомфорт организмам.[49] Стратосферный истощение озонового слоя вызвано загрязнением воздуха, в основном из-за хлорфторуглероды и другие озоноразрушающие вещества.

В научный консенсус это то антропогенный парниковые газы, накапливающиеся в настоящее время в атмосфере, являются основной причиной изменение климата.[50]

Анимация показывает нарастание тропосферных CO
2 в Северном полушарии с максимумом около мая. Максимум вегетационного цикла приходится на конец лета. После пика растительности, снижение атмосферного CO
2 за счет фотосинтеза, особенно над бореальные леса.

Изображения из космоса

Основная статья: Метеорологический спутник

19 октября 2015 года НАСА запустило веб-сайт, содержащий ежедневные изображения полностью освещенной солнечной стороны Земли на http://epic.gsfc.nasa.gov/. Изображения взяты из Обсерватория глубокого космоса (DSCOVR) и покажите Землю, как она вращается в течение дня.[51]

  • Синий свет рассеивается больше газами в атмосфере, чем другие длины волн, что придает Земле голубой гало если смотреть из космоса.

  • В геомагнитные бури вызвать появление полярных сияний в атмосфере.

  • Вид на конечности атмосферы Земли. Цвета примерно обозначают слои атмосферы.

  • На этом изображении показана Луна в центре, а край Земли у дна переходит в тропосферу оранжевого цвета. Тропосфера резко обрывается на тропопаузе, которая появляется на изображении как резкая граница между оранжевой и голубой атмосферой. Серебристо-голубой серебристые облака простираются намного выше тропосферы Земли.

  • Атмосфера Земли, освещенная Солнцем в затмение наблюдается из Глубокий космос на борту Аполлон-12 в 1969 г.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Ворота к фотографиям Земли астонавтов". НАСА. Получено 2018-01-29.
  2. ^ а б «Тенденции изменения двуокиси углерода в атмосфере», Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA, 2019, получено 2019-05-31
  3. ^ а б «Тенденции атмосферного метана», Глобальная справочная сеть по парниковым газам, NOAA, 2019, получено 2019-05-31
  4. ^ а б Хейнс, Х. М., изд. (2016–2017), CRC Справочник по химии и физике (97-е изд.), CRC Press, стр. 14-3, ISBN  978-1-4987-5428-6, который цитирует Астрофизические величины Аллена но включает только десять из ее крупнейших составляющих.
  5. ^ Кокс, Артур Н., изд. (2000), Астрофизические величины Аллена (Четвертое издание), AIP Press, стр. 258–259, ISBN  0-387-98746-0, который округляет N2 и O2 до четырех значащих цифр, не влияя на общую сумму, поскольку 0,004% было удалено из N2 и добавлен к O2. Он включает 20 составляющих.
  6. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (1976 г.), Стандартная атмосфера США, 1976 (PDF), п. 3
  7. ^ Аллен, К. В. (1976), Астрофизические величины (Третье изд.), Атлон Пресс, стр. 119, ISBN  0-485-11150-0
  8. ^ а б Два последних надежных источника, процитированных здесь, имеют общий состав атмосферы, включая следовые количества молекул, который превышает 100%. Они есть Астрофизические величины Аллена[5] (2000 г., 100,001241343%) и CRC Справочник по химии и физике[4] (2016–2017 гг., 100,004667%), который приводит Астрофизические величины Аллена. Оба используются в качестве ссылок в этой статье. Оба превышают 100%, потому что их CO2 значения были увеличены до 345 ppmv без изменения их других составляющих для компенсации. Это усугубляется апрелем 2019 г. CO
    2     значение, которое составляет 413,32 ppmv.[2] Несмотря на незначительность, значение января 2019 г. CH
    4     составляет 1866,1 ppbv (частей на миллиард).[3] Два старых надежных источника содержат сухой состав атмосферы, включая следовые количества молекул, в сумме менее 100%: Стандартная атмосфера США, 1976[6] (99,9997147%); и Астрофизические величины[7] (1976, 99.9999357%).
  9. ^ Лиде, Дэвид Р. Справочник по химии и физике. Бока-Ратон, Флорида: CRC, 1996: 14–17
  10. ^ Васкес, М .; Ханслмайер, А. (2006). «Историческое введение». Ультрафиолетовое излучение в солнечной системе. Библиотека астрофизики и космических наук. 331. Springer Science & Business Media. п. 17. Bibcode:2005АССЛ..331 ..... В. Дои:10.1007/1-4020-3730-9_1. ISBN  978-1-4020-3730-6.
  11. ^ а б Уоллес, Джон М. и Питер В. Хоббс. Наука об атмосфере: вводный обзор В архиве 2018-07-28 в Wayback Machine. Эльзевир. Издание второе, 2006 г. ISBN  978-0-12-732951-2. Глава 1
  12. ^ «Следовые газы». Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинал 9 октября 2010 г.. Получено 2010-10-16.
  13. ^ «Жизненно важные признаки: двуокись углерода». НАСА Климат. Май 2020 г.. Получено 5 июн 2020.
  14. ^ Детлев Мёллер: Luft: Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, Recht. Вальтер де Грюйтер, 2003 г., ISBN  3-11-016431-0, С. 173. (Посмотреть в Google Книгах).
  15. ^ Юнус Шенгель. Termodinamica e trasmissione del calore.
  16. ^ «Состав воздуха». Engineering ToolBox. Получено 2017-07-04. Состав воздуха не меняется до отметки около 10.000 м.
  17. ^ Зелл, Холли (2015-03-02). «Верхняя атмосфера Земли». НАСА. Получено 2017-02-20.
  18. ^ а б Рэнди Рассел (2008). «Термосфера». Получено 2013-10-18.
  19. ^ а б «Высота тропопаузы». Das.uwyo.edu. Получено 2012-04-18.
  20. ^ Аренс, К. Дональд. Основы метеорологии. Опубликовано Томсон Брукс / Коул, 2005.
  21. ^ Штаты, Роберт Дж .; Гарднер, Честер С. (январь 2000 г.). «Термическая структура области мезопаузы (80–105 км) на 40 ° северной широты. Часть I: сезонные колебания». Журнал атмосферных наук. 57 (1): 66–77. Bibcode:2000ДжАТС ... 57 ... 66С. Дои:10.1175 / 1520-0469 (2000) 057 <0066: TSOTMR> 2.0.CO; 2.
  22. ^ Джо Бухдал. «Информационная программа по атмосфере, климату и окружающей среде». Ace.mmu.ac.uk. Архивировано из оригинал на 2010-07-01. Получено 2012-04-18.
  23. ^ Журнал атмосферных наук (1993). "стратопауза". Получено 2013-10-18.
  24. ^ Barry, R.G .; Чорли, Р.Дж. (1971). Атмосфера, погода и климат. Лондон: Menthuen & Co Ltd., стр.65.
  25. ^ Тайсон, П.Д .; Престон-Уайт, Р.А. (2013). Погода и климат юга Африки (2-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press. п. 4.
  26. ^ «Тропосфера». Краткая энциклопедия науки и технологий. Макгроу-Хилл. 1984. Он содержит около четырех пятых массы всей атмосферы.
  27. ^ "ISS022-E-062672 подпись". НАСА. Получено 21 сентября 2012.
  28. ^ "гомосфера - Глоссарий AMS ». Amsglossary.allenpress.com. В архиве из оригинала 14 сентября 2010 г.. Получено 2010-10-16.
  29. ^ «Атмосфера Земли». Архивировано из оригинал на 14.06.2009.
  30. ^ "НАСА - Информация о Земле". Nssdc.gsfc.nasa.gov. В архиве из оригинала 30 октября 2010 г.. Получено 2010-10-16.
  31. ^ «Глобальные аномалии температуры поверхности». Архивировано из оригинал на 03.03.2009.
  32. ^ «Радиационный баланс Земли и тепловые потоки в океане». Архивировано из оригинал на 2005-03-03.
  33. ^ «Контрольный прогон проекта взаимного сравнения сопряженных моделей» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-05-28.
  34. ^ Геометрическая высота в зависимости от температуры, давления, плотности и скорости звука, полученная из Стандартной атмосферы США 1962 года.
  35. ^ Тренберт, Кевин Э .; Смит, Лесли (01.01.1970). «Масса атмосферы: ограничение на глобальный анализ». Журнал климата. 18 (6): 864. Bibcode:2005JCli ... 18..864T. Дои:10.1175 / JCLI-3299.1. S2CID  16754900.
  36. ^ Лутгенс, Фредерик К. и Эдвард Дж. Тарбак (1995) Атмосфера, Прентис Холл, 6-е изд., Стр. 14–17, ISBN  0-13-350612-6
  37. ^ «Тенденции атмосферной температуры, 1979–2005 годы: образ дня». Earthobservatory.nasa.gov. 2000-01-01. Получено 2014-06-10.
  38. ^ Санкт-Флер, Николас (19 мая 2017 г.). "Обнаружение таинственных мерцаний на Земле за миллион миль". Нью-Йорк Таймс. Получено 20 мая 2017.
  39. ^ Маршак Александр; Варнаи, Тамаш; Костинский, Александр (15 мая 2017 г.). «Земной блеск, видимый из глубокого космоса: ориентированные кристаллы льда, обнаруженные из точки Лагранжа». Письма о геофизических исследованиях. 44 (10): 5197. Bibcode:2017GeoRL..44,5197M. Дои:10.1002 / 2017GL073248.
  40. ^ Эдлен, Бенгт (1966). «Показатель преломления воздуха». Метрология. 2 (2): 71–80. Bibcode:1966Метро ... 2 ... 71E. Дои:10.1088/0026-1394/2/2/002.
  41. ^ а б Zahnle, K .; Schaefer, L .; Фегли, Б. (2010). "Древнейшие атмосферы Земли". Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 2 (10): a004895. Дои:10.1101 / cshperspect.a004895. ЧВК  2944365. PMID  20573713.
  42. ^ Б. Уиндли: Развивающиеся континенты. Wiley Press, Нью-Йорк, 1984 г.
  43. ^ Дж. Шопф: Древнейшая биосфера Земли: ее происхождение и эволюция. Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси, 1983 г.
  44. ^ Тимоти В. Лайонс, Кристофер Т. Рейнхард и Ноа Дж. Планавски (2014). «Оксигенация атмосферы три миллиарда лет назад». Природа. 506 (7488): 307–15. Bibcode:2014Натура.506..307L. Дои:10.1038 / природа13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
  45. ^ Мартин, Дэниел; Маккенна, Хелен; Ливина, Валери (2016). «Физиологическое воздействие глобальной деоксигенации на человека». Журнал физиологических наук. 67 (1): 97–106. Дои:10.1007 / s12576-016-0501-0. ISSN  1880-6546. ЧВК  5138252. PMID  27848144.
  46. ^ http://www.nap.edu/openbook/0309100615/gifmid/30.gif
  47. ^ Кристофер Р. Скотез, Назад к истории Земли: сводная таблица докембрия, Проект Палеомар
  48. ^ Питер Уорд:[1] Из чистого воздуха: динозавры, птицы и древняя атмосфера Земли
  49. ^ Начиная с [2] Загрязнение - определение из онлайн-словаря Merriam-Webster
  50. ^ «Резюме для политиков» (PDF). Изменение климата 2007: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата. межправительственная комиссия по изменению климата. 5 февраля 2007 г.
  51. ^ Нортон, Карен (2015-10-19). «Ежедневные обзоры Земли доступны на новом веб-сайте НАСА». НАСА. Получено 2015-10-21.

внешняя ссылка