Атмосфера планеты земля: Атмосфера Земли

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли — это газовая оболочка нашей планеты, простирающаяся до тысячи километров ввысь над поверхностью планеты. Она характеризуется высокой динамичностью, физической неоднородностью и уязвимостью к биологическим факторам. На протяжении миллиардов лет истории атмосферы Земли, именно живые существа сильнее всего изменяли ее состав.

Основные свойства атмосферы Земли

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

Горение метеоров — один из подарков нашей атмосферы

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

Состав атмосферы Земли. История развития

Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!

Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад:

Молодая Земля значительно отличалась от своего современного облика. Круглые «озера» — это кратеры от ударов многочисленных метеоритов, которые без труда проникали сквозь тонкую атмосферу.

• Первыми газами, которые окутали молодую Землю 4,3 миллиарда лет назад, были водород и гелий — фундаментальные составляющие атмосферы газовых гигантов вроде Юпитера. Это самые элементарные вещества — из них состояли остатки туманности, родившей Солнце и окружающие его планеты, и они обильно оседали вокруг гравитационных центров-планет. Их концентрация была не очень высока, а низкая атомная масса позволяла им улетучиваться в космос, что они делают до сих пор. На сегодняшний день их общая удельная масса составляет 0,00052% от общей массы атмосферы Земли (0,00002% водорода и 0,0005% гелия), что совсем мало.
• Однако внутри самой Земли крылась уйма веществ, которые стремились вырваться из раскаленных недр. Из вулканов было выброшено громадное количество газов — в первую очередь аммиак, метан и углекислый газ, а также сера. Аммиак и метан впоследствии разложились на азот, который ныне занимает львиную долю массы атмосферы Земли — 78%.

Вулканы — одни из главных участников формирования атмосферы

• Но настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла вместе с приходом кислорода. Он появлялся и естественным путем — раскаленная мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, извергаемые вулканами, расщеплялись под воздействием солнечного ультрафиолета на водород и кислород.

Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.

• Во-первых, они начали выделять столько кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и начал накапливаться — за пару миллиардов лет его количество выросло с ноля до 21% процента всей массы атмосферы.
• Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод атмосферы для построения собственных скелетов. В итоге их деятельности земная кора пополнилась целыми геологическими пластами органических материалов и ископаемых, а углекислого газа стало куда меньше

Известняк с останками древних безпозвоночных организмов

• И, наконец, избыток кислорода сформировал озоновый слой, который стал защищать живые организмы от ультрафиолета. Жизнь стала эволюционировать активнее и приобретать новые, более сложные формы — среди бактерий и водорослей стали появляться высокоорганизованные существа. Сегодня в озон занимает всего 0,00001% всей массы Земли.

Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.

Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.

Смог над Китаем, вид из космоса

Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.

Структура атмосферы

Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных:

Строение атмосферы. Смотреть в полном размере.

Тропосфера

Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.

Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.

Слои атмосферы из космоса. Самый нижний, оранжевый слой — тропосфера.

Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».

Круговорот воды в природе

Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.

• Интересный факт — на водообмене с атмосферой завязан важный процесс в жизнедеятельности растений — транспирация. С ее помощью флора планеты активно влияет на климат — так, большие зеленые массивы смягчают погоду и перепады температуры. Растения в насыщенных водой местах испаряют 99% воды, взятой из почвы. К примеру, гектар пшеницы за лето выбрасывает в атмосферу 2–3 тысячи тонн воды — это значительно больше, чем могла бы отдать безжизненная почва.

Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.

В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.

Вид на Землю из стратосферы. Облака сверху выглядят даже меньшими, чем снизу

 

Жизнь и человек в стратосфере

Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.

Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.

Конкорд — пассажирский сверхзвуковой самолет

Читателю уже наверняка известно, что вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысяч метров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.

Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).

• Интересный факт — для того чтобы отсоединиться от воздушного шара, Юстасу понадобилось взрывное устройство — вроде того, что используется космическими ракетами при отсоединении ступеней.

Алан Юстас в скафандре. Прыжок был совершен только в защитном костюме — без герметических капсул и прочих защитных мер.

Озоновый слой

А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.

Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O₂, получается озон — O₃.

Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.

Фиолетовый жидкий озон и синий кислород при температуре ниже –180°C

Мезосфера

Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.

Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.

X-15 в полете

Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).

А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.

Персеиды. Снято в 2015 году

Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана незримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Шаттл на линии Кармана. На фото отчетливо видны все слои атмосферы

Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

• На заметку. Когда речь идет о высоких температурах, всегда стоит учитывать плотность раскаленной материи — так, ученые на Андронном Коллайдере действительно могут нагреть вещество до температуры Солнца. Но очевидно, что это будут отдельные молекулы — одного грамма вещества звезды хватило бы для мощнейшего взрыва. Поэтому не стоит верить желтой прессе, которая обещает нам скорый конец света от «рук» Коллайдера, как и не стоит бояться жара в термосфере.

Термосфера и космонавтика

Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.

Корабль Восток-1 на орбите в представлении художника

Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.

Полярные сияния

В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.

Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.

Полярное сияние из МКС

Экзосфера

Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода  и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

Спутник Google Maps. Аппараты для крупномасштабной съемки обычно находятся на орбитах внутри экзосферы

Выветривание атмосферы

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.

• Интересный факт — «пророки» конца света часто говорят, что если ядро Земли перестанет вращаться, атмосфера быстро выветрится под напором солнечного ветра. Однако наш читатель знает, что удерживают атмосферу возле Земли силы гравитации, которые будут действовать вне зависимости от вращения ядра. Ярким доказательством этого служит Венера, у которой неподвижное ядро и слабое магнитное поле, но зато атмосфера в 93 раза плотнее и тяжелее земной. Однако это не значит, что прекращение динамики земного ядра безопасно — тогда исчезнет магнитное поле планеты. Его роль важна не столько в сдерживании атмосферы, сколько в защите от заряженных частиц солнечного ветра, которые легко превратят нашу планету в радиоактивную пустыню.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10¹⁵ килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м³ — а так как облака достигают объема в несколько кубических километров, масса воды в них исчисляется десятками и сотнями тонн.

Разнообразные классы облаков

Облака — это самое заметное образование нашей Земли; они видны даже с Луны, где очертания континентов размываются перед невооруженным глазом. И это не странно — ведь тучами постоянно покрыто больше 50% Земли!

В теплообмене Земли облака играют невероятно важную роль. Зимой они захватывают солнечные лучи, повышая температуру под собой за счет парникового эффекта, а летом экранируют громадную энергию Солнца. Также облака уравновешивают перепады температуры между днем и ночью. К слову, именно из-за их отсутствия пустыни так сильно остывают ночью — все накопленное песком и скалами тепло беспрепятственно улетает ввысь, когда в других регионах его удерживают тучи.

Преобладающее большинство туч формируются у поверхности Земли, в тропосфере, однако в своем дальнейшем развитии они принимают самые разнообразные формы и свойства. Их разделение весьма полезно — появление туч различных видов может не только помочь предсказывать погоду, но и определять наличие примесей в воздухе! Давайте рассмотрим основные типы облаков подробнее.

Облако из космоса

Облака нижнего яруса

Тучи, которые опускаются ниже всего над землей, относят к облакам нижнего яруса. Им характерна высокая однородность и низкая масса — когда они опускаются на землю, ученые-метеорологи не отделяют их от обычного тумана. Тем не менее разница между ними есть — одни просто заслоняют небо, а другие могут разразиться большими дождями и снегопадами.

• К тучам, способным дать сильные осадки, относятся слоисто-дождевые облака. Они самые большие среди туч нижнего яруса: их толщина достигает нескольких километров, а линейные измерения превышают тысячи километров. Они представляют собой однородную серую массу — взгляните на небо во время продолжительного дождя, и вы наверняка увидите слоисто-дождевые облака.
• Другой вид облаков нижнего яруса — это слоисто-кучевые облака, поднимающиеся над землей на 600–1500 метров. Они представляют собой группы из сотен серо-белых туч, разделенных небольшими просветами. Такие облака мы обычно видим в дни переменной облачности. С них редко идет дождь или снег.
• Последний вид нижних облаков — это обычные слоистые облака; именно они застилают небо в пасмурные дни, когда с неба пускается мелкая морось. Они очень тонкие и низкие — высота слоистых облаков в максимуме достигает 400–500 метров. Их структура очень напоминает строение тумана — опускаясь ночью к самой земле, они часто создают густую утреннюю дымку.

Слоисто-кучевые облака

Облака вертикального развития

У туч нижнего яруса есть старшие братья — облака вертикального развития. Хотя их нижняя граница пролегает на небольшой высоте в 800–2000 километров, облака вертикального развития серьезно устремляются вверх — их толщина может достигать 12–14 километров, что подталкивает их верхний предел к границам тропосферы. Еще такие облака называют конвективными: из-за больших размеров вода в них приобретает разную температуру, что порождает конвекцию — процесс перемещения горячих масс наверх, и холодных — вниз. Поэтому в облаках вертикального развития одновременно существуют водный пар, мелкие капельки, снежинки и даже целые кристаллы льда.

• Основным типом вертикальных облаков являются кучевые облака — громадные белые тучи, напоминающие рваные куски ваты или айсберги. Для их существования необходима высокая температура воздуха — поэтому в средней полосе России они появляются только летом и тают к ночи. Их толщина достигает нескольких километров.

• Однако когда кучевые облака имеют возможность собраться вместе, они создают куда более грандиозную форму — кучево-дождевые облака. Именно с них идут сильные ливни, град и грозы летом. Существуют они только несколько часов, но при этом разрастаются ввысь до 15 километров — верхняя их часть достигает температуры –10°C и состоит из кристалликов льда.На верхушках самых больших кучево-дождевых туч формируются «наковальни» — плоские области, напоминающие гриб или перевернутый утюг. Это происходит на тех участках, где облако достигает границы стратосферы — физика не позволяет распространяться дальше, из-за чего кучево-дождевая туча расползается вдоль предела высоты.

Большое кучево-дождевое облако

• Интересный факт — мощные кучево-дождевые облака формируются в местах извержений вулканов, ударов метеоритов и ядерных взрывов. Эти тучи являются самыми большими — их границы достигают даже стратосферы, выбираясь на высоту 16 километров. Будучи насыщенными испаренной водой и микрочастицами, они извергают мощные грозовые ливни — в большинстве случаев этого достаточно, чтобы потушить связанные с катаклизмом возгорания. Вот такой вот природный пожарный 🙂

Облака среднего яруса

В промежуточной части тропосферы (на высоте от 2–7 километров в средних широтах) находятся облака среднего яруса. Им свойственны большие площади — на них меньше влияют восходящие потоки от земной поверхности и неровности ландшафта — и небольшая толщина в несколько сот метров. Это те облака, которые «наматываются» вокруг острых пиков гор и зависают возле них.

Сами облака среднего яруса делятся на два основных типа — высокослоистые и высококучевые.

• Высокослоистые облака — это одна из составляющих сложных атмосферных масс. Они представляют собой однородную, серовато-синюю пелену, через которую видны Солнце и Луна — хотя протяженность высокослоистых облаков составляет тысячи километров, их толщина составляет всего несколько километров. Серая плотная пелена, которая видна из иллюминатора самолета, летящего на большой высоте — это именно высокослоистые облака. Часто из них идут длительные дожди или снег.

Высококучевые и высокослоистые облака

• Высококучевые облака, напоминающие мелкие куски рваной ваты или тонкие параллельные полосы, встречаются в теплую пору года — они образуются при поднятии теплых воздушных масс на высоту 2–6 километров. Высококучевые облака служат верным индикатором грядущей перемены погоды и приближения дождя — создать их может не только естественная конвекция атмосферы, но и наступления холодных воздушных масс. С них редко идет дождь — однако тучи могут сбиться вместе и создать одно большое дождевое облако.

К слову о тучах возле гор — на фотографиях (а, может, и вживую) вы наверняка не раз видели круглые облака, напоминающие ватные диски, которые зависают слоями над горной вершиной. Дело в том, что облака среднего яруса часто бывают лентикулярными или линзовидными — разделенными на несколько параллельных слоев. Их создают воздушные волны, образующиеся при обтекании ветром крутых пиков. Линзовидные тучи также особенны тем, что висят на месте даже при самом сильном ветре. Это делает возможным их природа — поскольку такие облака создаются в местах контакта нескольких воздушных потоков, они находятся в относительно стабильной позиции.

Лентикулярные облака над горой Фудзи, Япония

Облака верхнего яруса

Последний уровень обычных туч, которые поднимаются до нижних пределов стратосферы, называется верхним ярусом. Высота таких облаков достигает 6–13 километров — там очень холодно, и потому облака на верхнем ярусе состоят из мелких льдинок. Из-за их волокнистой растянутой формы, напоминающей перья, высокие облака также называются перистыми — хотя причуды атмосферы часто придают им форму когтей, хлопьев и даже рыбьих скелетов. Осадки, которые образуются с них, никогда не достигают земли — но само присутствие перистых облаков служит древним способом предсказывать погоду.

• Чисто-перистые облака являются самыми протяженными среди туч верхнего яруса — длина отдельного волокна может достигать десятка километров. Так как кристаллы льда в тучах достаточно большие, чтобы ощущать на себе притяжение Земли, перистые облака «падают» целыми каскадами — расстояние между верхней и нижней точкой отдельно взятого облака может достигать 3-4 километров! По сути, перистые тучи — это громадные «ледопады». Именно различия в форме кристаллов воды создают их волокнистую, потокообразную форму.

• В этом классе попадаются и практически невидимые облака — перисто-слоистые облака. Они образуются тогда, когда большие массы приповерхностного воздуха поднимаются ввысь — на большой высоте их влажности достаточно для формирования облака. Когда сквозь них просвечивает Солнце или Луна, появляется гало — сияющий радужный диск из рассеянных лучей.

Перистые облака

Серебристые облака

В отдельный класс стоит выделить серебристые облака — самые высокие тучи на Земле. Они забираются на высоту 80 километров, что даже выше стратосферы! Кроме того, они имеют необычный состав — в отличие от других облаков, они состоят из метеоритной пыли и метана, а не воды. Эти тучи видны только после заката или перед рассветом — лучи Солнца, проникающие из-за горизонта, подсвечивают серебристые облака, которые в течение дня остаются невидимыми на высоте.

Серебристые облака представляют собой невероятно красивое зрелище  — однако чтобы увидеть их в Северном полушарии, нужны особые условия. А еще их загадку было не так просто разгадать — ученые в бессилии отказывались в них верить, объявляя серебристые тучи оптической иллюзией. Посмотреть на необычные облака и узнать о их секретах вы можете из нашей специальной статьи.

Серебристые облака

Атмосфера Земли в астрономии

В заглавной статье мы упоминали о том, что Земля служит главным инструментом познания других миров. Не является исключением и ее атмосфера — сопоставляя земные и инопланетные явления, астрономы узнают древнюю историю близких и не очень планет.

К примеру, цвет атмосферы других планет открывает нам тайны ее состава. Атмосфера Марса имеет такой же красный оттенок, как и его поверхность. Это связано с тем, что доминирующий газ на Марсе — это углекислый газ. То же самое касается экзопланет. Анализируя их цветовой спектр, мы можем узнать о составе атмосферы — даже не представляя, как планета выглядит.

А состав атмосферы, как мы знаем, может многое рассказать нам о планете. Если много углекислого газа — значит, на планете бушуют вулканы и происходят активные геологические процессы. Водные пары в атмосфере не гарантируют океанов на поверхности, но зато являются источником кислорода. А существующий избыток кислорода является почти стопроцентной гарантией наличие жизни. Ведь мы с вами уже знаем, что кислород из неживых источников сразу же тратится на химические реакции, и для его накапливания требуется биотический источник.

На Марсе тоже есть атмосфера и даже облака

Кроме того, все газы и жидкости циркулируют по схожим химическим законам. Хотя вода и является уникальным по свойствам веществом, она не является незаменимым компонентом атмосферы. На Титане, спутнике Сатурна, существует газовая оболочка, схожая по строению с земной. В ней формируются все те же классы облаков, так же циркулирует жидкость в атмосфере — но ее температура на сотню градусов ниже, а вместо воды фигурирует метан!

А еще атмосфера оставляет ярко выраженные следы на поверхности Земли. Признаки ветровой эрозии остаются даже после того, как космический объект потеряет свою атмосферу. Сравнивая инопланетные и Земные ландшафты, можно с точностью определить их историю — так, теоретические изыскания, сделанные по спутниковым снимкам рельефа Марса, нашли свое подтверждение во время работы марсоходов.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 56667

Запись опубликована: 31.01.2016
Автор: Виталий Патинскас

«Компот» рассказал о ранней атмосфере Земли. Если бы на древней Земле была атмосфера современного типа, активное молодое Солнце с высокой вероятностью «сдуло» бы ее за довольно короткий срок — Наука

Время, за которое молодое Солнце могло уничтожить атмосферу нашей планеты, оказалось близким к 0,1 миллиона лет. По всей видимости, это означает, что атмосфера современного состава на потенциально обитаемых планетах может образоваться только после того, как звезда «успокоится». Соответствующая статья направлена на публикацию в Astronomy & Astrophysics, а с ее текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета.

Молодые быстро вращающиеся звезды излучают большое количество рентгеновского излучения и ультрафиолета. Их количество зависит от магнитного поля звезды и скорости ее вращения — у молодых звезд типа Солнца (желтые карлики) излучения в данных диапазонах намного выше, чем у того же Солнца сегодня. Это значит, что в ранней Солнечной системе УФ и рентгена в излучении звезды было много больше, чем сегодня. У красных и оранжевых карликов активные периоды значительно длиннее, чем у желтых, поэтому там период высокой активности может затянуться.

Авторы новой работы использовали ранее построенное другой группой исследователей программное обеспечение под названием «Компот» (Kompot Code), обсчитывающее, как именно такое коротковолновое излучение будет влиять на атмосферу, состоящую из газов, типичных для атмосферы Земли. Оказалось, что действительно активное Солнце окажет на планету, находящуюся на современной земной орбите, очень серьезное влияние в плане потери атмосферы: атомы (молекулы будут расщепляться от нагрева) азота, кислород и аргон будут быстро разгоняться в верхних слоях атмосферы до нескольких километров в секунду, после чего покинут планету и рассеются в космическом пространстве. По расчетам, при условии активного молодого Солнца современная земная атмосфера потеряла бы весь азот, кислород и большую часть аргона всего за 100 тысяч лет.

Совсем другая ситуация должна была сложиться для углекислого газа. Тот обладает чем-то вроде встроенной «самозащиты» от нагрева УФ и рентгеном в верхних слоях атмосферы: эта молекула при нагреве начинает быстро и эффективно излучать в  инфракрасном диапазоне. За счет этого молекула эта будет расщепляться сравнительно медленно и потеря атмосферы из углекислого газа будет протекать намного медленнее — настолько, что она сможет существовать дольше, чем длится период активности молодой звезды.

Авторы делают из этого два вывода. Во-первых, атмосфера планет земного типа у желтых карликов, включая саму Землю, в начале жизненного цикла должна либо потерять основную часть своей массы, либо состоять в основном из углекислого газа. Во-вторых, азотно-кислородная атмосфера, без которой не может существовать сложная биосфера известных нам типов, не может появиться раньше, чем звезда системы закончит действительно активно излучать в УФ-диапазоне и рентгеновском.

Это, в свою очередь, ставит вопрос о планетах в зоне обитаемости вокруг красных карликов. Дело в том, что у последних высокая активность в указанных диапазонах может длиться сотни миллионов и даже миллиарды лет. Значит ли это, что там подолгу не может образоваться атмосфера земного типа и, соответственно, сложная жизнь? Ответ на этот вопрос должны дать наблюдения за атмосферами близких к Земле планет у красных карликов. Считается, что уже в 2020-х годах их состав можно будет выяснить с помощью новейших космических телескопов.

 Иван Ортега

АТМОСФЕРА • Большая российская энциклопедия

АТМОСФЕ́РА Зем­ли (от греч. ἀτμός – пар, ис­па­ре­ние и σφαῖρα – шар), воз­душ­ная обо­лоч­ка, со­стоя­щая из ря­да га­зов и взве­шен­ных в ней час­тиц при­ме­сей – аэ­ро­зо­лей. Мас­са А. 5,157·10¹⁵ т. Столб воз­ду­ха ока­зы­ва­ет дав­ле­ние на по­верх­ность Зем­ли: ср. ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние на уров­не мо­ря 1013,25 гПа (ок. 760 мм рт. ст.). Сред­няя по гло­бу­су темп-ра воз­ду­ха у по­верх­но­сти Зем­ли 15 °C, при этом темп-ра из­ме­ня­ет­ся при­мер­но от 57 °C в суб­тро­пич. пус­ты­нях до –89 °C в Ан­тарк­ти­де. Плот­ность воз­ду­ха и дав­ле­ние убы­ва­ют с вы­со­той по за­ко­ну, близ­ко­му к экс­по­нен­ци­аль­но­му.

Строение атмосферы

Среднегодовое вертикальное распределение температуры в атмосфере.

По вер­ти­ка­ли А. име­ет слои­стую струк­ту­ру, оп­ре­де­ляе­мую гл. обр. осо­бен­но­стя­ми вер­ти­каль­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры (рис.), ко­то­рое за­ви­сит от гео­гра­фич. по­ло­же­ния, се­зо­на, вре­ме­ни су­ток и т. д. Ниж­ний слой А. – тро­по­сфе­ра – ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­де­ни­ем темп-ры с вы­со­той (при­мер­но на 6 °C на 1 км), его вы­со­та от 8–10 км в по­ляр­ных ши­ро­тах до 16–18 км в тро­пи­ках. Бла­го­да­ря бы­ст­ро­му убы­ва­нию плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той в тро­по­сфе­ре на­хо­дит­ся ок. 80% всей мас­сы А. Над тро­по­сфе­рой рас­по­ла­га­ет­ся стра­то­сфе­ра – слой, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в об­щем по­вы­ше­ни­ем темп-ры с вы­со­той. Пе­ре­ход­ный слой ме­ж­ду тро­по­сфе­рой и стра­то­сфе­рой на­зы­ва­ет­ся тро­по­пау­зой. В ниж­ней стра­то­сфе­ре до уров­ня ок. 20 км темп-ра ма­ло ме­ня­ет­ся с вы­со­той (т. н. изо­тер­мич. об­ласть) и не­ред­ко да­же не­зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Вы­ше темп-ра воз­рас­та­ет из-за по­гло­ще­ния УФ-ра­диа­ции Солн­ца озо­ном, вна­ча­ле мед­лен­но, а с уров­ня 34–36 км – бы­ст­рее. Верх­няя гра­ни­ца стра­то­сфе­ры – стра­то­пау­за – рас­по­ло­же­на на выс. 50–55 км, со­от­вет­ст­вую­щей мак­си­му­му темп-ры (260–270 К). Слой А., рас­по­ло­жен­ный на выс. 55–85 км, где темп-ра сно­ва па­да­ет с вы­со­той, на­зы­ва­ет­ся ме­зо­сфе­рой, на его верх­ней гра­ни­це – ме­зо­пау­зе – темп-ра дос­ти­га­ет ле­том 150–160 К, а зи­мой 200–230 К. Над ме­зо­пау­зой на­чи­на­ет­ся тер­мо­сфе­ра – слой, ха­рак­те­ри­зую­щий­ся бы­ст­рым по­вы­ше­ни­ем темп-ры, дос­ти­гаю­щей на выс. 250 км зна­че­ний 800–1200 К. В тер­мо­сфе­ре по­гло­ща­ет­ся кор­пус­ку­ляр­ная и рент­ге­нов­ская ра­диа­ция Солн­ца, тор­мо­зят­ся и сго­ра­ют ме­тео­ры, по­это­му она вы­пол­ня­ет функ­цию за­щит­но­го слоя Зем­ли. Ещё вы­ше на­хо­дит­ся эк­зо­сфе­ра, от­ку­да ат­мо­сфер­ные га­зы рас­сеи­ва­ют­ся в ми­ро­вое про­стран­ст­во за счёт дис­си­па­ции и где про­ис­хо­дит по­сте­пен­ный пе­ре­ход от А. к меж­пла­нет­но­му про­стран­ст­ву.

Состав атмосферы

До выс. ок. 100 км А. прак­ти­че­ски од­но­род­на по хи­мич. со­ста­ву и ср. мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха (ок. 29) в ней по­сто­ян­на. Вбли­зи по­верх­но­сти Зем­ли А. со­сто­ит из азо­та (ок. 78,1% по объёму) и ки­сло­ро­да (ок. 20,9%), а так­же со­дер­жит ма­лые ко­ли­че­ст­ва ар­го­на, ди­ок­си­да уг­ле­ро­да (уг­ле­ки­сло­го га­за), не­она и др. по­сто­ян­ных и пе­ре­мен­ных ком­по­нен­тов (см. Воз­дух).

Кро­ме то­го, А. со­дер­жит не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва озо­на, ок­си­дов азо­та, ам­миа­ка, ра­до­на и др. От­но­сит. со­дер­жа­ние осн. со­став­ляю­щих воз­ду­ха по­сто­ян­но во вре­ме­ни и од­но­род­но в раз­ных гео­гра­фич. рай­онах. Со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра и озо­на пе­ре­мен­но в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни; не­смот­ря на ма­лое со­дер­жа­ние, их роль в ат­мо­сфер­ных про­цес­сах весь­ма су­ще­ст­вен­на.

Вы­ше 100–110 км про­ис­хо­дит дис­со­циа­ция мо­ле­кул ки­сло­ро­да, уг­ле­ки­сло­го га­за и во­дя­но­го па­ра, по­это­му мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха умень­ша­ет­ся. На выс. ок. 1000 км на­чи­на­ют пре­об­ла­дать лёг­кие га­зы – ге­лий и во­до­род, а ещё вы­ше А. Зем­ли по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в меж­пла­нет­ный газ.

Наи­бо­лее важ­ная пе­ре­мен­ная ком­по­нен­та А. – во­дя­ной пар, ко­то­рый по­сту­па­ет в А. при ис­па­ре­нии с по­верх­но­сти во­ды и влаж­ной поч­вы, а так­же пу­тём транс­пи­ра­ции рас­те­ния­ми. От­но­сит. со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра ме­ня­ет­ся у зем­ной по­верх­но­сти от 2,6% в тро­пи­ках до 0,2% в по­ляр­ных ши­ро­тах. С вы­со­той оно бы­ст­ро па­да­ет, убы­вая на­по­ло­ви­ну уже на выс. 1,5–2 км. В вер­ти­каль­ном стол­бе А. в уме­рен­ных ши­ро­тах со­дер­жит­ся ок. 1,7 см «слоя оса­ж­дён­ной во­ды». При кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра об­ра­зу­ют­ся об­ла­ка, из ко­то­рых вы­па­да­ют осад­ки ат­мо­сфер­ные в ви­де до­ж­дя, гра­да, сне­га.

Важ­ной со­став­ляю­щей ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха яв­ля­ет­ся озон, со­сре­до­то­чен­ный на 90% в стра­то­сфе­ре (ме­ж­ду 10 и 50 км), ок. 10% его на­хо­дит­ся в тро­по­сфе­ре. Озон обес­пе­чи­ва­ет по­гло­ще­ние жё­ст­кой УФ-ра­диа­ции (с дли­ной вол­ны ме­нее 290 нм), и в этом – его за­щит­ная роль для био­сфе­ры. Зна­че­ния об­ще­го со­дер­жа­ния озо­на ме­ня­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от ши­ро­ты и се­зо­на в пре­де­лах от 0,22 до 0,45 см (тол­щи­на слоя озо­на при дав­ле­нии $p=$ 1 атм и темп-ре $T=$ 0 °C). В озо­но­вых ды­рах, на­блю­дае­мых вес­ной в Ан­тарк­ти­ке с нач. 1980-х гг., со­дер­жа­ние озо­на мо­жет па­дать до 0,07 см. Оно уве­ли­чи­ва­ет­ся от эк­ва­то­ра к по­лю­сам и име­ет го­до­вой ход с мак­си­му­мом вес­ной и ми­ни­му­мом осе­нью, при­чём ам­пли­ту­да го­до­во­го хо­да ма­ла в тро­пи­ках и рас­тёт к вы­со­ким ши­ро­там. Су­ще­ст­вен­ной пе­ре­мен­ной ком­по­нен­той А. яв­ля­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, со­дер­жа­ние ко­то­ро­го в ат­мо­сфе­ре за по­след­ние 200 лет вы­рос­ло на 35%, что объ­яс­ня­ет­ся в осн. ан­тро­по­ген­ным фак­то­ром. На­блю­да­ет­ся его ши­рот­ная и се­зон­ная из­мен­чи­вость, свя­зан­ная с фо­то­син­те­зом рас­те­ний и рас­тво­ри­мо­стью в мор­ской во­де (со­глас­но за­ко­ну Ген­ри, рас­тво­ри­мость га­за в во­де умень­ша­ет­ся с рос­том её темп-ры).

Важ­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии кли­ма­та пла­не­ты иг­ра­ет ат­мо­сфер­ный аэ­ро­золь – взве­шен­ные в воз­ду­хе твёр­дые и жид­кие час­ти­цы раз­ме­ром от не­сколь­ких нм до де­сят­ков мкм. Раз­ли­ча­ют­ся аэ­ро­зо­ли ес­те­ст­вен­но­го и ан­тро­по­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния. Аэ­ро­золь об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се га­зо­фаз­ных ре­ак­ций из про­дук­тов жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний и хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, вул­ка­нич. из­вер­же­ний, в результате подъ­ё­ма пы­ли вет­ром с по­верх­но­сти пла­не­ты, осо­бен­но с её пус­тын­ных ре­гио­нов, а так­же об­ра­зу­ет­ся из кос­мич. пы­ли, по­па­даю­щей в верх­ние слои А. Бóльшая часть аэ­ро­зо­ля со­сре­до­то­че­на в тро­по­сфе­ре, аэ­ро­золь от вул­ка­нич. из­вер­же­ний об­ра­зу­ет т. н. слой Юн­ге на выс. ок. 20 км. Наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во ан­тро­по­ген­но­го аэ­ро­зо­ля по­па­да­ет в А. в ре­зуль­та­те ра­бо­ты ав­то­транс­пор­та и ТЭЦ, хи­мич. про­из­водств, сжи­га­ния то­п­ли­ва и др. Поэтому в не­ко­то­рых рай­онах со­став А. за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от обыч­но­го воз­ду­ха, что по­тре­бо­ва­ло соз­да­ния спец. служ­бы на­блю­де­ний и кон­тро­ля за уров­нем за­гряз­не­ния ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Эволюция атмосферы

Совр. А. име­ет, по-ви­ди­мо­му, вто­рич­ное про­ис­хо­ж­де­ние: она об­ра­зо­ва­лась из га­зов, вы­де­лен­ных твёр­дой обо­лоч­кой Зем­ли по­сле за­вер­ше­ния фор­ми­ро­ва­ния пла­не­ты ок. 4,5 млрд. лет на­зад. В те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии Зем­ли А. пре­тер­пе­ва­ла зна­чит. из­ме­не­ния сво­его со­ста­ва под влия­ни­ем ря­да фак­то­ров: дис­си­па­ции (уле­ту­чи­ва­ния) га­зов, пре­им. бо­лее лёг­ких, в кос­мич. про­стран­ст­во; вы­де­ле­ния га­зов из ли­то­сфе­ры в ре­зуль­та­те вул­ка­нич. дея­тель­но­сти; хи­мич. ре­ак­ций ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми А. и по­ро­да­ми, сла­гаю­щи­ми зем­ную ко­ру; фо­то­хи­мич. ре­ак­ций в са­мой А. под влия­ни­ем сол­неч­но­го УФ-из­лу­че­ния; ак­кре­ции (за­хва­та) ма­те­рии меж­пла­нет­ной сре­ды (напр., ме­те­ор­но­го ве­ще­ст­ва). Раз­ви­тие А. тес­но свя­за­но с гео­ло­гич. и гео­хи­мич. про­цес­са­ми, а по­след­ние 3–4 млрд. лет так­же с дея­тель­но­стью био­сфе­ры. Зна­чит. часть га­зов, со­став­ляю­щих совр. А. (азот, уг­ле­кис­лый газ, во­дя­ной пар), воз­ник­ла в хо­де вул­ка­нич. дея­тель­но­сти и ин­тру­зии, вы­но­сив­шей их из глу­бин Зем­ли. Ки­сло­род поя­вил­ся в за­мет­ных ко­ли­че­ст­вах ок. 2 млрд. лет то­му на­зад как ре­зуль­тат дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов, пер­во­на­чаль­но за­ро­див­ших­ся в по­верх­но­ст­ных во­дах океа­на.

По дан­ным о хи­мич. со­ста­ве кар­бо­нат­ных от­ло­же­ний по­лу­че­ны оцен­ки ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за и ки­сло­ро­да в А. гео­ло­ги­чес­ко­го про­шло­го. На про­тя­же­нии фа­не­ро­зоя (по­след­ние 570 млн. лет ис­то­рии Зем­ли) ко­ли­че­ст­во уг­ле­ки­с­ло­го га­за в А. из­ме­ня­лось в ши­ро­ких пре­де­лах в со­от­вет­ст­вии с уров­нем вул­ка­нич. ак­тив­но­сти, темп-рой океа­на и уров­нем фо­то­син­те­за. Боль­шую часть это­го вре­ме­ни кон­цен­тра­ция уг­ле­ки­сло­го га­за в А. бы­ла зна­чи­тель­но вы­ше со­вре­мен­ной (до 10 раз). Ко­ли­че­ст­во ки­с­ло­ро­да в А. фа­не­ро­зоя су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­лось, при­чём пре­об­ла­да­ла тен­ден­ция к его уве­ли­че­нию. В А. до­кем­брия мас­са уг­ле­ки­сло­го га­за бы­ла, как пра­ви­ло, боль­ше, а мас­са ки­сло­ро­да – мень­ше по срав­не­нию с А. фа­не­ро­зоя. Ко­ле­ба­ния ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за ока­зы­ва­ли в про­шлом су­ще­ст­вен­ное влия­ние на кли­мат, уси­ли­вая пар­ни­ко­вый эф­фект при рос­те кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за, бла­го­да­ря че­му кли­мат на про­тя­же­нии осн. час­ти фа­не­ро­зоя был го­раз­до те­п­лее по срав­не­нию с совр. эпо­хой.

Атмосфера и жизнь

Без А. Зем­ля бы­ла бы мёрт­вой пла­не­той. Ор­га­нич. жизнь про­те­ка­ет в тес­ном взаи­мо­дей­ст­вии с А. и свя­зан­ны­ми с ней кли­ма­том и по­го­дой. Не­зна­чи­тель­ная по мас­се по срав­не­нию с пла­не­той в це­лом (при­мер­но мил­ли­он­ная часть), А. яв­ля­ет­ся не­пре­мен­ным ус­ло­ви­ем для всех форм жиз­ни. Наи­боль­шее зна­че­ние из ат­мо­сфер­ных га­зов для жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов име­ют ки­сло­род, азот, во­дя­ной пар, уг­ле­кис­лый газ, озон. При по­гло­ще­нии уг­ле­ки­сло­го га­за фо­то­син­те­зи­рую­щи­ми рас­те­ния­ми соз­да­ёт­ся ор­га­нич. ве­ще­ст­во, ис­поль­зуе­мое как ис­точ­ник энер­гии по­дав­ляю­щим боль­шин­ст­вом жи­вых су­ществ, вклю­чая че­ло­ве­ка. Кис­лород не­об­хо­дим для су­ще­ст­во­ва­ния аэроб­ных ор­га­низ­мов, для ко­то­рых при­ток энер­гии обес­пе­чи­ва­ет­ся ре­ак­ция­ми окис­ле­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Азот, ус­ваи­вае­мый не­ко­то­ры­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми (азо­то­фик­са­то­ра­ми), не­об­хо­дим для ми­нер. пи­та­ния рас­те­ний. Озон, по­гло­щаю­щий жё­ст­кое УФ-из­лу­че­ние Солн­ца, зна­чи­тель­но ос­лаб­ля­ет эту вред­ную для жиз­ни часть сол­неч­ной ра­диа­ции. Кон­ден­са­ция во­дя­но­го па­ра в А., об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и по­сле­дую­щее вы­па­де­ние ат­мо­сфер­ных осад­ков по­став­ля­ют на су­шу во­ду, без ко­то­рой не­воз­мож­ны ни­ка­кие фор­мы жиз­ни. Жиз­не­дея­тель­ность ор­га­низ­мов в гид­ро­сфе­ре во мно­гом оп­ре­де­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вом и хи­мич. со­ста­вом ат­мо­сфер­ных га­зов, рас­тво­рён­ных в во­де. По­сколь­ку хи­мич. со­став А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов, био­сфе­ру и А. мож­но рас­смат­ри­вать как часть еди­ной сис­те­мы, под­дер­жа­ние и эво­лю­ция ко­то­рой (см. Био­гео­хи­ми­че­ские цик­лы) име­ла боль­шое зна­че­ние для из­ме­не­ния со­ста­ва А. на про­тя­же­нии ис­то­рии Зем­ли как пла­не­ты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы

Сол­неч­ная ра­диа­ция яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски единств. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех фи­зич. про­цес­сов в А. Глав­ная осо­бен­ность ра­ди­ац. ре­жи­ма А. – т. н. пар­ни­ко­вый эф­фект: А. дос­та­точ­но хо­ро­шо про­пус­ка­ет к зем­ной по­верх­но­сти сол­неч­ную ра­диа­цию, но ак­тив­но по­гло­ща­ет те­п­ло­вое длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние зем­ной по­верх­но­сти, часть ко­то­ро­го воз­вра­ща­ет­ся к по­верх­но­сти в фор­ме встреч­но­го из­лу­че­ния, ком­пен­си­рую­ще­го ра­ди­ац. по­те­рю те­п­ла зем­ной по­верх­но­стью (см. Ат­мос­фер­ное из­лу­че­ние). В от­сут­ст­вие А. ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти бы­ла бы –18 °C, в дей­ст­ви­тель­но­сти она 15 °C. При­хо­дя­щая сол­неч­ная ра­диа­ция час­тич­но (ок. 20%) по­гло­ща­ет­ся в А. (гл. обр. во­дя­ным па­ром, ка­п­ля­ми во­ды, уг­ле­кис­лым га­зом, озо­ном и аэ­ро­зо­ля­ми), а так­же рас­сеи­ва­ет­ся (ок. 7%) на час­ти­цах аэ­ро­зо­ля и флук­туа­ци­ях плот­но­сти (рэ­ле­ев­ское рас­сея­ние). Сум­мар­ная ра­диа­ция, дос­ти­гая зем­ной по­верх­но­сти, час­тич­но (ок. 23%) от­ра­жа­ет­ся от неё. Ко­эф. от­ра­же­ния оп­ре­де­ля­ет­ся от­ра­жат. спо­соб­но­стью под­сти­лаю­щей по­верх­но­сти, т. н. аль­бе­до. В сред­нем аль­бе­до Зем­ли для ин­те­граль­но­го по­то­ка сол­неч­ной ра­диа­ции близ­ко к 30%. Оно ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких про­цен­тов (су­хая поч­ва и чер­но­зём) до 70–90% для свеже­вы­пав­ше­го сне­га. Ра­ди­ац. те­п­ло­об­мен ме­ж­ду зем­ной по­верх­но­стью и А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от аль­бе­до и оп­ре­де­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным из­лу­че­ни­ем по­верх­но­сти Зем­ли и по­гло­щён­ным ею про­ти­во­из­лу­че­ни­ем А. Ал­геб­ра­ич. сум­ма по­то­ков ра­диа­ции, вхо­дя­щих в зем­ную ат­мо­сфе­ру из кос­мич. про­стран­ст­ва и ухо­дя­щих из неё об­рат­но, на­зы­ва­ет­ся ра­диа­ци­он­ным ба­лан­сом.

Пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной ра­диа­ции по­сле её по­гло­ще­ния А. и зем­ной по­верх­но­стью оп­ре­де­ля­ют те­п­ло­вой ба­ланс Зем­ли как пла­не­ты. Гл. ис­точ­ник те­п­ла для А. – зем­ная по­верх­ность; те­п­ло­та от неё пе­ре­да­ёт­ся не толь­ко в ви­де длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния, но и пу­тём кон­век­ции, а так­же вы­де­ля­ет­ся при кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра. До­ли этих при­то­ков те­п­ло­ты рав­ны в ср. 20%, 7% и 23% со­от­вет­ст­вен­но. Сю­да же до­бав­ля­ет­ся ок. 20% те­п­ло­ты за счёт по­гло­ще­ния пря­мой сол­неч­ной ра­диа­ции. По­ток сол­неч­ной ра­диа­ции за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную сол­неч­ным лу­чам и рас­по­ло­жен­ную вне А. на ср. рас­стоя­нии от Зем­ли до Солн­ца (т. н. сол­неч­ная по­сто­ян­ная), ра­вен 1367 Вт/м², из­ме­не­ния со­став­ля­ют 1–2 Вт/м² в за­ви­си­мо­сти от цик­ла сол­неч­ной ак­тив­но­сти. При пла­не­тар­ном аль­бе­до ок. 30% средний по вре­ме­ни гло­баль­ный при­ток сол­неч­ной энер­гии к пла­не­те со­став­ля­ет 239 Вт/м². По­сколь­ку Зем­ля как пла­не­та ис­пус­ка­ет в кос­мос в сред­нем та­кое же ко­ли­че­ст­во энер­гии, то, со­глас­но за­ко­ну Сте­фа­на – Больц­ма­на, эф­фек­тив­ная темп-ра ухо­дя­ще­го те­п­ло­во­го длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния 255 К (–18 °C). В то же вре­мя ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти со­став­ля­ет 15 °C. Раз­ни­ца в 33 °C воз­ни­ка­ет за счёт пар­ни­ко­во­го эф­фек­та.

Вод­ный ба­ланс А. в це­лом со­от­вет­ст­ву­ет ра­вен­ст­ву ко­ли­че­ст­ва вла­ги, ис­па­рив­шей­ся с по­верх­но­сти Зем­ли, ко­ли­че­ст­ву осад­ков, вы­па­даю­щих на зем­ную по­верх­ность. А. над океа­на­ми по­лу­ча­ет боль­ше вла­ги от про­цес­сов ис­па­ре­ния, чем над су­шей, а те­ря­ет в ви­де осад­ков 90%. Из­бы­ток во­дя­но­го па­ра над океа­на­ми пе­ре­но­сит­ся на кон­ти­нен­ты воз­душ­ны­ми по­то­ка­ми. Ко­ли­че­ст­во во­дя­но­го па­ра, пе­ре­но­си­мо­го в А. с океа­нов на кон­ти­нен­ты, рав­но объ­ё­му сто­ка рек, впа­даю­щих в океа­ны.

Движение воздуха

Фотография участка атмосферы с атмосферным вихрем(снимок сделан со спутника).

Зем­ля име­ет ша­ро­об­раз­ную фор­му, по­это­му к её вы­со­ким ши­ро­там при­хо­дит го­раз­до мень­ше сол­неч­ной ра­диа­ции, чем к тро­пи­кам. Вслед­ст­вие это­го ме­ж­ду ши­ро­та­ми воз­ни­ка­ют боль­шие тем­пе­ра­тур­ные кон­т­расты. На рас­пре­де­ле­ние темп-ры в су­ще­ст­вен­ной ме­ре влия­ет так­же вза­им­ное рас­по­ло­же­ние океа­нов и кон­ти­нен­тов. Из-за боль­шой мас­сы океа­нич. вод и вы­со­кой те­п­ло­ём­ко­сти во­ды се­зон­ные ко­ле­ба­ния темп-ры по­верх­но­сти океа­на зна­чи­тель­но мень­ше, чем су­ши. В свя­зи с этим в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха над океа­на­ми ле­том за­мет­но ни­же, чем над кон­ти­нен­та­ми, а зи­мой – вы­ше.

Не­оди­на­ко­вый ра­зо­грев А. в раз­ных об­лас­тях зем­но­го ша­ра вы­зы­ва­ет не­од­но­род­ное по про­стран­ст­ву рас­пре­де­ле­ние ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. На уров­не мо­ря рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­си­тель­но низ­ки­ми зна­че­ния­ми вбли­зи эк­ва­то­ра, уве­ли­че­ни­ем в суб­тро­пи­ках (по­ясá вы­со­ко­го дав­ле­ния) и по­ни­же­ни­ем в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. При этом над ма­те­ри­ка­ми вне­тро­пич. ши­рот дав­ле­ние зи­мой обыч­но по­вы­ше­но, а ле­том по­ни­же­но, что свя­за­но с рас­пре­де­ле­ни­ем темп-ры. Под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та дав­ле­ния воз­дух ис­пы­ты­ва­ет ус­ко­ре­ние, на­прав­лен­ное от об­лас­тей с вы­со­ким дав­ле­ни­ем к об­лас­тям с низ­ким, что при­во­дит к пе­ре­ме­ще­нию масс воз­ду­ха. На дви­жу­щие­ся воз­душ­ные мас­сы дей­ст­ву­ют так­же от­кло­няю­щая си­ла вра­ще­ния Зем­ли (си­ла Ко­рио­ли­са), си­ла тре­ния, убы­ваю­щая с вы­со­той, а при кри­во­ли­ней­ных тра­ек­то­ри­ях и цен­тро­беж­ная си­ла. Боль­шое зна­че­ние име­ет тур­бу­лент­ное пе­ре­ме­ши­ва­ние воз­ду­ха (см. Тур­бу­лент­ность в ат­мос­фе­ре).

С пла­не­тар­ным рас­пре­де­ле­ни­ем дав­ле­ния свя­за­на слож­ная сис­те­ма воз­душ­ных те­че­ний (об­щая цир­ку­ля­ция ат­мо­сфе­ры). В ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти в сред­нем про­сле­жи­ва­ют­ся две или три ячей­ки ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции. Вбли­зи эк­ва­то­ра на­гре­тый воз­дух под­ни­ма­ет­ся и опус­ка­ет­ся в суб­тро­пи­ках, об­ра­зуя ячей­ку Хэд­ли. Там же опус­ка­ет­ся воз­дух об­рат­ной ячей­ки Фер­ре­ла. В вы­со­ких ши­ро­тах час­то про­сле­жи­ва­ет­ся пря­мая по­ляр­ная ячей­ка. Ско­ро­сти ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции по­ряд­ка 1 м/с или мень­ше. Из-за дей­ст­вия си­лы Ко­рио­ли­са в боль­шей час­ти А. на­блю­да­ют­ся зап. вет­ры со ско­ро­стя­ми в сред­ней тро­по­сфе­ре ок. 15 м/с. Су­ще­ст­ву­ют срав­ни­тель­но ус­той­чи­вые сис­те­мы вет­ров. К ним от­но­сят­ся пас­са­ты – вет­ры, дую­щие от поя­сов вы­со­ко­го дав­ле­ния в суб­тро­пи­ках к эк­ва­то­ру с за­мет­ной вост. со­став­ляю­щей (с во­сто­ка на за­пад). Дос­та­точ­но ус­той­чи­вы мус­соны – воз­душ­ные те­че­ния, имею­щие чёт­ко вы­ра­жен­ный се­зон­ный ха­рак­тер: они ду­ют с океа­на на ма­те­рик ле­том и в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии зи­мой. Осо­бен­но ре­гу­ляр­ны мус­со­ны Ин­дий­ско­го ок. В сред­них ши­ро­тах дви­же­ние воз­душ­ных масс име­ет в осн. зап. на­прав­ле­ние (с за­па­да на вос­ток). Это зо­на атмо­сфер­ных фрон­тов, на ко­то­рых воз­ни­ка­ют круп­ные вих­ри – ци­кло­ны и ан­ти­ци­кло­ны, ох­ва­ты­ваю­щие мн. сот­ни и да­же ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. Ци­кло­ны воз­ни­ка­ют и в тро­пи­ках; здесь они от­ли­ча­ют­ся мень­ши­ми раз­ме­ра­ми, но очень боль­ши­ми ско­ро­стя­ми вет­ра, дос­ти­гаю­ще­го ура­ган­ной си­лы (33 м/с и бо­лее), т. н. тро­пи­че­ские ци­кло­ны. В Ат­лан­ти­ке и на вос­то­ке Ти­хо­го ок. они на­зы­вают­ся ура­га­на­ми, а на за­па­де Ти­хо­го ок. – тай­фу­на­ми. В верх­ней тро­по­сфе­ре и ниж­ней стра­то­сфе­ре в об­лас­тях, раз­де­ляю­щих пря­мую ячей­ку ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции Хэд­ли и об­рат­ную ячей­ку Фер­ре­ла, час­то на­блю­да­ют­ся срав­ни­тель­но уз­кие, в сот­ни ки­ло­мет­ров ши­ри­ной, струй­ные те­че­ния с рез­ко очер­чен­ны­ми гра­ни­ца­ми, в пре­де­лах ко­то­рых ве­тер дос­ти­га­ет 100–150 и да­же 200 м/с.

Климат и погода

Раз­ли­чие в ко­ли­че­ст­ве сол­неч­ной ра­диа­ции, при­хо­дя­щей на раз­ных ши­ро­тах к раз­но­об­раз­ной по фи­зич. свой­ст­вам зем­ной по­верх­но­сти, оп­ре­де­ля­ет мно­го­об­ра­зие кли­ма­тов Зем­ли. От эк­ва­то­ра до тро­пич. ши­рот темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в ср. 25–30 °C и ма­ло ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да. В эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се обыч­но вы­па­да­ет мно­го осад­ков, что соз­да­ёт там ус­ло­вия из­бы­точ­но­го ув­лаж­не­ния. В тро­пич. поя­сах ко­ли­че­ст­во осад­ков умень­ша­ет­ся и в ря­де об­лас­тей ста­но­вит­ся очень ма­лым. Здесь рас­по­ла­га­ют­ся об­шир­ные пус­ты­ни Зем­ли.

В суб­тро­пич. и сред­них ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха зна­чи­тель­но ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да, при­чём раз­ни­ца ме­ж­ду темп-ра­ми ле­та и зи­мы осо­бен­но ве­ли­ка в уда­лён­ных от океа­нов об­лас­тях кон­ти­нен­тов. Так, в не­ко­то­рых рай­онах Вост. Си­би­ри го­до­вая ам­пли­ту­да темп-ры воз­ду­ха дос­ти­га­ет 65 °C. Ус­ло­вия ув­лаж­не­ния в этих ши­ро­тах весь­ма раз­но­об­раз­ны, за­ви­сят в осн. от ре­жи­ма об­щей цир­ку­ля­ции А. и су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся от го­да к го­ду.

В по­ляр­ных ши­ро­тах темп-ра ос­та­ёт­ся низ­кой в те­че­ние все­го го­да, да­же при на­ли­чии её за­мет­но­го се­зон­но­го хо­да. Это спо­соб­ст­ву­ет ши­ро­ко­му рас­про­стра­не­нию ле­до­во­го по­кро­ва на океа­нах и су­ше и мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род, за­ни­маю­щих в Рос­сии св. 65% её пло­ща­ди, в осн. в Си­би­ри.

За по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ста­ли всё бо­лее за­мет­ны из­ме­не­ния гло­баль­но­го кли­ма­та. Темп-ра по­вы­ша­ет­ся боль­ше в вы­со­ких ши­ро­тах, чем в низ­ких; боль­ше зи­мой, чем ле­том; боль­ше но­чью, чем днём. За 20 в. ср.-го­до­вая темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в Рос­сии вы­рос­ла на 1,5–2 °C, при­чём в отд. рай­онах Си­би­ри на­блю­да­ет­ся по­вы­ше­ние на неск. гра­ду­сов. Это свя­зы­ва­ет­ся с уси­ле­ни­ем пар­ни­ко­во­го эф­фек­та вслед­ст­вие рос­та кон­цен­тра­ции ма­лых га­зо­вых при­ме­сей.

По­го­да оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми цир­ку­ля­ции А. и гео­гра­фич. по­ло­же­ни­ем ме­ст­но­сти, она наи­бо­лее ус­той­чи­ва в тро­пи­ках и наи­бо­лее из­мен­чи­ва в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. Бо­лее все­го по­го­да ме­ня­ет­ся в зо­нах сме­ны воз­душ­ных масс, обу­слов­лен­ных про­хо­ж­де­ни­ем ат­мо­сфер­ных фрон­тов, ци­кло­нов и ан­ти­ци­кло­нов, не­су­щих осад­ки и уси­ле­ние вет­ра. Дан­ные для про­гно­за по­го­ды со­би­ра­ют­ся на на­зем­ных ме­тео­стан­ци­ях, мор­ских и воз­душ­ных су­дах, с ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков. См. так­же Ме­тео­ро­ло­гия.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере

При рас­про­стра­не­нии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. в ре­зуль­та­те реф­рак­ции, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та воз­ду­хом и разл. час­ти­ца­ми (аэ­ро­золь, кри­стал­лы льда, ка­п­ли во­ды) воз­ни­ка­ют раз­но­об­раз­ные оп­тич. яв­ле­ния: ра­ду­га, вен­цы, га­ло, ми­раж и др. Рас­сея­ние све­та обу­слов­ли­ва­ет ви­ди­мую вы­со­ту не­бес­но­го сво­да и го­лу­бой цвет не­ба. Даль­ность ви­ди­мо­сти пред­ме­тов оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми рас­про­стра­не­ния све­та в А. (см. Ат­мо­сфер­ная ви­ди­мость). От про­зрач­но­сти А. на разл. дли­нах волн за­ви­сят даль­ность свя­зи и воз­мож­ность об­на­ру­же­ния объ­ек­тов при­бо­ра­ми, в т. ч. воз­мож­ность ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний с по­верх­но­сти Зем­ли. Для ис­сле­до­ва­ний оп­тич. не­од­но­род­но­стей стра­то­сфе­ры и ме­зо­сфе­ры важ­ную роль иг­ра­ет яв­ле­ние су­ме­рек. Напр., фо­то­гра­фи­ро­ва­ние су­ме­рек с кос­мич. ап­па­ра­тов по­зво­ля­ет об­на­ру­жи­вать аэ­ро­золь­ные слои. Осо­бен­но­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. оп­ре­де­ля­ют точ­ность ме­то­дов дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния её па­ра­мет­ров. Все эти во­про­сы, как и мн. дру­гие, изу­ча­ет ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка. Реф­рак­ция и рас­сея­ние ра­дио­волн обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­но­сти ра­дио­приё­ма (см. Рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в А. за­ви­сит от про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры и ско­ро­сти вет­ра (см. Ат­мо­сфер­ная аку­сти­ка). Оно пред­став­ля­ет ин­те­рес для зон­ди­ро­ва­ния А. дис­танц. ме­то­да­ми. Взры­вы за­ря­дов, за­пус­кае­мых ра­ке­та­ми в верх­нюю А., да­ли бо­га­тую ин­фор­ма­цию о сис­те­мах вет­ров и хо­де темп-ры в стра­то­сфе­ре и ме­зо­сфе­ре. В ус­той­чи­во стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной А., ко­гда темп-ра па­да­ет с вы­со­той мед­лен­нее адиа­ба­ти­че­ско­го гра­ди­ен­та (9,8 К/км), воз­ни­ка­ют т. н. внут­рен­ние вол­ны. Эти вол­ны мо­гут рас­про­стра­нять­ся вверх в стра­то­сфе­ру и да­же в ме­зо­сфе­ру, где они за­ту­ха­ют, спо­соб­ст­вуя уси­ле­нию вет­ра и тур­бу­лент­но­сти.

От­ри­ца­тель­ный за­ряд Зем­ли и обу­с­лов­лен­ное им элек­трич. по­ле А. вме­сте с элек­три­че­ски за­ря­жен­ны­ми ио­но­сфе­рой и маг­ни­то­сфе­рой соз­да­ют гло­баль­ную элек­трич. цепь. Важ­ную роль при этом иг­ра­ет об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и гро­зо­во­го элек­три­че­ст­ва. Опас­ность гро­зо­вых раз­ря­дов вы­зва­ла не­об­хо­ди­мость раз­ра­бот­ки ме­то­дов гро­зо­за­щи­ты зда­ний, со­ору­же­ний, ли­ний элек­тро­пе­ре­дач и свя­зи. Осо­бую опас­ность это яв­ле­ние пред­став­ля­ет для авиа­ции. Гро­зо­вые раз­ря­ды вы­зы­ва­ют ат­мо­сфер­ные ра­дио­по­ме­хи, по­лу­чив­шие назв. ат­мо­сфе­ри­ков (см. Сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки). Во вре­мя рез­ко­го уве­ли­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля на­блю­да­ют­ся све­тя­щие­ся раз­ря­ды, воз­ни­каю­щие на ост­ри­ях и ост­рых уг­лах пред­ме­тов, вы­сту­паю­щих над зем­ной по­верх­но­стью, на отд. вер­ши­нах в го­рах и др. (Эль­ма ог­ни). А. все­гда со­дер­жит силь­но ме­няю­ще­еся в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий ко­ли­че­ст­во лёг­ких и тя­жё­лых ио­нов, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют элек­трич. про­во­ди­мость А. Глав­ные ио­ни­за­то­ры воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти – из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих­ся в зем­ной ко­ре и в А., а так­же кос­мич. лу­чи. См. так­же Ат­мо­сфер­ное элек­три­чест­во.

Влияние человека на атмосферу

В те­че­ние по­след­них сто­ле­тий про­ис­хо­дил рост кон­цен­тра­ции пар­ни­ко­вых га­зов в А. вслед­ст­вие хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка. Про­цент­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ки­сло­го га­за воз­рос­ло с 2,86 10^–2 две­сти лет на­зад до 3,8·10^–2 в 2005, со­дер­жа­ние ме­та­на – с 0,7· 10^–4 при­мер­но 300–400 лет на­зад до 1,8·10^–4 в нач. 21 в.; ок. 20% в при­рост пар­ни­ко­во­го эф­фек­та за по­след­нее сто­ле­тие да­ли фре­о­ны, ко­то­рых прак­ти­че­ски не бы­ло в А. до сер. 20 в. Эти ве­ще­ст­ва при­зна­ны раз­ру­ши­те­ля­ми стра­то­сфер­но­го озо­на, и их про­изводство за­пре­ще­но Мон­ре­аль­ским про­то­ко­лом 1987. Рост кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за в А. вы­зван сжи­га­ни­ем всё воз­рас­таю­щих ко­ли­честв уг­ля, неф­ти, га­за и др. ви­дов уг­ле­род­но­го то­п­ли­ва, а так­же све­де́­ни­ем ле­сов, в ре­зуль­та­те че­го умень­ша­ет­ся по­гло­ще­ние уг­ле­ки­сло­го га­за пу­тём фо­то­син­те­за. Кон­цен­тра­ция ме­та­на уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том до­бы­чи неф­ти и га­за (за счёт его по­терь), а так­же при рас­ши­ре­нии по­се­вов ри­са и уве­ли­че­нии по­го­ло­вья круп­но­го ро­га­то­го ско­та. Всё это спо­соб­ст­ву­ет по­те­п­ле­нию кли­ма­та.

Для из­ме­не­ния по­го­ды раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ак­тив­но­го воз­дей­ст­вия на ат­мо­сфер­ные про­цес­сы. Они при­ме­ня­ют­ся для за­щи­ты с.-х. рас­те­ний от гра­до­би­тия пу­тём рас­сеи­ва­ния в гро­зо­вых об­ла­ках спец. реа­ген­тов. Су­ще­ст­ву­ют так­же ме­то­ды рас­сея­ния ту­ма­нов в аэ­ро­пор­тах, за­щи­ты рас­те­ний от за­мо­роз­ков, воз­дей­ст­вия на об­ла­ка с це­лью уве­ли­че­ния осад­ков в нуж­ных мес­тах или для рас­сея­ния об­ла­ков в мо­мен­ты мас­со­вых ме­ро­прия­тий.

Изучение атмосферы

Све­де­ния о фи­зич. про­цес­сах в А. по­лу­ча­ют пре­ж­де все­го из ме­тео­ро­ло­гических на­блю­де­ний, ко­то­рые про­во­дят­ся гло­баль­ной се­тью по­сто­ян­но дей­ст­вую­щих ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций и по­стов, рас­по­ло­жен­ных на всех кон­ти­нен­тах и на мн. ост­ро­вах. Еже­днев­ные на­блю­де­ния да­ют све­де­ния о темп-ре и влаж­но­сти воз­ду­ха, ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и осад­ках, об­лач­но­сти, вет­ре и др. На­блю­де­ния за сол­неч­ной ра­диа­ци­ей и её пре­об­ра­зо­ва­ния­ми про­во­дят­ся на ак­ти­но­мет­рич. стан­ци­ях. Боль­шое зна­че­ние для изу­че­ния А. име­ют се­ти аэ­ро­ло­гич. стан­ций, на ко­то­рых при по­мо­щи ра­дио­зон­дов вы­пол­ня­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич. из­ме­ре­ния до выс. 30–35 км. На ря­де стан­ций про­во­дят­ся на­блю­де­ния за ат­мо­сфер­ным озо­ном, элек­трич. яв­ле­ния­ми в А., хи­мич. со­ста­вом воз­ду­ха.

Дан­ные на­зем­ных стан­ций до­пол­ня­ют­ся на­блю­де­ния­ми на океа­нах, где дей­ст­ву­ют «су­да по­го­ды», по­сто­ян­но на­хо­дя­щие­ся в оп­ре­де­лён­ных рай­онах Ми­ро­во­го ок., а так­же ме­тео­ро­ло­гич. све­де­ния­ми, по­лу­чае­мы­ми с н.-и. и др. су­дов.

Всё боль­ший объ­ём све­де­ний об А. в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия по­лу­ча­ют с по­мо­щью ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны при­бо­ры для фо­тогра­фи­ро­ва­ния об­ла­ков и из­ме­ре­ния по­то­ков ульт­ра­фио­ле­то­вой, ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции Солн­ца. Спут­ни­ки по­зво­ля­ют по­лу­чать све­де­ния о вер­ти­каль­ных про­фи­лях темп-ры, об­лач­но­сти и её во­до­за­па­се, эле­мен­тах ра­ди­ац. ба­лан­са А., о темп-ре по­верх­но­сти океа­на и др. Ис­поль­зуя из­ме­ре­ния реф­рак­ции ра­дио­сиг­на­лов с сис­те­мы на­ви­гац. спут­ни­ков, уда­ёт­ся оп­ре­де­лять в А. вер­ти­каль­ные про­фи­ли плот­но­сти, дав­ле­ния и темп-ры, а так­же вла­го­со­дер­жа­ния. С по­мо­щью спут­ни­ков ста­ло воз­мож­ным уточ­нить ве­ли­чи­ну сол­неч­ной по­сто­ян­ной и пла­не­тар­но­го аль­бе­до Зем­ли, стро­ить кар­ты ра­ди­ац. ба­лан­са сис­те­мы Зем­ля – А., из­ме­рять со­дер­жа­ние и из­мен­чи­вость ма­лых ат­мо­сфер­ных при­ме­сей, ре­шать мн. др. за­да­чи фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры и мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды.

Атмосфера планеты звенит как гигантский колокол. Чем это грозит людям

https://ria.ru/20200831/atmosfera-1576430605.html

Атмосфера планеты звенит как гигантский колокол. Чем это грозит людям

Атмосфера планеты звенит как гигантский колокол. Чем это грозит людям

Атмосфера Земли вибрирует, подобно гигантскому колоколу: волны распространяются вдоль экватора в обоих направлениях, опоясывая земной шар. К такому выводу… РИА Новости, 31.08.2020

2020-08-31T08:00

2020-08-31T08:00

2020-08-31T13:40

наука

погода

климат

физика

земля — риа наука

антарктида

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn21.img.ria.ru/images/07e4/08/1b/1576394384_59:0:1942:1059_1920x0_80_0_0_138a91891e8057682a1520ba479cf5e2.jpg

МОСКВА, 31 авг — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Атмосфера Земли вибрирует, подобно гигантскому колоколу: волны распространяются вдоль экватора в обоих направлениях, опоясывая земной шар. К такому выводу пришли ученые из Японии и США, подтвердив давнюю гипотезу об атмосферном резонансе. Что это за феномен и можно ли на его основе предсказывать погоду и долгосрочные изменения климата — в материале РИА Новости.Волны ЛапласаВ начале XIX века французский физик и математик Пьер-Симон Лаплас сравнил атмосферу Земли с огромным океаном, покрывающим планету, и вывел формулы, известные сегодня как приливные уравнения Лапласа и используемые в расчетах при составлении прогнозов погоды.Лаплас полагал, что в атмосфере есть свои приливы и отливы, а также волны воздушных масс и тепловой энергии. Среди прочего он упоминал вертикальные колебания у поверхности Земли, распространяющиеся в горизонтальном направлении, которые можно зафиксировать по изменениям приземного давления.Атмосферные тепловые приливы, связанные с вращением Земли, геофизики давно обнаружили. Однако горизонтальные волны не удавалось зафиксировать. И теперь понятно, почему.Как выяснили Такатоши Саказаки из Высшей школы науки Киотского университета и Кевин Гамильтон, профессор Международного тихоокеанского исследовательского центра Гавайского университета в Маноа, у волн Лапласа очень большие масштабы — они охватывают чуть ли не целые полушария — и очень короткие периоды, меньше суток. Поэтому их упускали из виду и при исследовании локальных атмосферных явлений, таких как грозы, и при изучении крупных, но длительных перемещений воздушных масс.»Шахматная доска» ЗемлиАвторы исследования проанализировали данные Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) за 38 лет — с 1979 по 2016 год включительно, в том числе почасовые изменения приземного атмосферного давления по всей поверхности планеты. В результате выявили десятки ранее неизвестных волновых режимов — систем гармонических колебаний, которые ученые называют модами.Особенно исследователей заинтересовали волны с короткими периодами от двух до 33 часов, распространяющиеся горизонтально в атмосфере вокруг земного шара с огромной скоростью — более 1100 километров в час.Зоны высокого и низкого давления, связанные с этими волнами, создают на карте характерный узор «шахматной доски», который, однако, различается для каждой из четырех основных мод — волн Кельвина, Россби, гравитационных и комбинации двух последних.Воздушный колоколОказалось, что атмосфера Земли похожа на звенящий колокол, когда на основной низкочастотный фон накладываются высокие обертоны. Именно это сочетание глубокого фонового звука с тонкими переливами делает колокольный звон таким приятным.Только «музыка» Земли — это не звук, а волны атмосферного давления, охватывающие весь земной шар. Каждая из четырех основных мод — это резонанс атмосферы по аналогии с резонансами колокола. При этом низкочастотные волны Кельвина распространяются с востока на запад, а остальные — с запада на восток.Рассчитанные учеными параметры резонанса, возникающего при сложении всех четырех мод, точно совпали с предсказаниями Лапласа. И это подтвердило его основную мысль о том, что погодой управляют волны атмосферного давления.»Приятно, что видение Лапласа и других физиков-пионеров полностью подтверждено два столетия спустя», — приводятся в пресс-релизе Гавайского университета в Маноа слова Такатоши Саказаки.»Наша идентификация стольких мод в реальных данных показывает: атмосфера действительно звенит, как колокол, — продолжает Гамильтон. — Это наконец разрешает давнюю и классическую проблему атмосферного резонанса, а также позволяет лучше понять, какие процессы возбуждают волны, а какие их гасят».В качестве возможных причин глобального резонанса авторы называют возникновение из-за атмосферной конвекции скрытых зон нагрева и каскадный механизм распространения турбулентных потоков энергии. Экваториальные ветры в АнтарктидеЕще одно явление, связанное с волнами в атмосфере, недавно объяснили американские ученые из Университета Клемсона в Южной Каролине и Колорадского университета в Боулдере.Наблюдая на станции Мак-Мердо в Антарктиде за полярными вихрями — массивными круговыми потоками холодного воздуха, которые вращаются по спирали над каждым из полюсов Земли, — они заметили: антарктический вихрь синхронен с фазами квазидвухлетних колебаний в атмосфере (КДК).Примерно раз в два года широтные ветра, которые дуют на экваторе Земли, меняют направление с восточного на западное. Фронт зарождается на высоте больше 30 километров в стратосфере и движется вниз со скоростью примерно один километр в месяц. Через 13-14 месяцев одновременно по всему экватору происходит инверсия ветров. Полный цикл, таким образом, занимает от 26 до 28 месяцев.Американцы установили, что во время восточной фазы КДЦ антарктический вихрь расширяется, а при западной сжимается. Это объясняют прохождением через разные слои атмосферы меридиональных гравитационных волн от экватора к полюсам.Эти волны зафиксировали и предположили, что они связаны со сменой направления ветров, дующих на экваторе — на расстоянии более девяти тысяч километров от места наблюдений. Сравнение с данными системы метеорологических и атмосферных наблюдений НАСА MERRA-2 за период с 1999 по 2019 год полностью это подтвердило.Давно известно: расширение зоны полярного вихря приносит холодную погоду в средние широты. Однако то, что первопричина — в смене направления стратосферных ветров в тропиках, стало неожиданностью. Ученые надеются, что выявленные ими закономерности позволят создать более точные климатические модели и модели атмосферной циркуляции для прогнозирования погоды. В то же время они обеспокоены тем, что в последние десятилетия все чаще сказывается воздействие антропогенных факторов. Так, четыре года назад заметили нарушение цикличности КДК. В феврале 2016-го переход к восточным ветрам неожиданно прервался. Одна из возможных причин — глобальное потепление.Тревожный набатЕще большее беспокойство вызывают участившиеся экстремальные погодные явления, зачастую также связанные с волновыми аномалиями в атмосфере. В частности, ученые указывают на возникновение квазистационарных атмосферных волн Россби в Северном полушарии. Волны Россби — это гигантские изгибы высотных ветров, оказывающие серьезное влияние на погоду. Если они переходят в квазистационарное состояние, смена циклонов и антициклонов приостанавливается. В итоге в одних местах неделями льют дожди, оборачивающиеся наводнениями, а в других устанавливается аномальная жара, как в этом году в Арктике.Волны жары и засухи, приходящие в Центральную и Северную Америку, Центральную и Восточную Европу, регион Каспийского моря и Восточную Азию по несколько раз за лето и длящиеся одну-две недели, наносят серьезный ущерб сельскому хозяйству. Уже который год подряд здесь сокращаются урожаи, что осложняет социальную обстановку. Так что «музыка» Земли все чаще звучит не как нежная мелодия, а тревожным набатом.

https://ria.ru/20200721/1574518118.html

https://ria.ru/20200824/klimat-1576101047.html

антарктида

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn21.img.ria.ru/images/07e4/08/1b/1576394384_294:0:1706:1059_1920x0_80_0_0_71094e8e9207333d4d3038d964d57807.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

погода, климат, физика, земля — риа наука, антарктида

МОСКВА, 31 авг — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Атмосфера Земли вибрирует, подобно гигантскому колоколу: волны распространяются вдоль экватора в обоих направлениях, опоясывая земной шар. К такому выводу пришли ученые из Японии и США, подтвердив давнюю гипотезу об атмосферном резонансе. Что это за феномен и можно ли на его основе предсказывать погоду и долгосрочные изменения климата — в материале РИА Новости.

Волны Лапласа

В начале XIX века французский физик и математик Пьер-Симон Лаплас сравнил атмосферу Земли с огромным океаном, покрывающим планету, и вывел формулы, известные сегодня как приливные уравнения Лапласа и используемые в расчетах при составлении прогнозов погоды.

Лаплас полагал, что в атмосфере есть свои приливы и отливы, а также волны воздушных масс и тепловой энергии. Среди прочего он упоминал вертикальные колебания у поверхности Земли, распространяющиеся в горизонтальном направлении, которые можно зафиксировать по изменениям приземного давления.

Атмосферные тепловые приливы, связанные с вращением Земли, геофизики давно обнаружили. Однако горизонтальные волны не удавалось зафиксировать. И теперь понятно, почему.

Как выяснили Такатоши Саказаки из Высшей школы науки Киотского университета и Кевин Гамильтон, профессор Международного тихоокеанского исследовательского центра Гавайского университета в Маноа, у волн Лапласа очень большие масштабы — они охватывают чуть ли не целые полушария — и очень короткие периоды, меньше суток. Поэтому их упускали из виду и при исследовании локальных атмосферных явлений, таких как грозы, и при изучении крупных, но длительных перемещений воздушных масс.

«Шахматная доска» Земли

Авторы исследования проанализировали данные Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) за 38 лет — с 1979 по 2016 год включительно, в том числе почасовые изменения приземного атмосферного давления по всей поверхности планеты. В результате выявили десятки ранее неизвестных волновых режимов — систем гармонических колебаний, которые ученые называют модами.

Особенно исследователей заинтересовали волны с короткими периодами от двух до 33 часов, распространяющиеся горизонтально в атмосфере вокруг земного шара с огромной скоростью — более 1100 километров в час.

Зоны высокого и низкого давления, связанные с этими волнами, создают на карте характерный узор «шахматной доски», который, однако, различается для каждой из четырех основных мод — волн Кельвина, Россби, гравитационных и комбинации двух последних.

Воздушный колокол

Оказалось, что атмосфера Земли похожа на звенящий колокол, когда на основной низкочастотный фон накладываются высокие обертоны. Именно это сочетание глубокого фонового звука с тонкими переливами делает колокольный звон таким приятным.

Только «музыка» Земли — это не звук, а волны атмосферного давления, охватывающие весь земной шар. Каждая из четырех основных мод — это резонанс атмосферы по аналогии с резонансами колокола. При этом низкочастотные волны Кельвина распространяются с востока на запад, а остальные — с запада на восток.

Рассчитанные учеными параметры резонанса, возникающего при сложении всех четырех мод, точно совпали с предсказаниями Лапласа. И это подтвердило его основную мысль о том, что погодой управляют волны атмосферного давления.

«Приятно, что видение Лапласа и других физиков-пионеров полностью подтверждено два столетия спустя», — приводятся в пресс-релизе Гавайского университета в Маноа слова Такатоши Саказаки.

«Наша идентификация стольких мод в реальных данных показывает: атмосфера действительно звенит, как колокол, — продолжает Гамильтон. — Это наконец разрешает давнюю и классическую проблему атмосферного резонанса, а также позволяет лучше понять, какие процессы возбуждают волны, а какие их гасят».

В качестве возможных причин глобального резонанса авторы называют возникновение из-за атмосферной конвекции скрытых зон нагрева и каскадный механизм распространения турбулентных потоков энергии.

Экваториальные ветры в Антарктиде

Еще одно явление, связанное с волнами в атмосфере, недавно объяснили американские ученые из Университета Клемсона в Южной Каролине и Колорадского университета в Боулдере.Наблюдая на станции Мак-Мердо в Антарктиде за полярными вихрями — массивными круговыми потоками холодного воздуха, которые вращаются по спирали над каждым из полюсов Земли, — они заметили: антарктический вихрь синхронен с фазами квазидвухлетних колебаний в атмосфере (КДК).

Примерно раз в два года широтные ветра, которые дуют на экваторе Земли, меняют направление с восточного на западное. Фронт зарождается на высоте больше 30 километров в стратосфере и движется вниз со скоростью примерно один километр в месяц. Через 13-14 месяцев одновременно по всему экватору происходит инверсия ветров. Полный цикл, таким образом, занимает от 26 до 28 месяцев.

Американцы установили, что во время восточной фазы КДЦ антарктический вихрь расширяется, а при западной сжимается. Это объясняют прохождением через разные слои атмосферы меридиональных гравитационных волн от экватора к полюсам.

Эти волны зафиксировали и предположили, что они связаны со сменой направления ветров, дующих на экваторе — на расстоянии более девяти тысяч километров от места наблюдений. Сравнение с данными системы метеорологических и атмосферных наблюдений НАСА MERRA-2 за период с 1999 по 2019 год полностью это подтвердило.

Давно известно: расширение зоны полярного вихря приносит холодную погоду в средние широты. Однако то, что первопричина — в смене направления стратосферных ветров в тропиках, стало неожиданностью.

Ученые надеются, что выявленные ими закономерности позволят создать более точные климатические модели и модели атмосферной циркуляции для прогнозирования погоды. В то же время они обеспокоены тем, что в последние десятилетия все чаще сказывается воздействие антропогенных факторов.

Так, четыре года назад заметили нарушение цикличности КДК. В феврале 2016-го переход к восточным ветрам неожиданно прервался. Одна из возможных причин — глобальное потепление.21 июля 2020, 08:00НаукаНаэлектризованная атмосфера. Ученые предупредили: молний станет больше

Тревожный набат

Еще большее беспокойство вызывают участившиеся экстремальные погодные явления, зачастую также связанные с волновыми аномалиями в атмосфере. В частности, ученые указывают на возникновение квазистационарных атмосферных волн Россби в Северном полушарии. Волны Россби — это гигантские изгибы высотных ветров, оказывающие серьезное влияние на погоду. Если они переходят в квазистационарное состояние, смена циклонов и антициклонов приостанавливается. В итоге в одних местах неделями льют дожди, оборачивающиеся наводнениями, а в других устанавливается аномальная жара, как в этом году в Арктике.Волны жары и засухи, приходящие в Центральную и Северную Америку, Центральную и Восточную Европу, регион Каспийского моря и Восточную Азию по несколько раз за лето и длящиеся одну-две недели, наносят серьезный ущерб сельскому хозяйству. Уже который год подряд здесь сокращаются урожаи, что осложняет социальную обстановку.

Так что «музыка» Земли все чаще звучит не как нежная мелодия, а тревожным набатом.

24 августа 2020, 08:00НаукаЧто происходит на самом деле — глобальное потепление или похолодание

Атмосфера Земли: строение и оптика

В лекции рассказывается о строении, тепловом режиме и особенностях химического состава различных слоев атмосферы Земли. Отмечается сильное влияние малых газовых составляющих на физические свойства атмосферы, хотя относительное содержание этих газов исчисляется долями процента. Рассматриваются слои твердых и жидких частиц на различных высотах в атмосфере, механизм их формирования и наблюдательные проявления, а также оптические явления, происходящие в атмосфере.

Введение

Эра астрономических исследований из космоса началась несколько десятилетий назад. Но и сейчас подавляющее большинство астрономических наблюдений проводится с поверхности нашей планеты Земли. Относится это не только к любительским телескопам, но и к исследованиям на передовом фронте астрономической науки. За последние десятилетия в строй было введено несколько наземных оптических телескопов с диаметром объектива от 5 до 10 м, еще больше проектов находятся в стадии разработки.

Во время любых наземных астрономических наблюдений, будь то обычная зрительная труба или телескоп им. Кека, мы регистрируем излучение далеких объектов, которое пришло к нам на поверхность Земли сквозь газовую оболочку нашей планеты — атмосферу. Сама же атмосфера Земли очень сложна и во многом уникальна по сравнению с другими планетами Солнечной системы. Уникальность заключается не только в обилии кислорода, дающего нам возможность дышать. Наша газовая оболочка имеет сложный химический состав, высотное строение, физические и оптические свойства. Что особенно важно, все эти свойства оптимальны для поддержания жизни на нашей планете, по крайней мере если не подвергать атмосферу сильному физическому или химическому возмущению (как внешнему, так и внутреннему).

Естественно, атмосфера изменяет излучение далеких объектов, проходящее сквозь нее. Взаимодействие излучения с атмосферой включает в себя несколько разных процессов, и при проведении астрономических исследований ученые должны четко представлять, каким образом атмосфера влияет на вид небесных объектов и как правильно учесть это влияние.

Не менее важной задачей является выбор правильного места для строительства обсерваторий и проведения наблюдений. К этому пункту на Земле предъявляются серьезные требования: все атмосферные эффекты, влияющие на изображение небесных объектов, должны быть если не минимальными, то легко учитываемыми, предсказуемыми. Помимо этого в пункте наблюдений часто должна быть ясная погода. Ведь облака — достаточно распространенные и элементарные атмосферные образования — сильнейшим образом влияют на условия астрономических наблюдений, зачастую делая их просто невозможными.

Все вышеперечисленное тесно связывает астрономическую науку с физикой и оптикой атмосферы Земли. Поэтому многие астрономы, особенно экспериментаторы, занимающиеся наблюдениями, являются хорошими специалистами в атмосферной оптике. С другой стороны, астрономическая наука на протяжении многих десятилетий способствовала развитию науки об атмосфере, особенно о ее верхних слоях. И сейчас одним из главных инструментов изучения физики атмосферы являются космические проекты. А когда мы говорим о наземных астрономических наблюдениях, мы не можем не учитывать свойства атмосферы, поэтому они должны быть хорошо известны любому астроному-экспериментатору.

Читать далее в сборнике трудов 41-й Международной студенческой научной конференции «Физика космоса» (.pdf), сс. 158–176

Ученые обнаружили атмосферу на планете, похожей на Землю

• Ребекка Морелл
• Корреспондент Би-би-си по научным вопросам

8 апреля 2017

Автор фото, DANA BERRY

Подпись к фото,

Изображенная художником планета GJ 1132b вращается вокруг своей звезды

Астрономы обнаружили атмосферу вокруг планеты, похожей на Землю.

Это небольшая экзопланета, известная как GJ 1132b, с радиусом в 1,4 земных находится от нас на расстоянии в 39 световых лет.

Наблюдая за ней, ученые пришли к выводу, что она окружена густым слоем газообразных испарений — то ли водяных, то ли метановых, или того и другого.

Однако вряд ли она обитаема, так как температура у поверхности планеты составляет 370 С.

«Насколько мне известно, самые жаркие температуры, которые органическая жизнь способна вынести на Земле, составляют 120 С, а это гораздо «холоднее», чем та планета», — говорит Джон Саутворт, старший научный сотрудник Килского университета в английском графстве Стаффордшир.

«Водный мир»?

Об обнаружении планеты GJ 1132b впервые было объявлено в 2015 году. Она находится в созвездии Паруса в Южном полушарии неба.

По величине она похожа на Землю, однако размер звезды, вокруг которой она вращается, гораздо меньше, а сама звезда холоднее и не такая яркая, как Солнце.

При помощи телескопа, установленного в Европейской Южной обсерватории в Чили, ученые смогли изучить эту планету, регистрируя диапазоны излучаемых звездой волн по мере того, как планета совершала обороты вокруг нее.

«Из-за этого [движения] ее звезда выглядит гораздо менее ярко, и это вообще хороший способ обнаружения движущихся планет — так мы эту и распознали», — сказал Джон Саутворт.

Поскольку разные молекулы, находящиеся в атмосфере планеты — если она вообще имеется, — преломляют свет по-разному, это позволяет ученым изучать их химический состав, когда планета проходит на фоне своей звезды.

«Есть вероятность, что это «водный мир» с атмосферой из горячего пара», — сказал руководитель группы.

Ученые говорят, что это важная находка, даже несмотря на то, что на данной конкретной планете вряд ли есть жизнь.

«Мы продемонстрировали, что у планет, вращающихся вокруг звезд малой массы, может быть атмосфера, а поскольку их во Вселенной очень много, то вероятность того, что на одной из них есть жизнь, возрастает», — поясняет Саутворт.

Комментируя результаты этих наблюдений, представитель Королевской обсерватории в Гринвиче Марек Кукула сказал: «Это хорошее подтверждение имеющейся теории. Если сегодня технология позволила нам распознать наличие атмосферы, то есть все предпосылки к тому, что в не таком уж далеком будущем мы сможем находить и детально изучать атмосферы других похожих на Землю планет».

Атмосфера Земли: строение, оптика и современные исследования

Стенограмма выступления.
Лекцию читал Олег Угольников, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Института космических исследований РАН

Добрый день! Я хочу представить лекцию на тему «Атмосфера Земли. Строение и оптика». Вопрос атмосферы Земли интересен всем. Он интересен обычным людям, потому что мы живём в атмосфере, мы ею дышим и мы всецело зависим от того, что в атмосфере происходит. Он интересен, конечно же, и учёным. И учёным не только в области непосредственно геофизики и физики Земли, но и астрономам тоже. Потому что, несмотря на то, что у нас началась активная эпоха астрономических исследований космоса, всё равно крупнейшие телескопы находятся на поверхности Земли. Раз так, то все свойства излучения далёких небесных объектов, которые мы регистрируем в телескопы, на них атмосфера, так или иначе, влияет, искажает эти свойства. И для того, чтобы получить правильную информацию, собственно, самих небесных объектов, нужно знать о том, что с их излучением делает атмосфера. Не только знать, но и, по возможности, исправлять, учиться исправлять даже в реальном времени. Вот в настоящее время все новейшие крупные телескопы оснащаются системами активно адаптированной оптики, которая позволяет значительное количество атмосферных помех исправлять непосредственно во время наблюдений. Атмосферами обладают все планеты Солнечной системы, кроме Меркурия. Но атмосфера планеты Земля существенно отличается от атмосфер всех остальных планет. Отличается гораздо больше, чем различия между другими атмосферами. И связано это, прежде всего, с тем, что наша планета обитаема. И необходимость поддержания жизни накладывает на атмосферу очень большие требования, которым она должна соответствовать для того, чтобы мы с вами могли жить, могли встречаться, могли видеться в этом зале.

Химические свойства очень сложны и они зависят и от высоты, и от сезона, и т.д. Но комбинация различных составляющих атмосферных, в том числе и ядовитых, то есть тех, которыми непосредственно дышать нельзя, но они всё равно в атмосфере есть на разных высотах, так вот эта комбинация оптимальна для того, чтобы на поверхности Земли или недалеко от поверхности Земли могла существовать жизнь. Тут, конечно, можно спорить, что первично, что вторично. То есть мы с вами живём, потому что атмосфера такая хорошая или, наоборот, атмосфера такая хорошая, потому что мы с вами живём, но факт есть факт. Это свойство, действительно, удивительное и только несколько характерных примеров того, насколько в атмосфере всё хорошо подогнано для нас с вами, дальше в этой лекции будут встречаться. И, главное, атмосфера ещё обладает химической и динамической стабильностью. То есть если взять её в том состоянии, в котором она была из этого состояния её слегка вывести, например, изменить содержание какого-то газа, изменить температуру и т.д., то через какое-то время атмосфера вновь вернётся в нужное, оптимальное для нас, состояние. Здесь, конечно, нужно оговориться о том, что речь идёт о небольшом импульсе, о небольшом движении атмосферы из такого состояния. И, к сожалению, сейчас человек уже забывает о слове «небольшом» и происходят те процессы в атмосфере, на которые она среагировать не успевает, и поэтому идут вековые изменения различных атмосферных параметров.

Вот самое характерное свойство атмосферы. Её оптическая прозрачность. Известно, что свет – это лишь небольшая часть электромагнитного спектра, есть и другие типы излучения: инфракрасное, ультрафиолетовое, радио, и т.д. Так вот, наша атмосфера для большей части электромагнитного спектра непрозрачна. Но она прозрачна как раз там, где ей нужно быть прозрачной. Как раз там, где максимум своего излучения отправляет в космическое пространство Солнце, то есть в видимом диапазоне. Тем самым она не мешает солнечному теплу доходить до нас с вами, согревать нас с вами. Но в то же время атмосфера блокирует всё то излучение Солнца, которое может представлять для нас опасность. То есть она аккуратненько оставляет в спектре Солнца только те частоты, которые нам с вами нужны. Химический состав, тепловые условия так же оптимальны для дыхания и поддержания жизни. Хотя на самом деле это кажется нам понятным и естественным. Но вопрос не столь простой, как мы сейчас с вами в этом сможем убедиться. Вот давайте внимательно посмотрим на тепловой баланс атмосферы. То есть от чего зависит, собственно говоря, температура атмосферного газа на различных высотах. В том числе и приземного, там, где мы с вами находимся. Когда мы говорим о температуре, нам надо сказать, что является источником энергии для атмосферы. Он, в общем-то, один. Все остальные даёт достаточно маленький вклад по сравнению с этим, по крайней мере, для приземных слоёв. Это излучение Солнца. Излучение нашей с вами звезды, которая, собственно, и согревает Землю вместе с атмосферой. Химический состав атмосферы, по крайней мере, в приземных слоях, он хорошо известен, школьники его знают. На 78% по массе атмосферы состоит из молекулярного азота, химическая формула N2, на 21% — из молекулярного кислорода. Это, собственно, тот газ, который нам необходим для дыхания О2. На 1% — из аргона и других инертных и, как ещё называют, благородных газов.

Вот если мы с вами сложим 78, 21 и 1, то получим в сумме 100. Это значит, что вот эти три газа составляют подавляющую часть атмосферного воздуха, и примесь всех остальных газов обычно исчисляется десятыми долями процентов, то есть очень и очень мало. Казалось бы, именно эти три газа и должны играть основную роль в поддержании теплового баланса атмосферы. Но есть две важных детали. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с солнечным излучением, доходящим до высот от нуля до 90 километров. То есть для того излучения, которое в эти слои атмосферы попадает, вот для этого излучения данные три газа совершенно прозрачны. Ну, оговоримся, что у кислорода, конечно, есть полосы поглощения в красной области спектра, но они не существенно влияют на общую картину. Дальше. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с инфракрасным излучением, которое уже назад Земля отправляет в космическое пространство. Естественно это должно делать любое тело, нагретое до определённой температуры. Вот с теми температурами, которые есть у нас на Земле, основное излучение попадает на инфракрасную область спектра. Но там тоже эти три газа оказываются прозрачными. Получается, что они никак в переработке солнечной энергии практически не задействованы. И вся эта сложная, необходимая нам, задача переработки солнечной радиации, оказывается на плечах других газов, которых совсем-совсем мало. И чтобы проиллюстрировать такой, на первый взгляд парадоксальный эффект, давайте проведём с вами мысленно эксперимент. В реальности эксперимент, к счастью, провести невозможно. Но вот представим себе, что вдруг в атмосфере осталось 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона. Всё остальное исчезло. Вот так получилось. Казалось бы, ну, что меняется? 99,9% состава атмосферы остались без изменения. Кислород остался, дышать можно. Вот давайте представим, как будет выглядеть поверхность Земли в этом случае.

Это, конечно, очень сложно сделать, поскольку, я повторюсь, в реальности такой эксперимент провести нельзя, но если напрячь фантазию, получится вот что-то такое. Атмосфера: кислород, азот и аргон. Во-первых, поверхность Земли будет подвергаться мощному потоку ультрафиолетовой радиации Солнца. Настолько сильному, что существовать на поверхности такой планеты нам с вами будет просто невозможно. А, во-вторых, средняя температура на поверхности Земли составит -20 градусов. Это совсем непохоже на ту жаркую майскую погоду, которая сейчас у нас с вами за окном. Мы ведь сделали совсем немного. Мы убрали из атмосферы газы, которых там, по идее, было очень и очень мало. Почему такой мощный эффект? Ответ на этот вопрос состоит уже в, знакомом вами, парниковом эффекте. Именно он позволяет средней температуре на поверхности Земли иметь не знак «минус», а иметь уверенный знак «плюс». В чём состоит парниковый эффект? Допустим, у нас в атмосфере появился слой каких-то газов. Он может быть вблизи Земли или на какой-то высоте, прозрачный для солнечного излучения, так же, как азот, кислород и аргон и, соответственно, не мешает ему доходить до поверхности Земли, согревать нас. Но они, эти газы непрозрачны для инфракрасного излучения Земли. То есть отток энергии от нашей планеты обратно в космическое пространство эти газы блокируют. Тогда поверхность начнёт нагреваться. С чем можно сравнить слой парниковых газов? Ну, с обычным одеялом. Ведь когда вы ложитесь спать, укрываетесь одеялом, вам становится теплее. Но в одеяле собственных источников энергии нет. Почему же оно вас согревает? Просто потому, что оно не даёт вашему собственному теплу от вас далеко уходить. Вот роль такого одеяла и играют парниковые газы.

Парниковых газов мало, 10-е доли процента, но их оказывается достаточно для того, чтобы температура на поверхности Земли существенно возросла. Главным парниковым газом является двуокись углерода СО2. Это газ, который мы и все живые организмы выдыхают в процессе своей жизнедеятельности. Вот здесь, справа, показан кусочек спектра излучения Земли в космическое пространство. То есть если бы мы имели инфракрасный спектрограф, мы посмотрели бы из космоса на Землю. И вот верхняя пунктирная линия – это какой была бы Земля, если бы парникового эффекта не было. А реальное измерение, вот они представлены графики. Вы видите, насколько сильно парниковый газ даёт такую мощную полосу, уменьшает отток излучения от нашей с вами планеты. Ну, конечно, другие газы тоже играют некоторую роль, например, озон, метан и т.д. Но вот эта полоса с длинной волны порядка 15 микрон, она основная для формирования парникового эффекта. С этой полосой мы, кстати, ещё встретимся по ходу этой лекции. И при нормальном содержании парниковых газов, таким, каким оно должно быть на нашей с вами атмосфере, тепловой эффект, то есть выигрыш в температуре, составляет 35 градусов. И средняя температура у нас не -20,а +15. А парниковых газов очень мало. Теперь можно представить, что будет, если их станет больше. И это не пустая фантазия. Известно, что содержание углекислого газа в последние десятилетия на Земле быстро достаточно возрастает. Вот перед вами график. Мы видим, что за 50 лет углекислого газа стало больше на четверть. А раз это такой активный парниковый газ, то, естественно, увеличение его содержания будет вызывать потепление на нашей планете. И такие события, как лето 2010-го года в Москве, вот в Подмосковье сделана фотография, всё окутано дымом. А также то, что у нас погода постоянно бьёт температурные рекорды и последние два температурных рекорда были установлены позавчера и вчера в Москве и, возможно, сегодня тоже будет. А вот температурные рекорды со знаком «минус» в Московском регионе уже, по-моему, не побиваются много десятилетий. Всё это говорит о том, что средняя температура и у нас здесь, и вообще на Земле растёт и, конечно, это повод задуматься о том, как эти процессы нужно приостановить.

Другой газ, очень активный, который формирует, фактически, всё, что мы называем с вами климатом – это водяной пар Н2О. Это один из самых изменчивых компонентов в нижней атмосфере Земли. Его содержание очень редко доходит до 1%. Но 1% водяного пара – это страшно влажный воздух. Обычно это тоже доля процента, то есть, в общем-то, мало. Но именно водяной пар ответственен за такие события у нас с вами, как гроза, которая, так понимаю, уже сейчас должна начаться у нас за окнами, появление смерчей, ураганов и всего этого уже в более крупном планетарном масштабе, циклонов. Активных образований в атмосфере, характеризуемых достаточно большими скоростями, большой энергетикой. Вот откуда берётся в нашей, вроде как спокойной атмосфере вот такая энергия? Где эти все природные катаклизмы черпают энергию? Ответ очень простой. Черпают они её в водяном паре. Водяной пар – это очень интересный компонент, который в наших с вами условиях может быть как жидкостью так и газом. Кстати, когда мы говорим о верхней атмосфере, то и на неё водяной пар, находящийся у поверхности Земли, может действовать посредством передачи акустико-гравитационных волн. Вот здесь на фотографии ночное ясное небо, но недалеко от грозового фронта. Даже видны спрайты – это разряды в верхней атмосфере Земли. А всё свечение ночного неба мы, тут, не знаю, насколько хорошо это видно, имеет структуру таких волн. Это, как раз, следствие передачи энергии от нижних слоёв атмосферы в верхние посредством вот этих волновых процессов.

Водяной пар не просто может переходить в жидкое состояние в атмосферных условиях. Собственно, другие газы при наших температурах, которые у нас есть, этого не могут делать. Кроме этого, водяной пар характеризуется очень большой удельной теплотой парообразования. Больше 2-х миллионов Джоулей на килограмм. То есть, чтобы килограмм воды, литр воды превратить в пар, нужна энергия больше 2-х миллионов Джоулей. А когда этот самый килограмм водяного пара вновь превращается в жидкость, то, в соответствии с законом сохранения энергии, эти два мегаджоуля возвращаются назад. А так как водяной пар в атмосфере конденсируется, испаряется на разных высотах, то есть испаряется-то он у поверхности, а конденсируется уже на больших высотах. За счёт этого и происходит передача энергии на большие высоты атмосферы и там конденсация водяного пара, образование облачности и играет роль источника энергии для формирования грозовых облаков, циклонов, и т.д. Вот примерно такая схема. И вот фотография такой, такого грозового облака над Москвой сделана три года назад. И вот сегодня, когда я шёл сюда, очень похожую картинку я видел, буквально, на небе. Так что вполне возможно гроза в Москве уже идёт.

Всем хорошо известно, что температура в атмосфере с высотой уменьшается. Когда вы взлетаете на самолёте, достигаете высоты, скажем, в 10 тысяч метров, вам сообщают температуру за бортом, скажем, -50 градусов. Это может удивлять. Особенно, если вы каких-нибудь полчаса назад взлетели с какого-нибудь тёплого пляжа, из тёплой страны, где температура, скажем, +25 или +30. Почему температура уменьшается с высотой? Это естественное свойство газа, находящегося в поле тяжести. Ну, в данном случае, в поле тяжести Земли. Вот представим, что у нас есть некий объём воздуха, который мы условно изобразим в виде воздушного шарика. Вот у нас какой-то такой был. И пусть в силу каких-то причин, не важно каких, этот шарик, то есть этот объём воздуха поднялся на большую высоту, ну, попал в какой-то восходящий поток. Если этот объём воздуха не успевает обменяться энергией с окружающими воздушными ячейками, а это так в тропосфере, то он расширяется, при расширении он, естественно, совершает работу. А где ему взять энергию на эту работу? Только из своей собственной внутренней энергии. И совершая работу, просто по законам термодинамики, этот воздух должен охлаждаться и поэтому наверху, расширившись, воздух станет более холодным. Для сухой атмосферы, лишённой водяного пара, величина температурного градиента, на самом деле, очень большая – 10 градусов на километр. То есть при увеличении высоты на километр на 10 градусов становится холоднее. В реальной атмосфере, где есть водяной пар температурный градиент существенно меньше, порядка 5-6-ти градусов на километр. Почему? Опять же, мы вернёмся к нашему воздушному шарику и предположим, что кроме воздуха там было небольшое количество водного пара. То есть то, что есть в реальной атмосфере. Когда шарик начнёт подниматься, охлаждаться, водяной пар будет конденсироваться и превращаться в маленькие капельки воды. При этом, естественно, выделяется энергия. То, что у водяного пара большая удельная теплота парообразования я уже говорил, и эта энергия пойдёт на нагрев воздуха и тем самым замедлит уменьшение температуры.

То есть мы видим, что величина температурного градиента существенно зависит от влажности. А вот теперь представьте: у вас есть область влажного воздуха, область сухого воздуха. Вроде как у поверхности Земли они имеют одну и ту же температуру, значит, на какой-то высоте у вас появится достаточно большая разница температур. Разница температур, значит, разница давлений, значит, ветер, значит, опять же, возможность для наступления разных погодных катаклизмов. Весь нижний слой атмосферы, где температура уменьшается с высотой, называется тропосферой. То есть научное определение тропосферы, как нижнего слоя атмосферы, это не слой до какой-то определённой высоты, скажем там, до 10-ти, до 15-ти километров, а тот самый слой, где температура уменьшается с высотой, то есть пока температура не достигнет минимума. И высота тропосферы оказывается разной для разных широт. И вот верхняя граница тропосферы, она называется тропопаузой. В полярных областях Земли она ниже, попадает в высоту порядка 10-ти километров, а в тропических областях выше. И в тропопаузе падение температуры с высотой останавливается на уровне примерно -60 градусов Цельсия, то есть 220 Кельвина. Пока у нас температура с высотой уменьшается, у нас есть возможность для появления восходящих конвективных потоков воздуха, а если падение температуры останавливается, значит, конвекция продолжаться не может и вот эти самые структуры, в том числе и облачные структуры, дальше уже подниматься не могут. Вот мы прямо здесь видим облако, как будто бы вот оно расширяется и упёрлось в такую невидимую стенку. И эта стенка очень часто как раз совпадает с тропопаузой, верхней границей тропосферы.

Ну, и вот, собственно, фотография, которую я вам недавно показывал, облако тоже имеет примерно такую же форму, как её ещё называют, наковальня. Выше начинается следующий слой атмосферы Земли, который называется стратосфера. Обычно он занимает область высот от 15-ти до 50-ти километров и характеризуется тем, в нём температура увеличивается с высотой. Всё наоборот. Ну, казалось бы, мы с вами рассматривали ситуацию, рисовали условные воздушные шарики и выяснили, что нормальное свойство для атмосферного газа в поле тяжести – это его охлаждение с высотой. С чего это вдруг температура начинает увеличиваться? Это могло бы иметь место, если бы в стратосфере был какой-то свой источник тепла, который бы это увеличение температуры и обеспечивал. Но на самом деле в стратосфере источников тепла каких-то особенных нет. Энергия, как и в других слоях атмосферы, приходит от Солнца. Откуда же берётся энергия? Она может появиться, если появится какая-то субстанция, которая будет эффективно поглощать солнечное излучение. Субстанция, которой нет в тропосфере, соответственно, тропосферу она нагревать не может, а в стратосфере она появляется. Непрозрачная, в отличие от азота, кислорода и аргона. Она может поглощать солнечное излучение. И такая субстанция в стратосфере, действительно, есть, она вам хорошо известна – это газ озон. Его химическая формула О3, то есть молекула озона состоит из 3-х атомов кислорода. Почему озон появляется именно на больших высотах? На самом деле, нам очень сильно повезло, что это так. Потому что озон это газ ядовитый. Если бы озон можно было бы пустить, скажем, в эту комнату, то ничего хорошего с нами бы не произошло. Но выше он появляется потому, что до этих высот доходит рентгеновское излучение Солнца. Солнце вроде как не особо сильно излучает в рентгене, но достаточно для того, чтобы наделать нам много бед, если бы это рентгеновское излучение доходило до поверхности планеты. Но оно поглощается молекулярным кислородом в ходе химической реакции, которая тут перед вами, и рентгеновский квант, как квант очень активный, энергичный, молекулы кислорода разбивает на два атома: О и О.

В последствии они могут снова встретиться, объединиться вновь в молекулу, но если произойдёт вот такой процесс, атом кислорода, молекула кислорода и ещё какая-то частица, ещё какая-то молекула, которая играет роль катализатора, в этом случае образуется озон, и озон защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца. Посмотрите, какая ситуация. Ультрафиолетовое излучение для нас опасно. Нам нужно от него защититься и для этого есть озон. Но озон ядовитый газ, поэтому защищаться от ультрафиолета прямо здесь тоже нам не годится. Поэтому озоновый слой появляется на высоте достаточно большой. А для этого используется другое, вредное для нас, излучение Солнца, теперь уже рентгеновское, которое там же и поглощается. Вот как, действительно, для нас всё аккуратно рассчитала атмосфера. В результате мы здесь не имеем ни рентгеновского излучения Солнца, ни ультрафиолетового излучения Солнца, ни озона и избавлены от всех вредных факторов. Много ли озона в атмосфере? На самом деле очень мало. Если бы мы могли собрать весь стратосферный озон и притянуть его к поверхности Земли, и создать из него слой при нормальной температуре и давлении, то мы бы получили слой толщиной в 3-4 миллиметра или 300-400 единиц Добсона. Это специфическая единица, в которых измеряется общее содержание озона в атмосфере и 1 единица Добсона – это 0,01 мм слоя озона. То есть такой слой не дотянулся нам даже до верхней части подошвы ноги. А в реальности этот озон разбросан по достаточно большому диапазону высот по всей стратосфере, то есть толщина порядка 35-ти километров.

То есть получается, что даже там озон это крайне малая примесь, порядка 0,001 доли процента. И хватит ли такого озона для того, чтобы останавливать солнечный ультрафиолет? На самом деле хватит. Вот этого содержания озона оказывается достаточно, чтобы поток ультрафиолетового излучения от Солнца, если оно находится в зените, на длине волны 3000 ангстрем, ещё не самый вредный для нас ультрафиолет, уменьшается в 13 раз, а вот более опасный ультрафиолет блокируется полностью. Вот посмотрите. На длине волны 2,5 тысячи ангстрем слой озона уменьшает поток ультрафиолетового излучения от Солнца в 10 в 35-й степени раз. Это единица и 35 нулей. При таком-то вроде маленьком содержании. Вот, пожалуйста, углекислый газ – его мало. А как он с температурой нашей обходится. А озон? Которого совсем мало. В результате блокирует весь солнечный ультрафиолет. У озона есть несколько полос поглощения, они названы по именам учёных, которые их открыли. Озон поглощает и видимые области спектра, по полосе Шаппюи. Ну, это полосы достаточно слабые. То есть для Солнца, находящегося в зените, озон уменьшит его поток примерно на 3-4%. А вот полосы Хегенса и полосы Хартли гораздо более сильные.

Обратите внимание, что по оси ординат здесь логарифмический масштаб и разница между верхом и низом это 8 порядков. И полосы Хегенса, это резкая стена, где начинается поглощение озоном. Её край совпадает как раз с краем полос поглощения ультрафиолета молекулы ДНК. То есть всё то, не поглотил озон, началось бы поглощение нами с вами, нашими молекулами и, естественно, сопровождалось бы их разрушением. То есть полосы Хегенса поглощают, опасный для нас, ультрафиолет, но не поглощают сравнительно безопасный. Поэтому загорать на Солнце, по крайней мере, более менее реальное время мы всё-таки можем. Вот мы видим, что ультрафиолет мягкий УФ-А, который, собственно, вызывает загар на коже, он доходит до поверхности Земли, но несколько ослабленным.

А вот более энергичный ультрафиолет уже до поверхности Земли практически не доходит. А самый энергичный ультрафиолет задерживается уже в верхней части озонового слоя, в стратосфере. А вся та энергия солнечного ультрафиолетового излучения, которое, собственно, задерживается озоном, в конце концов, превращается в тепло и это тепло остаётся в стратосфере. Вот за счёт этого и появляется источник нагрева стратосферного газа, и температура с высотой начинает возрастать. Вот перед вами график изменения температуры на высотах от нуля до сорока километров. Сначала в тропосфере температура падает, потом она более-менее постоянная и дальше выходит на уровень порядка нуля градусов. То есть температура примерно такая же, как и у поверхности Земли. Но стратосфера состоит не только из газа. Там могут встретиться и аэрозольные, облачные частицы. Конечно, это происходит гораздо реже, чем в нижних слоях атмосферы, где, собственно, облачность это совершенно нормальное явление. Для того, чтобы образовалось облако, состоящее из воды, то есть из водяного льда, нужна очень низкая температура. Потому что в стратосфере давление очень маленькое и вода легко испаряется. И такие низкие температуры, при которых, возможно, было бы в стратосфере появиться облачности, это температура порядка -80-ти градусов, то есть ниже, чем обычно в районе тропопаузы. Вот такие температуры появляются в полярных широтах и в этом случае можно наблюдать в сумерки такое красивое явление, как перламутровые облака. Вот оно перед вами, снятое в Мурманске, переливаются разными цветами. Днём перламутровые облака не видны. Просто потому, что они очень разреженные, очень слабые и теряются на фоне дневного неба. И только в сумерки, когда нижняя часть атмосферы у вас уже погружена в тень Земли и Солнцем не освещается, а вот верхняя часть атмосферы ещё освещена лучами Солнца, могут появиться перламутровые облака.

Вот, кстати, эта схема показывает хорошую эффективность сумеречных исследований для изучения верхних слоёв атмосферы. К сумеречному методу, я сам им занимаюсь, я ещё несколько раз по ходу этой лекции вернусь. Перламутровые облака, обычно в научной литературе они называются «полярные стратосферные облака», это мощные передвижные химические лаборатории стратосферы. Они состоят не только из воды. В их состав входит много самых разных соединений: хлороводород, азотная кислота, и т.д. А на поверхности капелек облаков химические реакции идут значительно быстрее, чем в газовой среде. И поэтому перламутровые облака, хотя они очень разреженные, и в общем-то не так часто появляются, они оказывают существенное влияние на химию атмосферы. Вот один из тех процессов, которые могут происходить, я вам покажу. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца, которое до стратосферы всё-таки в каких-то количествах доходит, происходит распад этих молекул и в результате появляется атомарный хлор. Атомарный хлор реагирует с озоном и образуется оксид хлора, а потом оксид хлора реагирует с атомарным кислородом. Вот в ходе этих двух реакций у нас, если вы заметите, хлор, как был, так и остался, он никуда не делся, а вот молекула озона погибает. Потом, после этого цикла, этот самый атом хлора может ещё раз разрушить молекулу озона, ещё раз и ещё раз. И атомы хлора, так же, как и молекулы окиси азота, они оказываются долго живущими, и один атом может уничтожить, по современным оценкам, до десятка миллионов молекул озона. И поэтому, хотя хлора в атмосфере существенно меньше, чем озона, несравнимо меньше, но выброса галогеносодержащих соединений, в частности, фреона в конце 20-го века, именно из-за таких каталитических реакций, оказался большой проблемой для озонового слоя. И выбросы фреона считаются одной из причин появления озоновой дыры именно благодаря вот таким реакциям.

Но был принят Монреальский протокол. Выбросы галогеносодержащих веществ вроде как ограничили, но пока о восстановлении озонового слоя речь ещё не идёт. Речь идёт о том, что темпы разрушения озона уменьшились, то есть такого быстрого разрушения, как раньше, не было. И вот перед вами пример. Карта распределения общего количества озона в декабре 2011-го года и вот она, озоновая дыра, над Антарктидой, которая как раз во второй половине года обычно проявляет себя сильнее всего.

Другие химические процессы начинаются в стратосфере после мощных вулканических извержений, в том случае, если вулканические выбросы пробивают тропопаузу и попадают в стратосферу. Вообще, вулканы очень сильно влияют на оптические свойства атмосферы. В нижних слоях, понятно, в тропосфере, туда выбрасывается вулканическая пыль, пепел. Это всё может привести к уменьшению средней температуры на поверхности Земли, просто потому что они задерживают солнечный свет. А выше происходит химическое загрязнение. В состав вулканических выбросов входит сернистый газ СО2. Это газ хорошо всем известен. Известно, что в нижних слоях атмосферы он химически инертен и мало вступает в химические реакции. Совершенно другое дело, если этот газ попадает в стратосферу. Там он встречается с активными окислителями: атомарный кислород, озон, ОН. Образуются различные промежуточные продукты и, в конечном итоге, серная кислота, тоже вам хорошо известная. А вот серная кислота, в отличие от воды, спокойно конденсируется в капельки даже просто в стратосферных условиях. И так образуется сульфатная аэрозоль. То есть примерно то же самое, что мы наблюдаем в атмосфере Венеры. Только, к счастью для нас, в существенно меньшем количестве.

И вот перед вами график, диаграмма появления облака сернистого газа после извержения вулкана Пинатубо в 1991-м году. Пока что это самое сильное извержение вулкана за последние десятилетия. И время жизни серной кислоты и сульфатных аэрозолей в стратосфере составляет несколько лет. То есть сульфатная аэрозоль достаточно надолго там задерживается. Аэрозоль в стратосфере, если уж он появляется, он проявляет себя сравнительно мутным видом неба, особенно в период сумерек, когда стратосфера играет основную роль, а тропосфера Солнцем не освещена. Ну, и можно регистрировать уменьшение поляризации фона сумеречного неба. Так как фон сумеречного неба у нас представлен, прежде всего, рассеянным светом, он сильно поляризованным, особенно если воздух чистый. А вот если у нас в стратосферу попадают какие-то пылевые частицы, то рассеивая солнечный свет, они вносят свой вклад и поляризация уменьшается. И вот наша группа зафиксировала уменьшение поляризации фона неба, как раз, когда рассеяние происходило на высоте 20 километров в декабре 2006-го года. Вот видно это уменьшение по сравнению с декабрём 2002-го года. И это уменьшение было связано со сравнительно несильным, ну, по сравнению с Пинатубо, извержением вулкана Рабаул в октябре 2006-го года. Вулкан Рабаул находится в Индонезии, а наблюдения проводились через два месяца в Крыму. Очень далеко. И, тем не менее, вот появление этого сульфатного аэрозоля тоже можно зафиксировать.

Верхней границей стратосферы является стратопауза. Высота 50 километров, температура порядка нуля. Дальше относительный вклад озона, конечно, озон там есть, но он начинает уменьшаться. Причём уменьшаться достаточно быстро. Почему? Вспомним, что озон образуется вот в этой химической реакции. Химическая реакция требует, чтобы сразу три частицы встретились вместе в какой-то одной точке пространства. Молекула кислорода, атом кислорода и ещё какая-то частица. И вероятность такой тройной реакции очень сильно зависит от плотности. Если плотность низкая, то такой процесс маловероятен. В результате образование озона резко уменьшается, его относительная плотность тоже уменьшается и пропадает дополнительный источник тепла. Солнечный ультрафиолет на этих высотах уже, по крайней мере, ультрафиолет, который поглощается озоном здесь, он свободно проходит, потому что озона мало. И температура в полном соответствии с законом всемирного тяготения, на самом деле, вновь начинает уменьшаться с высотой. Мы попадаем в следующий слой атмосферы. Слой очень интересный и слой наименее изученный. Он называется мезосфера. «Мезо» по латыни – среднее, что-то такое, находящееся посередине. И, действительно, это слой, который отделяет низкие плотные слои атмосферы, характерные для нас, привычные нам, от уже космического пространства. Почему мезосферу сложно изучать? А потому что в неё очень сложно попасть. В неё невозможно на длительное время доставить измерительный прибор, который дал бы нам информацию об её составе. Для искусственных спутников Земли мезосфера это слишком низкий слой. Они не могут летать в мезосфере, потому что плотность там высока для того, чтобы спутники стали тормозиться и, в конце концов, упали.

С другой стороны, самолёты, они летают, наоборот, слишком низко, в мезосферу тоже попасть не могут. Летать на крыльях по мезосфере нельзя. И в результате американцы, которые любят, даже в научной литературе, давать всякие фразеологические названия разным объектам, мезосферу часто называют «игноросферой». Это слой атмосферы, который игнорирует наши попытки туда попасть и каким-то образом её изучить. И поэтому долгое время количество информации о мезосфере, действительно, было очень небольшим. Температура там, действительно, падает и падает достаточно быстро и верхние слои мезосферы оказываются самыми холодными слоями атмосферы Земли. Но что интересно, этот температурный минимум, который имеет место в верхней мезосфере на высотах порядка 80-ти километров, у него оказалась совершенно необычная сезонная зависимость. Вот на этом графике, взятом из работы Марша в 98-м году, показана просто зависимость температуры с высотой в определённый день января на разных широтах. Вот, соответственно, здесь у нас приземный воздух. Вот у нас тропопауза, минимум температуры. Вот стратосфера, вот стратопауза. Это январь, поэтому в северных широтах у нас зима, а в южных широтах у нас лето. Всё вроде естественно. Но посмотрите – зимой у нас мезосфера, мезопауза охлаждается до 230-ти Кельвинов, то есть до -40 градусов. А вот летом температура падает до -130-ти градусов по Цельсию. 140 Кельвинов. Это самое холодное местно не только атмосферы, это самое холодное место вообще Земли и всего пространства, связанного с Землёй. И получается, что холоднее всего в мезосфере летом. А ведь такие высокие слои атмосферы, высота 80 км, они в летние месяцы непрерывно освещены Солнцем. Даже когда у поверхности Земли ночь, всё равно высокие слои Солнце подсвечивает. Несмотря на это температура там оказывается просто рекордно низкой. И долгое время не удавалось понять, почему.

И если мы просто рассматриваем Землю в поле излучения Солнца, и посчитаем соответствующую модель, то мы этого минимума температур просто не получим. Кто оказался виноват в таком понижении температуры? На самом деле, если уж подходить к источнику, то водяной пар и находящийся здесь, у поверхности Земли, на высотах, скажем, порядка 1-2-х километров. Когда я вам рассказывал о циклонах, о различных энергичных катаклизмах, которые происходят здесь, я упомянул об акустико-гравитационных волнах, которые из этих циклонов распространяются, в том числе, и вверх. Плотности в мезосфере ниже и поэтому амплитуда этих волн в верхних слоях увеличивается. И эти волны там начинают существенно влиять на всю динамику атмосферного вещества. И картина зональных ветров, то есть ветра, дующие вдоль параллелей, вот, в такую стройную и достаточно понятную, которая должна была наблюдаться в мезосфере просто под действием излучения Солнца, эти волны вносят существенные коррективы. Появляется область летней полярной мезосферы, где ветры начинают дуть в другую сторону. Это сказывается на общей циркуляции воздуха. Он движется не только вдоль параллелей, но и вдоль меридианов и движется вот по такой траектории. То есть в зимнем полушарии он опускается вниз, а в летнем он поднимается вверх. Вспомним воздушные шарики. Поднимаясь вверх, воздух сильно выхолаживается. И вот за счёт этого адиабатического выхолаживания здесь, несмотря на постоянное излучение Солнца, не уходящее под горизонт, температура существенно уменьшается.

А в зимней мезосфере, казалось бы там Солнца нет, там вообще даже источника энергии прямого нет, но там химические реакции, причём с участием малых составляющих, которых там очень мало: озон, атомарный водород. Вот энергии, выделяемой при этих реакциях, оказывается достаточной для того, чтобы поддерживать достаточно высокую температуру. Опять мы видим, что малые газовые составляющие переворачивают всё вверх дном и у нас зимой, оказывается, намного теплее, чем летом на высотах порядка 80-ти километров.

В мае и в летние месяцы на широтах вот типичных для Средней полосы России, в том числе и в Москве, ночью, может быть, и сегодня удастся, можно наблюдать такое красивое явление, как серебристые облака. Такое красивое свечение над северным горизонтом, они видны только в мае, июне и июле. Измерения высот показали, что это самые высокие облака, которые возникают в атмосфере Земли. Высота порядка 85-ти километров. И чтобы водяной лёд образовался при таких ничтожных давлениях, а давления там совсем маленькие, нужны крайне низкие температуры, меньше 140-а, 150-ти Кельвинов. То есть ниже, чем -130 градусов. И то, что мы летом эти облака наблюдаем говорит о том, что на широтах больше 50-ти градусов, то есть в Москве в том числе, такие температуры, действительно, достигаются.

Но что интересно: явление достаточно масштабное, никакой особой техники для его наблюдения не нужно, оно прекрасно видно невооружённым глазом и, тем не менее, эти облака никогда не наблюдались до 1885-го года. Вряд ли можно предположить, что их просто не замечали. Явление очень красивое. Нет ни одного упоминания. Похоже, что этих облаков до конца 19-го века, действительно, не было. То есть мы наблюдаем какой-то вековой процесс. А сейчас эти облака наблюдаются ну, не каждую ясную ночь, но достаточно регулярно, если хорошая погода. Учёные стали думать, что такое случилось в 1885-м году, почему появился, вообще, новый класс объектов в атмосфере Земли. Первая версия была связана с мощным извержением вулкана Кракатау, которое произошло в 1883-м году. Фактически это было сильнейшее извержение, которое уничтожило сам вулкан, сейчас на его месте осталось только несколько маленьких вулканов. И привело примерно к 30-ти тысячам человеческих жертв. То есть это было одно из самых сильных извержений, которые вообще наблюдались на поверхности Земли. И, действительно, при столь сильном извержении какие-то продукты выбросов могли достигнуть даже таких больших высот и привести к появлению там облаком. То есть вулканические частицы стали бы просто ядрами конденсации. Но сейчас прекрасно известно, что время жизни вулканических выбросов, даже в стратосфере, составляет всего несколько лет, а в мезосфере оно будет ещё меньше. И серебристые облака могли появиться в результате вулкана, но они бы просуществовали всего несколько лет и потом бы исчезли. А они остались, и наблюдаются по сей день. Другую гипотезу о причине появления серебристых облаков выдвигали астрономы. И связывали они эти облака с кометой Энке. Комета Энке – это самая короткопериодическая из всех известных комет. Она совершает обороты вокруг Солнца всего лишь за три с небольшим года и проходит мимо орбиты Земли, как раз, 28-го июня. То есть примерно в те же самые дни вблизи летнего солнцестояния, когда серебристые облака чаще всего появляются.

Ну, и предположили, что, наверное, раньше орбита кометы Энке располагалась немножко по-другому. Она проходила достаточно далеко от орбиты Земли. А потом, в результате какой-то эволюции, например, в результате сближения с Юпитером, орбита кометы Энке изменилась, и комета стала проходить очень близко к орбите Земли. В результате на орбиту Земли попадали частицы распада этой кометы, то есть частицы хвоста, пыль, когда Земля сама оказывалась в этой точке, эта пыль оседала в верхнюю атмосферу и приводила к появлению серебристых облаков. Вообще говоря, сейчас считается, что ядрами конденсации серебристых облаков являются пылевые частицы, попадающие не с поверхности Земли, высота-то огромная, а как раз из космоса. Так что эта версия оказалась весьма правдоподобной. Более того, ещё одним подтверждением этой версии был Тунгусский метеорит, который выпал тоже в конце июня в 1908-м году. Сейчас считается, что Тунгусский метеорит, скорее всего, был маленькой кометой. Вполне возможно, просто осколком кометы Энке, потому что его орбита известна. Она похожа на орбиту кометы Энке. А так же известно, что в течение нескольких дней после падения метеорита наблюдались аномально яркие ночи. Вот, например, светлая ночь в Бристоле, Англия очень далеко от места падения, и фон неба, светлый как раз, напоминал просто рассеянные по всему небу серебристые облака. То есть мы наблюдаем процесс серебристых облаков просто усиленный в результате того, что целая маленькая комета упала в земную атмосферу. Но дальнейшие исследования показали всё-таки несостоятельность этой гипотезы. Метеорный поток, связанный с кометой, то есть поток частиц, сброшенных с кометы Энке, он известен, он называется бетатауриды. Потому что его радиант находится вблизи Бета Тельца и максимум активности, как нетрудно догадаться, наступает в конце июня.

Но в конце июня рядышком находится Солнце, поэтому наблюдать непосредственно эти метеоры ночью не удаётся. Поэтому долгое время активность этого потока была неизвестна. Но сейчас радионаблюдения показали, что этот поток очень слабый. Его активность существенно ниже спорадического фона, то есть фона метеоров, которые сгорают в нашей атмосфере ежедневно, ежечасно и прилетают с разных направлений. То есть существенное увеличение количества пыли в мезосфере комета Энке сейчас вызывать не может. И поэтому то, что серебристые облака сейчас наблюдаются, а раньше не наблюдали, комета Энке с этим никак не связана. Ответ на вопрос: почему появились эти серебристые облака и почему в мезосфере происходит интенсивное похолодание, был дан атмосферный химиками. И что самое удивительное, такое резкое похолодание и глобальное потепление, которое мы наблюдаем в приземных слоях, не просто обеспечиваются одним и тем же газом, но обеспечиваются одной и той же инфракрасной полосой этого газа. Речь идёт о углекислом газе СО2и его полосой, в данном случае уже излучение, а не поглощение инфракрасной с длинной волны 15 микрометров. Собственно, что происходит? Молекула углекислого газа, которая может попасть даже в мезосферу, эффективно сталкивается с атомом кислорода. При этом часть энергии атома кислорода молекула углекислого газа забирает себе и переходит в колебательно возбуждённое состояние. То есть энергия движения атома кислорода, фактически, это тепловая энергия мезосферы, переходит в энергию колебаний молекулы СО2. А потом молекула СО2эту энергию выбрасывает в виде инфракрасного кванта, который с большой вероятностью просто покидает атмосферу. То есть СО2забрал тепловую энергию у воздуха, а обратно её не отдал. Обратно молекула СО2просто выбрасывает её в космос.

И, тем самым, идёт процесс похолодания в мезосфере. Причём, за счёт той же самой инфракрасной полосы, которая создаёт парниковый эффект в тропосфере. Вот ещё один характерный пример, что одна и та же спектральная линия какого-то одного вещества может совершенно по разному вести себя в зависимости от окружающих условий и в плотной нижней среде в атмосфере или наверху, где газ очень разреженный. И теперь уже на поверхности лежит ответ, почему в мезосфере холодает в последние века. Просто потому, что СО2стало больше. И хотя сейчас, ну, не все полностью с этим согласны, но уже признаётся, что вот этот процесс, который сейчас перед вами изображён на слайде, это один из основных сценариев, один из основных механизмов уменьшения температуры в мезосфере. Причём скорость этого похолодания существенно превышает скорость глобального потепления у поверхности Земли. Опять же, сейчас спорят насчёт оценок, но речь идёт о величинах одного градуса в год. Это колоссальная скорость. Слава Богу, что у нас здесь, у поверхности Земли таких изменений температуры не происходит.

Тем самым мезосфера оказывается очень интересной, но и очень затруднённой для изучения. Как я уже говорил, прямые измерения, скажем, температуры, химического состава в мезосфере крайне затруднены тем, что на длительное время туда нельзя отправить какой-нибудь прибор. Ни на спутнике он не может находиться, ни на самолёте. Поэтому основная сейчас функция по исследованию мезосферы лежит на дистанционных методах, то есть измерениях с помощью разных приборов либо с поверхности Земли, ледары, радары и т.д. Либо, наоборот, со спутников, которые находятся выше и они смотрят на мезосферную среду, эффективнее всего по касательной к Земле, то есть вдоль Лимба.

И измерения температуры в мезосфере, это, собственно, сейчас основной параметр, в настоящий момент проводят два американских спутника. Один спутник «Таймд» (TIMED) и аппаратура «Сабер» (SABER) на основе излучения, опять же, углекислого газа. А другой спутник «Аура» (AURA) и эксперимент «МЛС» (MLS) на основе излучения других газов, прежде всего, кислорода. И мы видим, что данные двух спутников, скажем, зимой, практически полностью совпадают. А вот летом на высотах больше 70-ти километров у нас идёт разница в показаниях двух спутников, достигающая 10-ти градусов. То есть это скользкая, холодная температура ещё и оказывается очень сложной для измерения. И дело, конечно, не в том, что там аппаратура на спутниках несовершенна. Конечно, нет. А дело в том, что мезосфера не находится в состоянии термодинамического равновесия. Собственно, на простом языке это звучит так: углекислый газ и кислород, который там находится, вообще говоря, не обязаны иметь одинаковую температуру. Вот в нашей с вами плотной среде это понять невозможно. То есть ли вы возьмёте две колбы с двумя разными жидкостями и сольёте их друг с другом и дадите им немножко постоять, то, соответственно, температура уравняется и, скажем, молекулы одной жидкости и молекулы другой жидкости будут иметь примерно одинаковую кинетическую температуру. Вот в мезосфере это не так. Эта разность может держаться сколь угодно длительное время. И поэтому для мезосферных исследований важны разные методы, как наземные, так и космические. И мы сами стараемся внести в это небольшую лепту, опять-таки, с помощью хорошо известного, но существенно развивающегося с учётом нынешних технических возможностей, сумеречного метода.

Во время тёмных сумерек, когда Солнце опускается под горизонт уже примерно на 8-9 градусов, у нас нижние слои атмосферы Солнцем не освещены, а вот верхние ещё оказываются освещёнными. И оставляя в стороне все разные сложности, типа многократного рассеяния и т.д., могу сказать, что из этих измерений удаётся получить достаточно хорошие, точные оценки температуры мезосферы на различных высотах. Вот, чтобы не быть голословным, показаны измерения температуры мезосферы на разных высотах от 70-ти до 85-ти километров в течение летнего периода 2011-2012-го года. Вот наши измерения под Москвой. Это точечки, палочки означают точность. И сравнение со спутниковыми данными. Мы видим, что, в общем, согласие достаточно хорошее и точность, вроде таких простых и самых дешёвых из всех возможных для мезосферы измерений, оказываются сопоставимы.

Выше мезосферы располагается следующий слой атмосферы – термосфера. И уже по самому его названию чувствуется, там, наверное, теплее. И, действительно, там начинается рост температуры с высотой, причём, рост достаточно быстрый. И этот рост обеспечивается поглощением солнечной энергии и теперь уже вакуумного ультрафиолета, который уже и озон не поглощает, но который не доходит до меньших высот, поскольку этот ультрафиолет поглощается напрямую кислородом. И, собственно, уже содержание кислорода на таких больших высотах оказывается достаточным, чтобы этот ультрафиолет останавливался там, на высоте 100 км и больше. И понятно, что вся эта энергия остаётся в термосфере, плотность там низкая, молекул там мало, и поэтому эта энергия оказывается достаточной, чтобы эти молекулы приобрели большие скорости. То есть кинетическая температура становится значительно выше. И, действительно, вот у нас мезосферный температурный минимум и дальше идёт достаточно быстрый рост температуры.

Но, опять же, в термосфере тоже нет термодинамического равновесия, в ещё большей степени, чем в мезосфере. И если бы вы смогли сделать какой-нибудь градусник, который бы у вас выдержал те условия, просто вы ставили бы его в это пространство, он бы вам показал какую-нибудь очень низкую температуру. Например, 5 Кельвинов, то есть -268. Просто потому, что эта разреженная, пусть даже и горячая, среда не успевала бы его нагреть. Он гораздо быстрее бы отдавал свою энергию просто излучением инфракрасных волн. Поэтому, когда мы говорим о температуре в таких высоких слоях, нужно быть очень аккуратным.

Полярное сияние. Очень красивое явление. Я сам их в этом году видел уже трижды. Мне повезло дважды побывать на Севере. Сейчас достаточно высокий уровень солнечной активности. Они так же возникают в термосфере на высотах больше ста километров. И само излучение, а также его цветовые характеристики, опять же, определяются атомом кислорода. В полярных сияниях преобладают зелёные краски, ну, иногда ещё встречаются красные. И это связано со структурой уровня атома кислорода и, соответственно, когда этот атом переходит с одного уровня на другой, он излучает квант с определённой длинной волны, то есть с определённым цветом. И этот цвет либо зелёный в этом случае, либо красный. Ну, зелёная линия у полярных сияний наблюдается чаще всего, поэтому и сама эта линия названа авроральной, то есть Аврора – это полярное сияние. Механизм энергетической накачки полярных сияний – это солнечный ветер. Уже не излучение, а энергичные частицы заряженные, которые летят от Солнца во все стороны, в том числе, и к Земле.

И опять же, если бы не наша атмосфера и если бы не наше магнитное поле, эти частицы были бы для нас весьма неприятны. Но Земля единственная из планет земной группы в Солнечной системе обладает мощным магнитным полем. Оно отклоняет эти заряженные частицы. Они подходят к Земле вблизи магнитных полюсов, магнитные полюса не столь далеки от полюсов географических, поэтому полярные сияния чаще всего возникают в высоких широтах. Хотя я сам один раз видел их и в Москве. Бывает даже и ещё южнее.

Ближний космос, в котором обращается большая часть искусственных спутников Земли и, в том числе и международная космическая станция, это, вообще говоря, тоже термосфера. То есть там плотность среды существенно больше, чем в межпланетном пространстве. И хотя спутники уже там могут обращаться, они не падают сразу на Землю, но они всё равно испытывают торможение этой средой и их высота постепенно уменьшается и, если спутник уже отработавший и никак на ситуацию не влияет, в конце концов, он на Землю падает. А вот МКС просто периодически включает двигатели для того, чтобы вновь поднять себя на нужную высоту.

Выше термосферы располагается внешний слой – экзосфера, которая иногда уже даже к атмосфере не совсем относится. Это высоты более 600 километров. Химический состав: сначала азот и кислород, но уже в атомарном виде, то есть молекулы в тех условиях уже не существуют, они разбиваются на атомы. А на ещё больших высотах химический состав становится уже характерным для межпланетной среды: водород и гелий. И экзосфера прослеживается на высотах до 10-ти тысяч километров. То есть на таких больших высотах ещё плотность чуть больше, чем в межпланетной среде. И, вообще говоря, экзосфера – это уже даже не совсем газ, а совокупность отдельных частиц, каждая из которых является уже отдельным спутником Земли. То есть частицы сталкиваются друг с другом настолько редко, что между столкновениями они могут, скажем, совершить целый оборот вокруг нашей планеты. А водород и гелий, как частицы более лёгкие, имеют скорость ещё больше и могут просто даже улететь от Земли и больше к ней не вернуться. Но запасы водорода и гелия пополняются за счёт, прежде всего, солнечного ветра, который так же состоит из частиц, только уже заряженных этих атомов. Азот и кислород более тяжёлые, поэтому на орбиту ускользания они практически не выходят, двигаются по замкнутым орбитам и вот так вот остаются такими спутниками Земли в течение достаточно долгого времени.

Вот так мы вами вскользь пробежали по земной атмосфере, начиная с её поверхности и кончая уже теми высотами, где она постепенно переходит в межпланетную среду. И далеко не всё я вам рассказал, не все примеры того, как в нашей атмосфере всё подобрано для нас с вами. То есть для того, чтобы мы с вами могли здесь, на поверхности Земли, жить. Но, с одной стороны подобрано, с другой стороны мы видим, что на наших глазах происходит уже не периодические, а вековые процессы, когда в течение уже достаточно длительного времени, скажем, ста лет какой-то параметр, например, температура верхней части мезосферы, или содержание углекислого газа, или приземная температура меняется в одном направлении и меняется, вроде как, необратимо. И это говорит о том, что уже воздействие человека на атмосферу стало таким, что атмосфера не успевает от этого воздействия защититься. Не успевает себя вернуть обратно в первоначальное состояние. И тут уже, собственно, мы должны атмосфере, во-первых, перестать мешать это делать. А, во-вторых, наверное, и в чём-то даже помочь. Вот на этом я свою лекцию заканчиваю и большое спасибо вам за внимание.

Ответы на вопросы

Мне очень не хватило истории вопроса. В смысле, не истории изучения атмосферы, а истории самой атмосферы. Вы сказали, что как она хорошо к нам приспособлена, но, скорее, не она к нам приспособлена, а мы к ней приспособлены. Вот чего мне не хватило, чтобы мне было очень интересно, это история изменения атмосферы.

А это очень сложный вопрос. Поскольку, собственно, нормально изучать состав атмосферы человек научился, вообще, собственно, ничтожное время назад. То есть там даже не сто лет, а меньше. И поэтому здесь можно говорить только о каких-то теоретических сценариях на основе тех знаний, что мы сейчас имеем. Понятно, что свободный кислород появился в результате первых организмов, которые могли существовать при очень небольшом количестве кислорода и давали положительный баланс кислорода во внешнюю среду. И сейчас кислород поддерживается, прежде всего, растениями, которые, собственно, и создают обратный процесс превращения СО2в О2. А вот а как появлялись растения и как они в давние времена существовали при меньшем количестве кислорода, это вопрос уже, наверное, к геологам.

Я воспользуюсь тогда служебным положением. Значит, у нас, вот, меня интересует, значит, не только вот мой личный интерес, да, а, возможно, у нас будет проект по поводу возникновения жизни. И меня интересует возникновение жизни на Земле. Значит, и меня интересует изменение атмосферы, и в какой атмосфере возникали первые организмы? И что мы, как мы можем узнать, какая была на Земле атмосфера, там, скажем, 4 млрд. лет назад.

Насколько известно это была атмосфера более похожая на атмосферу других планет, где основным газом, ну, наряду с азотом, которого всюду много, был СО2. И первые организмы должны были существовать при ничтожных количествах кислорода, более того, перерабатывать СО2в О2. И источником энергии, естественно, для них была энергия Солнца.

А откуда мы это знаем?

Ну, я могу сказать, что просто на основе наблюдений хотя бы атмосфер других планет, где эти процессы не начались и не начнутся, по-видимому. Посмотрите на ту же Венеру, у неё масса в сто раз больше, чем у атмосферы, массы в сто раз больше, чем у Земли и основной газ СО2. Просто потому, что углерод и кислород – это самое распространённые тяжёлые элементы в солнечной системе. Тяжёлые, то есть не водород и не гелий.

Известно, что на дне океанов есть, районы, где много сжиженного метана при низкой температуре и высоком давлении. В принципе, если этот метан вырвется наружу в силу каких-то причин, какую-то это может представлять опасность для нашей атмосферы?

Я, на самом деле, проскочил мимо метана и, наверное, сделал неправильно. Дело в том, что метановые выбросы, они, действительно, происходят и играют очень важную роль в, собственно, химической эволюции атмосферы. Вот вы видите, что такое существенное явление, как нагрев неосвещённой Солнцем полярной мезосферы, происходит за счёт химической реакции с участием атомарного водорода. Так вот главным источником атомарного водорода в верхних слоях атмосферы является, указанный вами, метан здесь. Потому что молекула метана поднимается вверх, там под действием солнечного ультрафиолета, она разбивается и мы получаем атомарный водород. То есть, вообще говоря, метан, он в естественном цикле химических реакций в атмосфере, естественно, учтён. Природный метан. Другое дело, что сейчас, если его содержание начнёт возрастать.

Если начнёт возрастать, будет больше.

Ну, там много разных процессов пойдёт. Кроме того, метан также может давать свой вклад в СО2в верхних слоях атмосферы. Тоже в ходе химических реакций.

Почему такие противоречивые идут оценки, что, является ли метан парниковым газом или, наоборот? Очень противоречивые.

Ну, как? Формально парниковым является, потому что инфракрасные полосы у него есть. Другое дело, что его вклад существенно меньше, чем СО2. Хотя второе место по парниковости, так если можно сказать, он всё-таки занимает. На третьем месте озон.

Ну, Титану как-то не очень это помогает при том, что метана много.

Ну, во-первых, мы не знаем, какой был бы Титан без атмосферы. Возможно ещё холоднее.

Ну, мы знаем, какие там рядом планеты находятся…

Да, но у планет есть собственные источники нагрева очень мощные, которых у Титана нет.

Вот вы сказали, что некоторые парниковые газы в атмосфере увеличились на 25%…

СО2 изменился в атмосфере, да.

Но наверное, это не только последствия деятельности человека, но и вулканов?

Ну, вулканы были всегда. Более того. Видите, очень, таких сильных извержений, как Кракатау, слава Богу, в 20-м веке не было.

А в процентном соотношении деятельность человека и вулканов?…

Смотря в чём. Если вы имеете в виду парниковые газы, парниковый эффект, то вулканы, вообще-то говоря, работают в минус. Ведь эта вулканическая пыль и аэрозоль, они уменьшают прозрачность атмосферы для оптики и, тем самым, уменьшают поток солнечного излучения. И вот этот эффект пришёл на ум ряду современных учёных, которые на полном серьёзе хотят сейчас не бороться с парниковым эффектом, а просто скомпенсировать его, искусственно выбросив серосодержащие соединения в стратосферу. Ну, к счастью, эта пока идея не проходит и не пройдёт. Потому что там очень печальные последствия будут и для озона, и для всего. Чтобы бороться, надо, конечно, не с парниковым эффектом, а сего причинами. То есть реально вулканы в этом плане вообще в другую сторону работают.

«Лекторий ЗС» 30.05.2013

Атмосфера Земли | UCAR Center for Science Education

Слоистая структура атмосферы Земли видна на этом закате с Международной космической станции.
Кредит: Лаборатория науки и анализа изображений, Космический центр имени Джонсона НАСА

Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, которая окружает нашу родную планету. Помимо того, что нам есть чем дышать, атмосфера помогает сделать жизнь на Земле возможной несколькими способами. Он защищает нас от большей части вредного ультрафиолетового (УФ) излучения, исходящего от Солнца, нагревает поверхность нашей планеты примерно на 33 ° C (59 ° F) за счет парникового эффекта и в значительной степени предотвращает резкую разницу между дневными и ночными температурами.

Газы в атмосфере Земли

Азот и кислород являются наиболее распространенными; сухой воздух состоит примерно на 78% из азота (N ₂ ) и примерно на 21% из кислорода (O ₂ ). Аргон, диоксид углерода (CO ₂ ) и многие другие газы также присутствуют в гораздо меньших количествах; каждый составляет менее 1% газовой смеси атмосферы. В атмосферу также входит водяной пар. Количество присутствующего водяного пара сильно различается, но в среднем составляет около 1%. Есть также много мелких частиц — твердых и жидких — «плавающих» в атмосфере.Эти частицы, которые ученые называют «аэрозолями», включают пыль, споры и пыльцу, соль из морских брызг, вулканический пепел, дым и многое другое.

Слои атмосферы Земли

Атмосфера становится тоньше (менее плотной и понижается давление) по мере того, как человек движется вверх от поверхности Земли. Он постепенно уступает место космическому вакууму. Точного «верха» атмосферы нет. На высотах от 100 до 120 км (62-75 миль) воздух становится настолько разреженным, что для многих целей этот диапазон высот можно рассматривать как границу между атмосферой и космосом.Однако есть очень тонкие, но измеримые следы атмосферных газов на сотни километров над поверхностью Земли.

В атмосфере есть несколько различных областей или слоев. У каждого есть характерные температуры, давления и явления. Мы живем в тропосфере, самом нижнем слое, где находится больше всего облаков и где бывает почти любая погода. Некоторые реактивные самолеты летают в следующем более высоком слое, стратосфере, которая содержит реактивные течения и озоновый слой. Еще выше находятся мезосфера, термосфера и экзосфера.Узнайте о слоях атмосферы Земли:

Факты и информация о планете Земля

Земля, наша родная планета, — это мир, не похожий ни на один другой. Третья планета от Солнца, Земля — ​​единственное место во вселенной, где подтверждена жизнь.

Земля с радиусом 3959 миль является пятой по величине планетой в нашей солнечной системе и единственной, на поверхности которой наверняка есть жидкая вода. Земля также уникальна с точки зрения названий. Каждая другая планета солнечной системы была названа в честь греческого или римского божества, но в течение как минимум тысячи лет некоторые культуры описывали наш мир, используя германское слово «земля», что означает просто «земля».”

Земля 101

Земля — ​​единственная известная планета, на которой существует жизнь. Узнайте происхождение нашей родной планеты и некоторые ключевые ингредиенты, которые помогают сделать это синее пятнышко в космосе уникальной глобальной экосистемой.

Наш танец вокруг Солнца

Земля обращается вокруг Солнца один раз за 365,25 дня. Поскольку в нашем календарном году всего 365 дней, мы добавляем дополнительный високосный день каждые четыре года, чтобы учесть разницу.

Хотя мы этого не чувствуем, Земля движется по своей орбите со средней скоростью 18.5 миль в секунду. Во время этого кругооборота наша планета находится в среднем на 93 миллиона миль от Солнца, а свету требуется около восьми минут, чтобы пройти это расстояние. Астрономы определяют это расстояние как одну астрономическую единицу (а.е.), меру, которая служит удобным космическим мерилом.

Земля вращается вокруг своей оси каждые 23,9 часа, определяя день и ночь для обитателей поверхности. Эта ось вращения наклонена на 23,4 градуса от плоскости орбиты Земли вокруг Солнца, что дает нам времена года. Какое бы полушарие ни было наклонено ближе к солнцу, оно испытывает лето, а отклоненное полушарие — зимой.Весной и осенью каждое полушарие получает одинаковое количество света. Каждый год в две определенные даты, называемые равноденствиями, оба полушария освещаются одинаково.

Много слоев, много деталей

Около 4,5 миллиардов лет назад гравитация заставила Землю образоваться из газообразного пыльного диска, окружавшего наше молодое Солнце. Со временем внутренняя часть Земли, состоящая в основном из силикатных пород и металлов, разделилась на четыре слоя.

В сердце планеты находится внутреннее ядро, сплошная сфера из железа и никеля, шириной 759 миль и горячей до 9800 градусов по Фаренгейту.Внутреннее ядро ​​окружено внешним ядром — полосой из железа и никеля толщиной 1400 миль. За внешним ядром находится мантия, слой вязкой расплавленной породы толщиной 1800 миль, на котором лежит самый внешний слой Земли, кора. На суше континентальная кора в среднем имеет толщину 19 миль, но океаническая кора, образующая морское дно, тоньше — около трех миль — и плотнее.

Подобно Венере и Марсу, на Земле есть горы, долины и вулканы. Но в отличие от своих скалистых собратьев, почти 70 процентов поверхности Земли покрыто океанами жидкой воды, которые в среднем составляют 2.Глубина 5 миль. Эти водоемы содержат 97 процентов вулканов Земли и срединно-океанический хребет, массивный горный хребет протяженностью более 40 000 миль.

Земная кора и верхняя мантия разделены на массивные плиты, которые медленно трутся друг о друга. Когда эти плиты сталкиваются, разрываются или скользят мимо друг друга, они порождают нашу очень активную геологию. Грохочут землетрясения, когда эти плиты зацепляются и скользят друг мимо друга. Многие вулканы образуются, когда кора морского дна врезается в континентальную кору и скользит под ней.Когда плиты континентальной коры сталкиваются, горные хребты, такие как Гималаи, сдвигаются к небу.

Защитные поля и газы

Атмосфера Земли состоит на 78 процентов из азота, на 21 процент из кислорода и на 1 процент из других газов, таких как двуокись углерода, водяной пар и аргон. Подобно теплице, эта газовая оболочка поглощает и сохраняет тепло. В среднем температура поверхности Земли составляет около 57 градусов по Фаренгейту; без нашей атмосферы было бы ноль градусов. За последние два столетия люди добавили в атмосферу достаточно парниковых газов, чтобы повысить среднюю температуру Земли на 1 градус.8 градусов по Фаренгейту. Это дополнительное тепло во многом изменило погодные условия на Земле.

Атмосфера не только питает жизнь на Земле, но и защищает ее: она достаточно толстая, чтобы многие метеориты сгорали до удара от трения, а ее газы, такие как озон, не дают повреждающему ДНК ультрафиолетовому свету достичь поверхности. Но несмотря на то, что делает наша атмосфера, она удивительно тонкая. Девяносто процентов атмосферы Земли находится всего в 10 милях от поверхности планеты.

Силуэт женщины виден на норвежском острове под северным сиянием (северное сияние).

Фотография Гарсии Жюльена, Getty Images

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Мы также пользуемся защитой от магнитного поля Земли, создаваемого вращением нашей планеты и ее железно-никелевым ядром. Это поле в форме капли защищает Землю от высокоэнергетических частиц, падающих на нас с Солнца и из других мест космоса. Но из-за структуры поля некоторые частицы направляются к полюсам Земли и сталкиваются с нашей атмосферой, вызывая полярные сияния — естественный фейерверк, известный как северное сияние.

Космический корабль Земля

Земля — ​​это планета, которую мы можем лучше всего понять в деталях, помогая нам увидеть, как ведут себя другие каменистые планеты, даже те, которые вращаются вокруг далеких звезд. В результате ученые все чаще наблюдают за Землей из космоса. Только у НАСА есть десятки миссий, посвященных разгадке загадок нашей планеты.

В то же время телескопы смотрят наружу, чтобы найти другие Земли. Благодаря таким инструментам, как космический телескоп НАСА Кеплер, астрономы обнаружили более 3800 планет, вращающихся вокруг других звезд, некоторые из которых имеют размер Земли, а некоторые из них вращаются в зонах вокруг своих звезд, температура которых как раз подходит для быть потенциально пригодным для жилья.Другие миссии, такие как транзитный спутник для исследования экзопланет, готовы найти еще больше.

Как образовалась атмосфера Земли?

Дыши!

Никто не знает другой планеты, где можно сделать эту простую вещь.

У других планет и лун в нашей солнечной системе есть атмосферы, но ни одна из них не может поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Они либо слишком плотные (как на Венере), либо недостаточно плотные (как на Марсе), и ни у одного из них нет большого количества кислорода, драгоценного газа, в котором мы, земные животные, нуждаемся каждую минуту.

Так как же наша атмосфера стала такой особенной?

Некоторые ученые описывают три стадии эволюции атмосферы Земли в ее нынешнем виде.

Земля только что образовалась: Как и Земля, водород (H ₂ ) и гелий (He) были очень теплыми. Эти молекулы газа двигались так быстро, что избежали гравитации Земли и в конечном итоге все улетели в космос.

1. Изначальная атмосфера Земли, вероятно, состояла только из водорода и гелия, потому что это были главные газы в пыльном газообразном диске вокруг Солнца, из которого сформировались планеты.Земля и ее атмосфера были очень горячими. Молекулы водорода и гелия движутся очень быстро, особенно в тепле. На самом деле, они двигались так быстро, что в конце концов все избежали гравитации Земли и улетели в космос.

Молодая Земля: Вулканы выделяли газы H ₂ O (вода) в виде пара, диксоида углерода (CO ₂ ) и аммиака (NH ₃ ). Углекислый газ, растворенный в морской воде. Простые бактерии процветали на солнечном свете и CO ₂ . Побочный продукт — кислород (O ₂ ).

2. «Вторая атмосфера» Земли возникла с самой Земли. Было много вулканов, намного больше, чем сегодня, потому что земная кора все еще формировалась. Вулканов выпущено

   1. пар (H ₂ O, с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода),
   2. двуокись углерода (CO ₂ , с одним атомом углерода и двумя атомами кислорода),
   3. аммиак (NH ₃ , с одним атомом азота и тремя атомами водорода).

Текущая Земля: Растения и животные процветают в равновесии. Растения поглощают углекислый газ (CO ₂ ) и выделяют кислород (O ₂ ). Животные поглощают кислород (O ₂ ) и выделяют CO ₂ . При горении также выделяется CO ₂ .

3. Большая часть CO ₂ растворилась в океанах. В конце концов, появилась простая форма бактерий, которая могла жить за счет энергии Солнца и углекислого газа в воде, производя кислород в качестве побочного продукта.Таким образом, кислород начал накапливаться в атмосфере, в то время как уровень углекислого газа продолжал падать. Между тем молекулы аммиака в атмосфере были разрушены солнечным светом, оставив азот и водород. Водород, будучи самым легким элементом, поднялся до верхних слоев атмосферы, и большая его часть в конечном итоге улетела в космос.

Теперь у нас есть «третья атмосфера» Земли, которую мы все знаем и любим — атмосфера, содержащая достаточно кислорода для развития животных, включая нас самих.

Итак, растения и некоторые бактерии используют углекислый газ и выделяют кислород, а животные используют кислород и выделяют углекислый газ — как удобно! Атмосфера, от которой зависит жизнь, была создана самой жизнью.

Почему у Земли есть атмосфера?

Атмосфера Земли огромна, настолько обширна, что даже влияет на маршрут Международной космической станции. Но как образовалась эта гигантская газовая оболочка?

То есть почему у Земли есть атмосфера?

Короче говоря, наша атмосфера здесь из-за гравитации.Когда Земля сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад, на расплавленной планете почти не было атмосферы. Но когда мир остыл, его атмосфера сформировалась в основном из газов, извергнутых вулканами, по данным Смитсоновского центра экологических исследований (SERC). Эта древняя атмосфера сильно отличалась от сегодняшней; По данным SERC, в нем содержится сероводород, метан и в 10-200 раз больше углекислого газа, чем в современной атмосфере. [Инфографика: Атмосфера Земли сверху вниз]

«Мы считаем, что Земля началась с атмосферы, немного похожей на [атмосферу] Венеры, с азотом, углекислым газом, возможно, метаном», — сказал Джереми Фрей, профессор физической химии в Саутгемптонский университет в Соединенном Королевстве.«Жизнь тогда как-то началась, почти наверняка где-то на дне океана».

Примерно через 3 миллиарда лет фотосинтетическая система эволюционировала, а это означает, что одноклеточные организмы использовали солнечную энергию для превращения молекул углекислого газа и воды в сахар и газообразный кислород. Это резко повысило уровень кислорода, сказал Фрей Live Science. «И это, можно сказать, самое большое загрязнение, которое когда-либо делала жизнь, потому что она медленно преобразовывала планету», — сказал он.

В настоящее время атмосфера Земли состоит примерно на 80 процентов из азота и на 20 процентов из кислорода, сказал Фрей. По данным Национального центра атмосферных исследований (NCAR), эта атмосфера также является домом для аргона, двуокиси углерода, водяного пара и множества других газов.

Хорошо, что эти газы есть. Наша атмосфера защищает Землю от резких солнечных лучей и снижает экстремальные температуры, действуя как пуховое одеяло, обернутое вокруг планеты. Между тем, парниковый эффект означает, что энергия солнца, которая достигает Земли, задерживается в атмосфере, поглощается и выделяется парниковыми газами, согласно NCAR.Есть несколько различных типов парниковых газов; основные из них — это углекислый газ, водяной пар, метан и закись азота. Без парникового эффекта температура Земли была бы ниже нуля.

Однако сегодня парниковые газы вышли из-под контроля. По данным NCAR, по мере того, как люди выбрасывают в атмосферу больше углекислого газа, парниковый эффект Земли усиливается. В свою очередь, климат планеты становится теплее.

Интересно, что ни на одной другой планете во Вселенной нет такой атмосферы, как Земля.У Марса и Венеры есть атмосферы, но они не могут поддерживать жизнь (или, по крайней мере, не земную жизнь), потому что им не хватает кислорода. Действительно, атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа с облаками серной кислоты, «воздух» настолько густой и горячий, что ни один человек не может там дышать. По данным НАСА, плотная атмосфера Венеры из углекислого газа улавливает тепло в результате неуправляемого парникового эффекта, что делает ее самой горячей планетой в нашей солнечной системе. Температура поверхности там достаточно высока, чтобы плавить свинец.

«Тот факт, что у Земли есть атмосфера, чрезвычайно необычен по сравнению с планетами Солнечной системы, поскольку она сильно отличается от любой из других планет», — сказал Фрей.Например, давление Венеры составляет около 90 атмосфер, что эквивалентно погружению на 3000 футов (914 метров) под океан на Земле. «Оригинальные российские космические корабли, которые летели туда [к Венере], просто записывались в течение нескольких секунд, а затем были разбиты», — сказал Фрей. «Никто никогда не понимал, насколько это жарко».

Итак, атмосфера Земли — это жизнь, и без нее жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы. «Земле нужна была подходящая атмосфера [для жизни], чтобы начать», — сказал Фрей. «Он создал эту атмосферу, и он создал условия, чтобы жить в этой атмосфере.Атмосфера является неотъемлемой частью биологической системы ».

Первоначально опубликовано на Live Science .

Земля как планета: атмосфера и океаны

Демонстрируя поразительное сходство, а также различия с жидкими оболочками других планет, атмосфера и океан Земли обеспечивают основу для понимания планетных атмосфер в целом. Здесь мы исследуем физическое и химическое поведение атмосферы, океанов и климата нашей родной планеты.В атмосфере Земли преобладают азот и кислород с вертикальным профилем температуры, состоящим из чередующихся слоев понижающейся и повышающейся температуры с высотой — тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы. Эта структура в значительной степени контролируется зависимостью от высоты поглощения солнечной энергии и инфракрасного излучения. В больших масштабах атмосферная циркуляция в основном определяется широтным градиентом солнечного нагрева, и циркуляция реагирует на этот градиент, перенося тепло от экватора к полюсам.Вблизи экватора этот перенос тепла осуществляется циркуляцией Хэдли, тогда как в средних широтах этот перенос осуществляется крупномасштабными так называемыми бароклинными вихрями. В тропосфере экваториальный поток слабо направлен на запад, но в средних широтах, где находятся струйные потоки, воздушный поток направлен на восток. Земля уникальна в Солнечной системе тем, что у нее есть океан на поверхности. Мы описываем его вертикальное строение, крупномасштабную циркуляцию, соленость и взаимодействие с атмосферой. Теперь обратимся к климату.На климат Земли влияют многочисленные взаимодействующие механизмы положительной и отрицательной обратной связи, включая парниковый эффект и обратные связи, возникающие в результате распространения льда и облаков. За последние 50 лет средняя глобальная температура поверхности повысилась, и многие другие климатические изменения становятся очевидными. Широко распространенный научный консенсус показывает, что эти изменения в значительной степени произошли из-за быстрого увеличения содержания парниковых газов в атмосфере (в первую очередь углекислого газа), вызванного сжиганием ископаемого топлива людьми.В течение долгого времени Земля демонстрирует широкий спектр климатических изменений. В частности, мы суммируем циклы ледникового периода, которые преобладали в климатических изменениях за последние 2 миллиона лет; понимание этих циклов может дать представление о том, как система атмосфера / океан реагирует на возмущения в целом. В заключение, мы исследуем свидетельства существования жизни на Земле, полученные в результате облетов космических кораблей; это служит отправной точкой для оценки способности человечества дистанционно обнаруживать поверхностную жизнь в других мирах.

Эволюция Земли — Scientific American

Подобно драгоценному камню из лазурита, на который он похож, голубая, окутанная облаками планета, которую мы сразу узнаем по спутниковым снимкам, кажется удивительно стабильной. Континенты и океаны, окруженные богатой кислородом атмосферой, поддерживают знакомые формы жизни. И все же это постоянство — иллюзия, порожденная человеческим восприятием времени. Земля и ее атмосфера постоянно меняются. Тектоника плит сдвигает континенты, поднимает горы и сдвигает дно океана, в то время как процессы, до конца не изученные, изменяют климат.

Такое постоянное изменение характерно для Земли с момента ее зарождения около 4,5 миллиардов лет назад. С самого начала эволюция планеты определялась жарой и гравитацией. К этим силам постепенно присоединились глобальные эффекты возникновения жизни. Изучение этого прошлого предлагает нам единственную возможность понять происхождение жизни и, возможно, ее будущее.

Ученые считали, что каменистые планеты, включая Землю, Меркурий, Венеру и Марс, были созданы в результате быстрого гравитационного коллапса пылевого облака, деформации, дающей начало плотной сфере.В 1960-х годах космическая программа «Аполлон» изменила эту точку зрения. Исследования лунных кратеров показали, что эти выбоины были вызваны ударами объектов, которых было много около 4,5 миллиарда лет назад. После этого количество ударов, похоже, быстро уменьшилось. Это наблюдение обновило теорию аккреции, предложенную Отто Шмидтом. В 1944 году русский геофизик предположил, что размер планет увеличивается постепенно, шаг за шагом.

Согласно Шмидту, космическая пыль слиплась, образуя частицы, частицы превратились в гравий, гравий в маленькие шары, затем в большие шары, затем в крошечные планеты или планетезимали, и, наконец, пыль стала размером с Луну.По мере того, как планетезимали становились больше, их количество уменьшалось. Следовательно, количество столкновений между планетезималиями или метеоритами уменьшилось. Меньшее количество предметов, доступных для аккреции, означало, что создание большой планеты заняло много времени. Расчет, сделанный Джорджем Уэзериллом из Института Карнеги в Вашингтоне, предполагает, что между образованием объекта диаметром 10 километров и объекта размером с Землю может пройти около 100 миллионов лет.

Процесс аккреции имел значительные тепловые последствия для Земли, последствия, которые в значительной степени повлияли на ее эволюцию.Большие тела, врезавшиеся в планету, вызвали в ее недрах огромное тепло, растопив найденную там космическую пыль. Образовавшаяся печь, расположенная на глубине от 200 до 400 километров под землей и называемая океаном магмы, была активна в течение миллионов лет, вызывая извержения вулканов. Когда Земля была молодой, жар на поверхности, вызванный вулканизмом и потоками лавы изнутри, усиливался из-за постоянной бомбардировки огромных объектов, некоторые из которых, возможно, были размером с Луну или даже Марс. В этот период жизнь была невозможна.

Помимо разъяснения того, что Земля образовалась в результате аккреции, программа «Аполлон» вынудила ученых попытаться реконструировать последующее временное и физическое развитие ранней Земли. Основоположники геологии, в том числе Чарльз Лайель, считали это предприятие невозможным, которому приписывают следующую фразу: «Никаких следов начала, никаких перспектив на конец». Это заявление передает идею о том, что молодая Земля не может быть воссоздана, потому что ее остатки были уничтожены самой ее деятельностью.Но развитие изотопной геологии в 1960-х сделало эту точку зрения устаревшей. В своем воображении, покрасневшем от Аполлона и открытий луны, геохимики начали применять эту технику, чтобы понять эволюцию Земли.

Датирование горных пород с помощью так называемых радиоактивных часов позволяет геологам работать со старыми местностями, не содержащими окаменелостей. Стрелки радиоактивных часов состоят из изотопов — атомов одного и того же элемента, имеющих разный атомный вес, — а геологическое время измеряется скоростью распада одного изотопа на другой [см. «Древнейшую историю Земли», Дерек Йорк; Scientific American , январь 1993 г.].Среди множества часов особенными являются часы, основанные на распаде урана 238 на свинец 206 и урана 235 на свинец 207. Геохронологи могут определить возраст образцов, анализируя только дочерний продукт — в данном случае свинец — радиоактивного материнского урана.

Панорамирование цирконов
ИЗОТОПНАЯ ГЕОЛОГИЯ позволила геологам определить, что аккреция Земли завершилась дифференциацией планеты: созданием ядра — источника магнитного поля Земли — и началом атмосферы.В 1953 году в классической работе Клэр С. Паттерсон из Калифорнийского технологического института использовались ураново-свинцовые часы, чтобы установить возраст Земли и многих метеоритов, из которых она образовалась, в 4,55 миллиарда лет. Однако в начале 1990-х годов работа одного из нас (Аллегра) по изотопам свинца привела к несколько новой интерпретации.

Как утверждал Паттерсон, некоторые метеориты действительно образовались около 4,56 миллиарда лет назад, и их обломки составили Землю. Но Земля продолжала расти за счет бомбардировки планетезималей примерно до 120–150 миллионов лет спустя.В то время — от 4,44 до 4,41 млрд лет назад — Земля начала сохранять свою атмосферу и создавать свое ядро. Эта возможность уже была предложена Брюсом Р. Доу и Робертом Э. Зартманом из Геологической службы США в Денвере два десятилетия назад и согласуется с оценками Уэзерилла.

Возникновение континентов произошло несколько позже. Согласно теории тектоники плит, эти массивы суши являются единственной частью земной коры, которая не перерабатывается и, следовательно, разрушается во время геотермического цикла, вызванного конвекцией в мантии.Таким образом, континенты обеспечивают некую форму памяти, потому что записи о ранней жизни можно прочитать в их скалах. Однако геологическая деятельность, включая тектонику плит, эрозию и метаморфизм, разрушила почти все древние породы. Эта геологическая машина сохранила очень мало фрагментов.

Тем не менее, в последние десятилетия было сделано несколько важных открытий, опять же с использованием изотопной геохимии. Одна группа, возглавляемая Стивеном Мурбатом из Оксфордского университета, обнаружила местность в Западной Гренландии, находящуюся между тремя.7 миллиардов и 3,8 миллиарда лет. Кроме того, Сэмюэл А. Боуринг из Массачусетского технологического института исследовал небольшую область в Северной Америке — гнейсы Акаста, возраст которых, как считается, составляет 3,96 миллиарда лет.

В конечном итоге поиски минерала циркона привели других исследователей к еще более древней местности. Циркон, который обычно встречается в континентальных породах, не растворяется в процессе эрозии, а откладывается в виде частиц в осадках. Таким образом, несколько кусочков циркона могут сохраняться в течение миллиардов лет и могут служить свидетельством более древней коры Земли.Поиск старых цирконов начался в Париже с работ Анни Витрак и Жол Р. Ланселот, позже в Марсельском университете, а теперь в Университете Нмес, соответственно, а также усилиями Мурбата и Аллгре. Это была группа из Австралийского национального университета в Канберре под руководством Уильяма Компстона, которая в конечном итоге добилась успеха. Команда обнаружила цирконы в западной Австралии, возраст которых составляет от 4,1 до 4,3 миллиарда лет.

Цирконы сыграли решающую роль не только в понимании возраста континентов, но и в определении того, когда впервые появилась жизнь.Самые ранние окаменелости бесспорного возраста были найдены в Австралии и Южной Африке. Этим остаткам сине-зеленых водорослей около 3,5 миллиардов лет. Манфред Шидловски из Института химии Макса Планка в Майнце изучал образование Исуа в Западной Гренландии и утверждал, что органическое вещество существовало уже 3,8 миллиарда лет. Поскольку большая часть записей о ранней жизни была уничтожена геологической деятельностью, мы не можем точно сказать, когда она впервые появилась — возможно, она возникла очень быстро, а может быть, даже 4.2 миллиарда лет назад.

Рассказы из газов
ОДИН ИЗ САМЫХ ВАЖНЕЙШИХ аспектов эволюции планеты — это формирование атмосферы, потому что именно эта совокупность газов позволила жизни выползать из океанов и существовать. С 1950-х годов исследователи выдвинули гипотезу, что земная атмосфера была создана газами, выходящими из недр планеты. Когда вулкан извергает газы, это является примером, как его еще называют, непрерывной дегазации Земли.Но ученые задаются вопросом, произошел ли этот процесс внезапно — около 4,4 миллиарда лет назад, когда ядро ​​дифференцировалось, — или же он происходил постепенно с течением времени.

Чтобы ответить на этот вопрос, Аллегр и его коллеги изучили изотопы инертных газов. Эти газы, в том числе гелий, аргон и ксенон, обладают тем свойством, что они химически инертны, то есть в природе они не вступают в реакцию с другими элементами. Два из них особенно важны для атмосферных исследований: аргон и ксенон.Аргон имеет три изотопа, из которых аргон 40 образуется при распаде калия 40. Ксенон состоит из девяти, из которых ксенон 129 имеет два разных происхождения. Ксенон 129 возник в результате нуклеосинтеза до образования Земли и Солнечной системы. Он также был создан в результате распада радиоактивного йода 129, которого больше нет на Земле. Эта форма йода присутствовала очень рано, но с тех пор вымерла, и ксенон 129 вырос за ее счет.

Как и большинство пар, и аргон-40, и калий-40, и ксенон-129, и йод-129 могут рассказать свои истории.Это отличные хронометры. Хотя атмосфера образовалась в результате дегазации мантии, она не содержит ни калия 40, ни йода 129. Весь аргон 40 и ксенон 129, образовавшиеся на Земле и выброшенные в атмосферу, сегодня находятся в атмосфере. Ксенон был вытеснен из мантии и оставлен в атмосфере; следовательно, отношение атмосферы к мантии этого элемента позволяет оценить возраст дифференциации. Аргон и ксенон, захваченные мантией, образовались в результате радиоактивного распада калия 40 и йода 129.Таким образом, если бы полное обезгаживание мантии произошло в начале формирования Земли, атмосфера не содержала бы никакого аргона 40, но содержала бы ксенон 129.

Основная задача, стоящая перед исследователем, который хочет измерить такие коэффициенты распада, состоит в том, чтобы получить высокие концентрации инертных газов в породах мантии, поскольку они чрезвычайно ограничены. К счастью, в срединно-океанических хребтах происходит природное явление, во время которого вулканическая лава переносит некоторое количество силикатов из мантии на поверхность.Небольшие количества газов, захваченных мантийными минералами, поднимаются с расплавом к поверхности и концентрируются в небольших пузырьках на внешней стеклянной окраине лавовых потоков. Этот процесс служит для концентрации мантийных газов в 10 ⁴ раз или 10 ⁵ . Сбор этих пород путем углубления дна моря и последующее измельчение их в вакууме в чувствительном масс-спектрометре позволяет геохимикам определять соотношение изотопов в мантии. Результаты довольно удивительны.Расчеты соотношений показывают, что от 80 до 85 процентов атмосферы было дегазировано в течение первых одного миллиона лет Земли; остальное выпускалось медленно, но постоянно в течение следующих 4,4 миллиарда лет.

В составе этой примитивной атмосферы определенно преобладала двуокись углерода, а азот был вторым по распространенности газом. Также присутствовали следовые количества метана, аммиака, диоксида серы и соляной кислоты, но не было кислорода. За исключением наличия большого количества воды, атмосфера была похожа на Венеру или Марс.Детали эволюции первоначальной атмосферы обсуждаются, особенно потому, что мы не знаем, насколько сильным было Солнце в то время. Однако некоторые факты не оспариваются. Очевидно, что диоксид углерода сыграл решающую роль. Кроме того, многие ученые считают, что развивающаяся атмосфера содержала достаточное количество газов, таких как аммиак и метан, для образования органических веществ.

Тем не менее, проблема солнца остается нерешенной. Согласно одной из гипотез, в течение архейского эона, продолжавшегося примерно с 4 до н. Э.5–2,5 миллиарда лет назад солнечная энергия составляла всего 75 процентов от сегодняшней. Эта возможность порождает дилемму: как могла жизнь выжить в относительно холодном климате, который должен сопровождать более слабое солнце? Решение парадокса слабого раннего солнца, как его называют, было предложено Карлом Саганом и Джорджем Малленом из Корнельского университета в 1970 году. Эти два ученых предположили, что метан и аммиак, которые очень эффективны для улавливания инфракрасного излучения, были в большом количестве. Эти газы могли создать суперпарниковый эффект.Идея подверглась критике на том основании, что такие газы обладают высокой реакционной способностью и имеют короткое время жизни в атмосфере.

Какая контролируемая компания?
В КОНЦЕ 1970-х Вирабхадран Раманатан, ныне работающий в Институте океанографии Скриппса, и Роберт Д. Сесс и Тобиас Оуэн из Университета Стоуни-Брук предложили другое решение. Они постулировали, что в ранней атмосфере не было необходимости в метане, потому что углекислого газа было достаточно, чтобы вызвать суперпарниковый эффект.Этот аргумент снова поднял другой вопрос: сколько углекислого газа было в ранней атмосфере? Земной углекислый газ сейчас погребен в карбонатных породах, таких как известняк, хотя неясно, когда он оказался там в ловушке. Сегодня карбонат кальция создается в основном в процессе биологической активности; в архейском эоне углерод, возможно, удалялся в основном во время неорганических реакций.

Быстрое выделение газа на планете высвободило огромные количества воды из мантии, создав океаны и гидрологический цикл.Кислоты, которые, вероятно, присутствовали в атмосфере, вымывали породы, образуя богатые карбонатом породы. Однако относительная важность такого механизма обсуждается. Генрих Д. Холланд из Гарвардского университета считает, что количество углекислого газа в атмосфере быстро уменьшалось во время архея и оставалось на низком уровне.

Понимание содержания углекислого газа в ранней атмосфере имеет решающее значение для понимания климатического контроля. Два лагеря борющихся выдвинули идеи о том, как работает этот процесс.Первая группа считает, что глобальные температуры и углекислый газ контролировались неорганическими геохимическими обратными связями; второй утверждает, что они контролировались биологическим удалением.

Джеймс К.Г. Уокер, Джеймс Ф. Кастинг и Пол Б. Хейс, работавшие тогда в Мичиганском университете в Анн-Арборе, предложили неорганическую модель в 1981 году. Они постулировали, что уровни газа были высокими в начале архея, а не стремительно падают. Трио предположило, что по мере потепления климата испаряется больше воды, а гидрологический цикл становится более интенсивным, увеличивая количество осадков и сток.Углекислый газ в атмосфере, смешанный с дождевой водой, создает сток углекислоты, подвергая минералы на поверхности выветриванию. Силикатные минералы в сочетании с углеродом, который был в атмосфере, улавливают его в осадочных породах. Меньшее количество углекислого газа в атмосфере, в свою очередь, означает меньший парниковый эффект. Процесс неорганической отрицательной обратной связи компенсирует рост солнечной энергии.

Это решение контрастирует со второй парадигмой: биологическое удаление. Одна теория, выдвинутая Джеймсом Э.Лавлок, создатель гипотезы Гайи, предположил, что фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как фитопланктон, будут очень продуктивными в среде с высоким содержанием углекислого газа. Эти существа медленно удаляли углекислый газ из воздуха и океанов, превращая его в отложения карбоната кальция. Критики возразили, что фитопланктон даже не эволюционировал большую часть времени, пока на Земле была жизнь. (Гипотеза Гайи утверждает, что жизнь на Земле обладает способностью регулировать температуру и состав земной поверхности, а также поддерживать ее комфорт для живых организмов.)

В начале 1990-х Тайлер Волк из Нью-Йоркского университета и Дэвид Шварцман из Университета Говарда предложили другое решение Gaian. Они отметили, что бактерии увеличивают содержание углекислого газа в почвах, разрушая органические вещества и производя гуминовые кислоты. Оба действия ускоряют выветривание, удаляя углекислый газ из атмосферы. Однако по этому поводу разногласия обостряются. Некоторые геохимики, в том числе Кастинг из Университета штата Пенсильвания и Голландия, полагают, что, хотя жизнь может объяснить некоторое удаление углекислого газа после архея, неорганические геохимические процессы могут объяснить большую часть связывания.Эти исследователи рассматривают жизнь как довольно слабый механизм стабилизации климата на протяжении большей части геологического времени.

Кислород из водорослей
ПРОБЛЕМА УГЛЕРОДА по-прежнему имеет решающее значение для того, как жизнь повлияла на атмосферу. Захоронение углерода является ключом к жизненно важному процессу повышения концентрации кислорода в атмосфере, что является предпосылкой для развития определенных форм жизни. Кроме того, сейчас происходит глобальное потепление в результате того, что люди выделяют этот углерод. В течение одного или двух миллиардов лет водоросли в океанах производили кислород.Но поскольку этот газ обладает высокой реакционной способностью и поскольку в древних океанах было много восстановленных минералов — например, железо легко окисляется, — большая часть кислорода, производимого живыми существами, просто расходуется, прежде чем он достигнет атмосферы, где он бы столкнулся с газами, которые вступили бы с ним в реакцию.

Даже если бы в течение этой анаэробной эры эволюционные процессы привели к появлению более сложных форм жизни, у них не было бы кислорода. Более того, нефильтрованный ультрафиолетовый солнечный свет, вероятно, убил бы их, если бы они покинули океан.Такие исследователи, как Уокер и Престон Клауд, работавшие тогда в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, предположили, что всего около двух миллиардов лет назад, после того, как большая часть восстановленных минералов в море была окислена, атмосферный кислород накапливался. От одного до двух миллиардов лет назад кислород достиг нынешнего уровня, создав нишу для развития жизни.

Изучая стабильность некоторых минералов, таких как оксид железа или оксид урана, Голландия показала, что содержание кислорода в архейской атмосфере было низким еще два миллиарда лет назад.Многие согласны с тем, что нынешнее 20-процентное содержание кислорода является результатом фотосинтетической активности. Тем не менее, вопрос в том, увеличивалось ли содержание кислорода в атмосфере постепенно или внезапно. Недавние исследования показывают, что увеличение количества кислорода началось внезапно между 2,1 миллиардами и 2,03 миллиардами лет назад и что нынешняя ситуация была достигнута 1,5 миллиарда лет назад.

Присутствие кислорода в атмосфере имело еще одно важное преимущество для организма, пытающегося жить на поверхности или над ней: он отфильтровывал ультрафиолетовое излучение.Ультрафиолетовое излучение разрушает многие молекулы — от ДНК и кислорода до хлороуглеродов, которые участвуют в истощении стратосферного озона. Такая энергия расщепляет кислород в крайне нестабильную атомарную форму O, которая может снова объединиться в O ₂ и в совершенно особую молекулу O ₃ или озон. Озон, в свою очередь, поглощает ультрафиолетовое излучение. Только когда в атмосфере появилось достаточно кислорода, чтобы образовался озон, у жизни даже появился шанс закрепиться на суше.Неслучайно быстрая эволюция жизни от прокариот (одноклеточных организмов без ядра) к эукариотам (одноклеточные организмы с ядром) и метазоа (многоклеточные организмы) произошла в миллиардную эпоху. кислород и озон.

Хотя в этот период атмосфера в атмосфере достигала довольно стабильного уровня кислорода, климат не был однородным. При переходе к современному геологическому времени были длительные стадии относительного тепла или прохлады.Состав окаменелых раковин планктона, обитавших у дна океана, является мерой температуры придонной воды. Данные свидетельствуют о том, что за последние 100 миллионов лет придонные воды остыли почти на 15 градусов по Цельсию. Уровень моря упал на сотни метров, и континенты разошлись. Внутренние моря в основном исчезли, а климат похолодел в среднем на 10-15 градусов по Цельсию. Примерно 20 миллионов лет назад, похоже, на Антарктиде образовался постоянный лед.

Примерно два-три миллиона лет назад палеоклиматические данные начали показывать значительные расширения и сокращения теплых и холодных периодов с циклами в 40 000 лет или около того.Эта периодичность интересна, потому что она соответствует времени, за которое Земля совершает колебание наклона своей оси вращения. Долгое время предполагалось и недавно было подсчитано, что известные изменения в геометрии орбиты могут изменить количество солнечного света, поступающего между зимой и летом, примерно на 10 процентов или около того и могут быть ответственны за начало или окончание ледникового периода.

Теплая рука человека
НАИБОЛЕЕ ИНТЕРЕСНЫМ и озадачивающим является открытие, что между 600 000 и 800 000 лет назад доминирующий цикл переключился с 40 000-летних периодов на 100 000-летние интервалы с очень большими колебаниями.Последняя крупная фаза оледенения закончилась около 10 000 лет назад. На своем пике 20 000 лет назад ледяные щиты толщиной около двух километров покрывали большую часть Северной Европы и Северной Америки. Ледники расширились на высокие плато и горы по всему миру. На суше скопилось достаточно льда, чтобы уровень моря упал более чем на 100 метров ниже нынешнего. Массивные ледяные щиты очистили землю и изменили экологический облик Земли, которая в среднем была на пять градусов холоднее, чем сейчас.

Точные причины увеличения интервалов между теплым и холодным периодами еще не выяснены. Извержения вулканов могли сыграть значительную роль, о чем свидетельствует эффект Эль-Чичон в Мексике и горы Пинатубо на Филиппинах. Тектонические события, такие как развитие Гималаев, могли повлиять на мировой климат. Даже воздействие комет может повлиять на краткосрочные климатические тенденции с катастрофическими последствиями для жизни [см. «Что вызвало массовое вымирание? Внеземное воздействие» Уолтера Альвареса и Фрэнка Асаро; и «Что вызвало массовое вымирание? Извержение вулкана» Винсента Э.Куртильо; Scientific American , октябрь 1990 г.]. Примечательно, что, несмотря на сильные эпизодические возмущения, климат был достаточно буферным, чтобы поддерживать жизнь в течение 3,5 миллиардов лет.

Одно из самых важных открытий в области климата за последние 30 лет было сделано в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды. Когда на эти замерзшие континенты падает снег, воздух между снежинками собирается в виде пузырьков. Снег постепенно сжимается в лед вместе с захваченными газами.Некоторые из этих записей могут иметь возраст более 500 000 лет; ученые могут анализировать химический состав льда и пузырьков на участках льда, лежащих на глубине до 3600 метров (2,2 мили) от поверхности.

Ледяные бурильщики установили, что воздух, которым дышали древние египтяне и индейцы анасази, был очень похож на тот, который мы вдыхаем сегодня, за исключением множества загрязнителей воздуха, внесенных за последние 100 или 200 лет. Основными из этих добавленных газов или загрязнителей являются дополнительный диоксид углерода и метан.Примерно с 1860 года, когда началась промышленная революция, уровни углекислого газа в атмосфере увеличились более чем на 30 процентов в результате индустриализации и обезлесения; Уровни метана увеличились более чем вдвое из-за сельского хозяйства, землепользования и производства энергии. Способность повышенного количества этих газов улавливать тепло — вот что вызывает опасения по поводу изменения климата в 21 веке [см. «Изменяющийся климат» Стивена Х. Шнайдера; Scientific American , сентябрь 1989 г.].

Ледяные керны показали, что устойчивые естественные темпы изменения температуры во всем мире обычно составляют около одного градуса Цельсия за тысячелетие. Эти сдвиги все еще достаточно значительны, чтобы радикально изменить место обитания видов и потенциально способствовать исчезновению такой харизматической мегафауны, как мамонты и саблезубые тигры. Но самая необычная история с ледяными кернами — это не относительная стабильность климата за последние 10 000 лет. Похоже, что в разгар последнего ледникового периода 20 000 лет назад в воздухе было на 50 процентов меньше углекислого газа и вдвое меньше метана, чем в нашу эпоху, голоцен.Это открытие предполагает положительную обратную связь между углекислым газом, метаном и изменением климата.

Рассуждения, подтверждающие идею этой дестабилизирующей системы обратной связи, заключаются в следующем. Когда мир был холоднее, концентрация парниковых газов была меньше, и поэтому удерживалось меньше тепла. По мере того, как Земля нагревается, уровни углекислого газа и метана увеличиваются, ускоряя потепление. Если бы жизнь приложила руку к этой истории, она должна была бы управлять климатическими изменениями, а не противодействовать им.Кажется все более вероятным, что, когда люди стали частью этого цикла, они тоже помогли ускорить потепление. Такое потепление особенно заметно с середины 1800-х годов из-за выбросов парниковых газов в результате индустриализации, изменений в землепользовании и других явлений. Однако снова остается неуверенность.

Тем не менее, большинство ученых согласятся, что жизнь вполне может быть основным фактором положительной обратной связи между изменением климата и парниковыми газами. В конце 20 века наблюдался быстрый рост средней глобальной приземной температуры [ см. Иллюстрацию на противоположной странице ].Действительно, период с 1980-х годов был самым теплым за последние 2000 лет. Девятнадцать из 20 самых теплых лет за всю историю наблюдений приходились на период с 1980 года, а 12 самых теплых лет — с 1990 года. Рекордным за все время годом стал 1998 год, а 2002 и 2003 годы оказались на втором и третьем местах, соответственно. Есть веские основания полагать, что десятилетие 1990-х было бы еще жарче, если бы не извергалась гора Пинатубо: этот вулкан выбросил достаточно пыли в верхние слои атмосферы, чтобы заблокировать часть падающего солнечного света, вызвав глобальное похолодание на несколько десятых градуса на несколько десятков градусов. годы.

Могло ли потепление последних 140 лет происходить естественным путем? С все возрастающей уверенностью ответ — нет.

В рамке справа показано замечательное исследование, в котором была предпринята попытка отодвинуть рекорд температуры Северного полушария назад на целую 1000 лет. Климатолог Майкл Манн из Университета Вирджинии и его коллеги выполнили сложный статистический анализ с участием около 112 различных факторов, связанных с температурой, в том числе годичных колец, протяженности горных ледников, изменений коралловых рифов, активности солнечных пятен и вулканизма.

Полученная в результате запись температуры является реконструкцией того, что могло бы быть получено, если бы были доступны измерения на основе термометра. (Фактические измерения температуры используются для лет после 1860 года.) Как показывает доверительный интервал, каждый год этой 1000-летней реконструкции температуры содержит значительную неопределенность. Но общая тенденция ясна: постепенное снижение температуры в течение первых 900 лет, за которым следует резкий подъем температуры в 20 веке. Этот график свидетельствует о том, что десятилетие 1990-х годов было не только самым теплым за столетие, но и за все прошедшее тысячелетие.

Изучая переход от атмосферы с высоким содержанием углекислого газа и низким содержанием кислорода в архее к эпохе большого эволюционного прогресса около полмиллиарда лет назад, становится ясно, что жизнь могла быть фактором стабилизации климата. В другом примере — во время ледниковых периодов и межледниковых циклов — жизнь, кажется, выполняет противоположную функцию: ускоряет изменения, а не уменьшает их. Это наблюдение привело одного из нас (Шнайдер) к утверждению, что климат и жизнь развивались вместе, а не жизнь, служащая исключительно негативной обратной связью с климатом.

Если мы, люди, считаем себя частью жизни, то есть частью естественной системы, то можно утверждать, что наше коллективное воздействие на Землю означает, что мы можем играть значительную коэволюционную роль в будущем планеты. Текущие тенденции роста населения, требования к повышению уровня жизни и использование технологий и организаций для достижения этих ориентированных на рост целей — все это способствует загрязнению. Когда цена за загрязнение невысока, а атмосфера используется как свободная канализация, может накапливаться углекислый газ, метан, хлороуглероды, оксиды азота, оксиды серы и другие токсичные вещества.

Впереди кардинальные изменения
В СВОЕМ ДОКЛАДЕ Climate Change 2001 климатические эксперты Межправительственной группы экспертов по изменению климата подсчитали, что к 2100 году температура в мире будет составлять от 1,4 до 5,8 градусов Цельсия. Мягкая граница этого диапазона — скорость потепления 1,4 градуса Цельсия на 100 человек. лет — все еще в 14 раз быстрее, чем один градус Цельсия за 1000 лет, что исторически было средней скоростью естественных изменений в глобальном масштабе. Если произойдет верхний предел диапазона, то мы сможем увидеть темпы изменения климата почти в 60 раз быстрее, чем средние естественные условия, что может привести к изменениям, которые многие сочтут опасными.Такие изменения почти наверняка вынудят многие виды попытаться сместить свои ареалы, как они это сделали во время ледникового периода / межледниковья между 10 000 и 15 000 лет назад. Мало того, что виды должны будут реагировать на климатические изменения со скоростью в 14-60 раз быстрее, но и немногие из них будут иметь спокойные, открытые маршруты миграции, как это было в конце ледникового периода и в начале межледниковой эры. Негативные последствия этого значительного потепления — для здоровья, сельского хозяйства, прибрежной географии и объектов наследия, и так далее, — также могут быть серьезными.

Чтобы сделать критические прогнозы будущих климатических изменений, необходимых для понимания судьбы экосистем на Земле, мы должны рыть землю, море и лед, чтобы извлечь как можно больше из геологических, палеоклиматических и палеоэкологических данных. Эти записи обеспечивают основу для калибровки грубых инструментов, которые мы должны использовать, чтобы заглянуть в темное экологическое будущее, будущее, на которое мы все в большей степени влияем.

АВТОРЫ
CLAUDE J. ALLGRE and STEPHEN H.SCHNEIDER изучает различные аспекты геологической истории Земли и ее климата. Альгре — профессор Парижского университета и руководит отделом геохимии Парижского геофизического института. Он является иностранным членом Национальной академии наук. Шнайдер — профессор кафедры биологических наук Стэнфордского университета и содиректор Центра экологических наук и политики. В 1992 году он был удостоен стипендии Макартура, а в 2002 году был избран членом Национальной академии наук.

Атмосфера Земли — Zoom Astronomy

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Атмосфера Земли представляет собой тонкий слой газов, окружающий Землю. Он состоит из 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа и следовых количеств других газов. Этот тонкий газовый слой изолирует Землю от экстремальных температур; он сохраняет тепло внутри атмосферы, а также блокирует Землю от большей части поступающего на Солнце ультрафиолетового излучения.

Атмосфера Земли имеет толщину около 300 миль (480 км), но большая часть атмосферы (около 80%) находится в пределах 10 миль (16 км) от поверхности Земли. Нет точного места, где заканчивается атмосфера; он становится все тоньше и тоньше, пока не сольется с космосом.

Давление воздуха :
На уровне моря давление воздуха составляет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм. По мере увеличения высоты (например, если вы поднимаетесь на гору) давление воздуха уменьшается.На высоте 10 000 футов давление воздуха составляет 10 фунтов на квадратный дюйм (а кислорода для дыхания меньше).

Слои атмосферы :
Термосфера : Термосфера — это термическая классификация атмосферы. В термосфере температура увеличивается с высотой. Термосфера включает экзосферу и часть ионосферы.

• Экзосфера : Экзосфера — это самый внешний слой атмосферы Земли.Экзосфера простирается от примерно 400 миль (640 км) до примерно 800 миль (1280 км). Нижняя граница экзосферы называется критическим уровнем утечки, где атмосферное давление очень низкое (атомы газа очень широко разнесены) и температура очень низкая.

• Ионосфера : Ионосфера начинается на высоте около 43-50 миль (70-80 км) и продолжается на сотни миль (около 400 миль = 640 км). Он содержит много ионов и свободных электронов (плазма). Ионы образуются, когда солнечный свет попадает на атомы и отрывает некоторые электроны.Полярные сияния происходят в ионосфере.

• Мезосфера : Мезосфера характеризуется температурами, которые быстро снижаются с увеличением высоты. Мезосфера простирается от 31 до 50 миль (от 17 до 80 километров) над поверхностью земли.

• Стратосфера : стратосфера характеризуется небольшим повышением температуры с высотой и отсутствием облаков. Стратосфера простирается от 11 до 31 мили (от 17 до 50 километров) над поверхностью земли.Озоновый слой Земли расположен в стратосфере. Озон, форма кислорода, имеет решающее значение для нашего выживания; этот слой поглощает много ультрафиолетовой солнечной энергии. Только самые высокие облака (перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые) находятся в нижней стратосфере.

• Тропопауза : Тропопауза — это пограничная зона (или переходный слой) между тропосферой и стратосферой.