Состав и строение атмосферы

Наша планета Земля окружена невидимым, но жизненно важным покрывалом — воздушной оболочкой, которую ученые называют атмосферой. Это слово, как и многие другие в географии, пришло из греческого языка и состоит из двух частей: «атмос», что означает «пар» или «воздух», и «сфера» — «шар». Таким образом, атмосфера — это «воздушный шар», окутывающий нашу планету. Мы живем на самом дне этого огромного воздушного океана, дышим его воздухом, и часто даже не замечаем его существования, пока не подует сильный ветер или не пойдет дождь. Однако без атмосферы жизнь на Земле была бы абсолютно невозможна. Она защищает нас, как невидимый щит, от губительного космического излучения и от падения метеоритов, согревает планету, как одеяло, и содержит кислород, необходимый для дыхания.

Из чего состоит атмосфера: невидимый коктейль газов

Воздух, которым мы дышим, кажется нам чем-то единым и простым. На самом деле, это сложная смесь различных газов. Состав этой смеси в нижних слоях атмосферы практически постоянен в любой точке земного шара. Если представить себе 100 частиц воздуха, то их распределение будет выглядеть примерно следующим образом. Главные компоненты атмосферного воздуха — это азот и кислород.

Азот — самый главный газ атмосферы

Основную часть атмосферы, около 78%, составляет азот. Это бесцветный газ, не имеющий запаха. Его роль в природе огромна, хотя он и не участвует непосредственно в дыхании. Азот можно назвать «разбавителем» кислорода. Если бы воздух состоял только из чистого кислорода, все процессы горения на Земле, включая процессы окисления в живых организмах, протекали бы слишком бурно и разрушительно. Азот смягчает действие кислорода, делая его безопасным для дыхания. Кроме того, азот является важнейшим элементом питания для растений. Правда, из воздуха растения его усваивать не могут. Им помогают особые почвенные бактерии, которые улавливают атмосферный азот и переводят его в доступные для растений соединения. А уже из растений азот по пищевым цепочкам попадает в организмы животных и человека, где участвует в построении белков — главного строительного материала всего живого.

Кислород — газ жизни

Второе место по содержанию в атмосфере (около 21%) занимает кислород. Его значение трудно переоценить. Именно кислород необходим для дыхания подавляющему большинству живых организмов на нашей планете, включая человека. Попадая в организм, кислород участвует в сложных химических реакциях, в ходе которых из питательных веществ высвобождается энергия, необходимая для жизни: для движения, роста, поддержания температуры тела. Без кислорода жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, была бы невозможна. Кроме того, кислород поддерживает горение. Без него мы не смогли бы разжечь костер, не работали бы двигатели автомобилей, не горел бы газ в плите. Почти весь кислород в нашей атмосфере имеет биологическое происхождение. Его производят зеленые растения (и на суше, и в океане) в процессе фотосинтеза, поглощая углекислый газ и выделяя кислород.

Другие газы и примеси

Оставшийся 1% атмосферного воздуха приходится на долю других газов. Из них больше всего аргона — инертного газа, который не вступает в химические реакции. Его около 0,9%. Совсем небольшую долю, всего около 0,04%, составляет углекислый газ. Несмотря на столь малое количество, его роль в жизни планеты огромна. Углекислый газ — это «утеплитель» для Земли. Он свободно пропускает солнечное тепло к поверхности планеты, но задерживает тепло, идущее от нагретой Земли, не давая ему улетучиться в космос. Это явление называют парниковым эффектом. Без него на Земле было бы так холодно, что океаны бы замерзли. Углекислый газ также является «пищей» для растений в процессе фотосинтеза. В атмосфере присутствуют и другие газы в очень малых количествах: неон, гелий, метан, криптон, водород.

Кроме газов, в воздухе всегда содержатся примеси: водяной пар, пыль, вулканический пепел, кристаллики морской соли, сажа. Количество водяного пара постоянно меняется. Больше всего его в жарком и влажном воздухе у экватора, и совсем мало — в холодных полярных областях. Именно из водяного пара образуются облака и выпадают осадки — дождь и снег. Частички пыли и сажи тоже играют свою роль: на них конденсируется водяной пар, образуя капельки воды, из которых состоят облака.

Строение атмосферы: путешествие вверх

Атмосфера не является однородной. Поднимаясь от поверхности Земли вверх, мы заметим, что и температура, и плотность, и состав воздуха будут меняться. Ученые делят всю атмосферу на несколько слоев, или сфер, как этажи в высоком здании. Четких границ между этими слоями нет, они плавно переходят один в другой. Нижняя граница атмосферы — это земная поверхность, а вот верхнюю границу провести очень сложно. Атмосфера постепенно редеет и переходит в безвоздушное космическое пространство. Условно эту границу проводят на высоте около 1000 километров.

Тропосфера — «кухня погоды»

Самый нижний и самый плотный слой атмосферы, в котором мы живем, называется тропосферой. Ее название происходит от греческого слова «тропос», что означает «поворот», «изменение». Это название очень точно отражает суть этого слоя, ведь именно здесь происходят все основные изменения, которые мы называем погодой. В тропосфере сосредоточено около 80% всей массы воздуха и почти весь водяной пар. Высота этого слоя неодинакова: над экватором она достигает 16-18 километров, а над холодными полярными областями — всего 8-10 километров.

Главная особенность тропосферы заключается в том, что температура воздуха в ней с высотой понижается. В среднем на каждый километр подъема становится холоднее примерно на 6 градусов Цельсия. Это происходит потому, что воздух в тропосфере нагревается не напрямую солнечными лучами, а от тепла, идущего от нагретой земной поверхности. Чем дальше от «печки» — Земли, тем холоднее. На верхней границе тропосферы температура опускается до минус 50-55 градусов. Именно в тропосфере образуются облака, дуют ветры, гремят грозы, идет дождь и снег. Здесь летают самолеты гражданской авиации, птицы и насекомые.

Стратосфера — царство озона

Над тропосферой, до высоты примерно 50-55 километров, простирается стратосфера. В переводе с греческого «стратум» означает «слой», «настил». Воздух здесь гораздо более разреженный, чем в тропосфере. Если в тропосфере мы наблюдали падение температуры с высотой, то в стратосфере все наоборот: температура начинает расти. В нижней части стратосферы она еще очень низкая, около минус 55 градусов, а на верхней границе поднимается до 0 градусов и даже чуть выше.

Причиной такого «подогрева» является озоновый слой. Озон — это особая форма кислорода. Если обычная молекула кислорода состоит из двух атомов (O2), то молекула озона — из трех (O3). Озоновый слой, расположенный на высоте 20-25 километров, играет роль важнейшего защитного экрана для всего живого на Земле. Он поглощает большую часть жесткого и губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Поглощая эту энергию, озоновый слой сам нагревается и нагревает окружающий его воздух. В стратосфере почти нет водяного пара, поэтому облака здесь — большая редкость. Лишь иногда в полярных широтах на высоте около 25 километров можно наблюдать очень красивые, тонкие перламутровые облака, состоящие из кристалликов льда. В стратосфере летают сверхзвуковые самолеты и метеорологические зонды.

Мезосфера и термосфера — верхние этажи атмосферы

Выше стратосферы, на высоте от 50 до 80-85 километров, находится мезосфера («средняя сфера»). Здесь плотность воздуха ничтожно мала. В мезосфере температура снова начинает быстро падать с высотой, достигая на ее верхней границе минус 90, а иногда и минус 100 градусов. Это самое холодное место в земной атмосфере. Именно в мезосфере сгорает большинство метеоров — «падающих звезд», которые вторгаются в земную атмосферу из космоса. Здесь они вспыхивают яркой чертой из-за трения о частицы воздуха. Иногда в мезосфере наблюдаются серебристые облака — самые высокие облака в атмосфере, видимые только в глубоких сумерках. Их природа до конца не изучена.

Над мезосферой начинается термосфера («теплая сфера»), которая простирается до высоты 800 километров. Воздух здесь чрезвычайно разрежен. Расстояние между отдельными частицами газа может составлять сотни метров. В этом слое температура снова начинает очень быстро расти с высотой, достигая нескольких сотен и даже тысяч градусов! Однако если бы мы смогли оказаться там без скафандра, мы бы не почувствовали этого жара, а мгновенно замерзли. Температура — это мера скорости движения частиц. Частицы газа в термосфере движутся с огромной скоростью, но их так мало, что они почти не сталкиваются друг с другом и не могут передать тепло какому-либо предмету. В термосфере под действием солнечного излучения происходит ионизация воздуха — атомы газов теряют свои электроны и становятся заряженными частицами. Поэтому этот слой еще называют ионосферой. Именно здесь возникают удивительные полярные сияния — свечение разреженных газов, вызванное потоками заряженных частиц от Солнца. Ионосфера имеет огромное практическое значение: от ее слоев, как от зеркала, отражаются радиоволны, что делает возможной радиосвязь на большие расстояния. Здесь летают космические корабли и орбитальные станции.

Самый внешний, переходный слой атмосферы, находящийся выше 800 километров, называется экзосферой («внешней сферой»). Газ здесь настолько разрежен, что его частицы почти не сталкиваются и самые быстрые из них могут преодолевать земное притяжение и улетать в космическое пространство. Атмосфера Земли — это сложная, многослойная и динамичная система, которая находится в постоянном взаимодействии с космосом и земной поверхностью. Изучение ее состава и строения помогает нам лучше понимать процессы, формирующие погоду и климат, и осознавать важность сохранения этой хрупкой воздушной оболочки, дарующей жизнь нашей планете.