Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

	Объемная концентрация. %	Молекулярная масса, ед.
Кислород
Углекислый газ
Закись азота
	от 0 до 0,00001
Двуокись серы	от 0 до 0,000007 летом; от 0 до 0,000002 зимой
	От 0 ло 0,000002	46,0055/17,03061
Двуокись азога
Окись углерода

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат.condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы , находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Семейства	Роды облаков	Внешний облик
А. Облака верхнего яруса — выше 6 км	I. Перистые	Нитевидные, волокнистые, белые
	II. Перисто-кучевые	Слои и гряды из мелких хлопьев и завитков, белые
	III. Перисто-слоистые	Прозрачная белесая вуаль
Б. Облака среднего яруса — выше 2 км	IV. Высококучевые	Пласты и гряды белого и серою цвета
	V. Высокослоистые	Ровная пелена молочно-серого цвета
В. Облака нижнего яруса — до 2 км	VI. Слоисто-дождевые	Сплошной бесформенный серый слой
	VII. Слоисто-кучевые	Непросвечиваемые слои и гряды серого цвета
	VIII. Слоистые	Непросвечиваемая пелена серого цвета
Г. Облака вертикального развития — от нижнего до верхнего яруса	IX. Кучевые	Клубы и купола ярко-бе- лого цвета, при ветре с разорванными краями
	X. Кучево-дождевые	Мощные кучевообразные массы темно-свинцового цвета

Охрана атмосферы

Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.

Атмосфера является одной из самых важных составляющих нашей планеты. Именно она "укрывает" людей от суровых условий космического пространства, таких как солнечная радиация и космический мусор. При этом многие факты об атмосфере неизвестны большинству людей.

Настоящий цвет неба

Хотя в это трудно поверить, небо на самом деле фиолетовое. Когда свет попадает в атмосферу, воздух и вода частицы поглощают свет, рассеивая его. При этом более всего рассеивается фиолетовый цвет, поэтому люди и видят голубое небо.

Эксклюзивный элемент в атмосфере Земли

Как многие помнят из школы, атмосфера Земли состоит из приблизительно 78% азота, 21% кислорода и небольших примесей аргона, углекислого газа и других газов. Но мало кто знает, что наша атмосфера является единственной, на данный момент обнаруженной учеными (помимо кометы 67P), которая имеет свободный кислород. Поскольку кислород является очень химически активным газом, он часто вступает в реакцию с другими химическими веществами в космосе. Его чистая форма на Земле делает планету пригодной для жизни.

Белая полоса на небе

Наверняка, некоторые иногда задумывались, почему за реактивным самолетом на небе остается белая полоса. Эти белые следы, известные как инверсионные, образуются, когда горячие и влажные выхлопные газы из двигателя самолета смешиваются с более холодным наружным воздухом. Водяной пар из выхлопных газов замерзает и становится видимым.

Основные слои атмосферы

Атмосфера Земли состоит из пяти основных слоев, которые и делают возможной жизнь на планете. Первый из них, тропосфера, простирается от уровня моря до высоты примерно в 17 км до на экваторе. Большая часть погодных явлений происходит именно в нем.

Озоновый слой

Следующий слой атмосферы, стратосфера достигает высоты примерно 50 км на экваторе. В ней находится озоновый слой, который защищает людей от опасных ультрафиолетовых лучей. Несмотря на то, что этот слой находится выше тропосферы, он может быть на самом деле теплее из-за поглощаемой энергии солнечных лучей. В стратосфере летают большинство реактивных самолетов и метеозондов. Самолеты могут летать в ней быстрее, поскольку здесь на них меньше влияют сила тяжести и трения. Метеозонды же могут получить лучшее представление о штормах, большинство из которых происходят ниже в тропосфере.

Мезосфера

Мезосфера - средний слой, простирающийся до высоты 85 км над поверхностью планеты. Температура в нем колеблется около -120 ° C. Большинство метеоров, которые входят в атмосферу Земли, сгорают в мезосфере. Последними двумя слоями, переходящими в космос, являются термосфера и экзосфера.

Исчезновение атмосферы

Земля, скорее всего, теряла свою атмосферу несколько раз. Когда планета была покрыта океанами магмы, в нее врезались массивные межзвездные объекты. Эти воздействия, из-за которых также образовалась Луна, возможно, впервые образовали атмосферу планеты.

Если бы не было атмосферных газов...

Без различных газов в атмосфере Земля была бы слишком холодной для существования людей. Водяной пар, углекислый газ и другие атмосферные газы поглощают тепло от солнца и «распределяют» его по поверхности планеты, помогая создать климат, пригодный для обитания.

Образование озонового слоя

Пресловутый (и важно необходимый) озоновый слой был создан, когда атомы кислорода вступили в реакцию с ультрафиолетовым светом солнца, образовав озон. Именно озон поглощает большинство вредного излучения Солнца. Несмотря на свою важность, озоновый слой был образован сравнительно недавно после того, как в океанах возникло достаточно жизни, чтобы выделять в атмосферу количество кислорода, необходимое для создания минимальной концентрации озона.

Ионосфера

Ионосфера называется так, потому что высокоэнергетические частицы из космоса и от Солнца помогают сформировать ионы, создавая «электрический слой» вокруг планеты. Когда не существовало спутников, этот слой помогал отражать радиоволны.

Кислотные дожди

Кислотный дождь, который разрушает целые леса и опустошает водные экосистемы, формируется в атмосфере, когда диоксид серы или частицы оксида азота перемешиваются с водяным паром и выпадают на землю в виде дождя. Эти химические соединения встречаются и в природе: диоксид серы вырабатывается при вулканических извержениях, а оксид азота — при ударах молний.

Мощность молний

Молнии обладают такой мощью, что всего один разряд может нагреть окружающий воздух до 30 000 ° C. Быстрый нагрев вызывает взрывное расширение близлежащего воздуха, который слышно в виде звуковой волны, называемой громом.

Полярное сияние

Aurora Borealis и Aurora Australis (северное и южное полярные сияния) вызваны реакциями ионов, происходящими в четвертом уровне атмосферы, термосфере. Когда высоко заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с молекулами воздуха над магнитными полюсами планеты, они светятся и создают великолепные световые шоу.

Закаты

Закаты часто выглядят как горящее небо, поскольку небольшие атмосферные частицы рассеивают свет, отражая его в оранжевых и желтых оттенках. Тот же принцип лежит в основе формирования радуг.

Обитатели верхних слоёв атмосферы

В 2013 году ученые обнаружили, что крошечные микробы способны выживать на высоте в много километров над поверхностью Земли. На высоте 8-15 км над планетой были обнаружены микробы, разрушающие органические химические вещества, которые плавают в атмосфере, «питаясь» ими.

Во время сильной солнечной бури Земля теряет около 100 тонн атмосферы .

Факты космической погоды

1. Солнечные вспышки, могут иногда нагревать солнечную поверхность до температуры 80 миллионов F, что горячее ядра ​​солнца!
2. Самый быстрый выброс корональной массы был зарегистрирован 4 августа 1972 года и он путешествовал от Солнца до Земли 14,6 часа - скорость около 10 миллионов километров в час или 2778 км/сек.
3. 8 апреля 1947 года зафиксировано крупнейшие пятно в новейшей истории, с максимальным размером, превышающим в 330 раз площадь Земли.
4. Самая мощная солнечная вспышка за последние 500 лет произошло 2 сентября 1859 г. и была обнаружена двумя астрономами, которым повезло, глянуть на солнце в нужное время!
5. В период с 10 по 12 мая 1999 года, давление солнечного ветра практически исчезло, в результате чего магнитосфера Земли расширилась в объеме более чем в 100 раз!
6. Типичные выбросы корональной массы могут иметь размеры в миллионы километров, но масса соответствует небольшой горе!
7. Некоторые пятна на Солнце настолько прохладны, что водяные пары могут образовываться при температуре 1550 С.
8. Самые мощные полярные сияния могут генерировать более 1 трлн ватт, что сравнимо с землетрясением средней мощности.
9. 13 марта 1989 в Квебеке(Канада) в результате крупной геомагнитной бури произошла крупная авария в электросетях, вызвавшая отключение энергии в течении 6 часов. Ущерб для экономики Канады составил 6 миллиардов долларов
10. Во время интенсивных солнечных вспышек космонавты могут видеть яркие мигающие полосы света от воздействия частиц высокой энергии на глазные яблоки.
11. Самой большой проблемой путешествия космонавтов на Марс будет преодоление воздействия солнечных бурь и радиации.
12. Прогнозирования космической погоды стоит всего $ 5 млн в год, но сохраняет более 500 миллиардов долларов ежегодного дохода от спутников и электротехнической промышленности.
13. В течение последнего цикла солнечной активности было повреждено или уничтожено спутниковых технологий на 2 млрд $.
14. Повторение кэррингтоновского события, как в 1859 году, может стоить 30 миллиардов долларов в день для электросетей США и до 70 млрд. $ для спутниковой индустрии.
15. 4 августа 1972 солнечная вспышка была настолько сильна, что, по некоторым оценкам, космонавт во время полета получил бы смертельную дозу излучения.
16. В течение минимума Маундера (1645-1715), сопровождавшегося наступлением малого ледникового периода , 11-летний цикл солнечных пятен не был обнаружен.
17. За одну секунду солнце превращает 4 миллиона тонн материи в чистую энергию.
18. Ядро Солнца, почти столь же плотное, как свинец и имеет температуру 15 млн. градусов C.
19. Во время сильной солнечной бури Земля теряет около 100 тонн атмосферы.
20. Магнитные игрушки на редкоземельные элементах могут иметь магнитное поле в 5 раз сильнее, чем магнитное поле солнечных пятен.

Одна из ярких особенностей Солнечной системы - разнообразие планетных атмосфер. Земля и Венера схожи по размеру и массе, однако поверхность Венеры раскалена до 460° C под океаном из диоксида углерода, который давит на поверхность как километровый слой воды. Каллисто и Титан - крупные спутники, соответственно, Юпитера и Сатурна; они почти одного размера, но Титан имеет обширную азотную атмосферу, гораздо большую, чем у Земли, а Каллисто практически лишена атмосферы.

Откуда берутся такие крайности? Если бы мы это знали, то смогли бы объяснить, почему Земля полна жизни, тогда как другие планеты рядом с ней выглядят безжизненными. Поняв, как эволюционируют атмосферы, мы могли бы определить, какие планеты вне Солнечной системы могут быть обитаемы.

Планета приобретает газовый покров разными путями. Она может извергать пар из своих недр, может захватить летучие вещества у комет и астероидов при столкновении с ними, или же ее гравитация может притянуть газы из межпланетного пространства. К тому же планетологи приходят к выводу, что потеря газа играет столь же важную роль, как и его приобретение. Даже земная атмосфера, которая выглядит незыблемой, постепенно утекает в космическое пространство. Темп утечки в настоящее время очень мал: около 3 кг водорода и 50 г гелия (два легчайших газа) в секунду; но даже такая струйка может стать существенной за геологический период, а темп потери мог быть когда-то значительно выше. Как писал Бенджамин Франклин, "маленькая течь может потопить большой корабль". Нынешние атмосферы планет земной группы и спутников планет-гигантов напоминают руины средневековых замков - это остатки былой роскоши, ставшей жертвой грабежа и обветшания. Атмосферы же еще меньших тел похожи на разрушенные форты - беззащитные и легко ранимые.

Осознав важность утечки атмосфер, мы меняем свое представление о будущем Солнечной системы. Десятилетиями ученые пытались понять, почему у Марса столь тонкая атмосфера, но теперь мы удивлены, что у него вообще сохранилась хоть какая-то атмосфера. Не обусловлено ли различие между Титаном и Каллисто тем, что Каллисто потеряла свою атмосферу прежде,чем на Титане появился воздух? Была ли раньше атмосфера Титана более плотной, чем сегодня? Как Венера сохранила азот и диоксид углерода, но полностью потеряла воду? Способствовала ли утечка водорода зарождению жизни на Земле? Превратится ли когда-нибудь наша планета во вторую Венеру?

Когда становится жарко

Если ракета набрала вторую космическую скорость, то она движется так быстро, что способна преодолеть притяжение планеты. То же самое можно сказать об атомах и молекулах, хотя обычно они достигают скорости убегания, не имея определенной цели. При тепловом испарении газы становятся настолько горячими, что их невозможно удержать. В нетепловых процессах атомы и молекулы выбрасываются в результате химических реакций или взаимодействия заряженных частиц. Наконец, при столкновении с астероидами и кометами отрываются целые куски атмосферы.

Самый распространенный процесс из этих трех - тепловое испарение. Все тела в Солнечной системе нагреваются солнечным светом. Избавляются от этого тепла они двумя путями: испусканием инфракрасного излучения и испарением вещества. У долгоживущих объектов, таких как Земля, доминирует первый процесс, а, например, у комет - второй. Если нарушится баланс между нагревом и охлаждением, то даже крупное тело размером с Землю может довольно быстро нагреться, и при этом его атмосфера, обычно содержащая малую долю массы планеты, может весьма быстро испариться. Наша Солнечная система заполнена телами, лишенными воздуха, по-видимому, в основном по причине теплового испарения. Тело становится безвоздушным, если солнечный нагрев превосходит определенный порог, зависящий от силы гравитации тела.
Тепловое испарение происходит двумя путями. Первый называют испарением Джинса в честь английского астрофизика Джеймса Джинса (James Jeans), описавшего это явление в начале XX в. При этом воздух из верхнего слоя атмосферы испаряется буквально атом за атомом, молекула за молекулой. В более низких слоях взаимные соударения удерживают частицы, но выше уровня, называемого экзобазой (у Земли он лежит на высоте 500 км от поверхности), воздух настолько разрежен, что частицы газа почти никогда не сталкиваются. Выше экзобазы уже ничто не может остановить атом или молекулу, имеющие достаточную скорость для вылета в космос.

Водород как самый легкий газ проще других преодолевает притяжение планеты. Но сначала он должен добраться до экзобазы, а на Земле это долгий процесс. Молекулы с водородом обычно не поднимаются выше нижних слоев атмосферы: водяной пар (H2O) конденсируется и падает вниз в виде дождя, а метан (CH4) окисляется и превращается в диоксид углерода (CO2). Некоторые молекулы воды и метана добираются до стратосферы и разрушаются, выделяя водород, который медленно диффундирует вверх, пока не доберется до экзобазы. Некоторая часть водорода утекает, о чем свидетельствуют ультрафиолетовые снимки, демонстрирующие гало из атомов водорода вокруг нашей планеты.

Температура на высоте экзобазы Земли колеблется вблизи 1000 К, что соответствует средней скорости атомов водорода около 5 км/с. Это меньше второй космической скорости для Земли на этой высоте (10,8 км/с); но скорости атомов вокруг среднего значения распределены широко, поэтому некоторые атомы водорода имеют шанс преодолеть притяжение планеты. Утечка частиц из высокоскоростного "хвоста" в их распределении по скоростям объясняет от 10 до 40 % потерь Землей водорода. Испарением Джинса частично объясняется и отсутствие атмосферы у Луны: газы, выходящие из-под поверхности Луны, легко испаряются в космос.

Второй путь теплового испарения более эффектен. В то время как при испарении Джинса газ улетает молекула за молекулой, нагретый газ может улетать целиком. Верхние слои атмосферы могут поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, нагреваться и, расширяясь, выталкивать воздух вверх. Поднимаясь, воздух ускоряется, преодолевает скорость звука и достигает скорости убегания. Эта форма теплового испарения называется гидродинамическим оттоком, или планетным ветром (по аналогии с солнечным ветром - потоком заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем в космос).

Основные положения

Многие газы, составляющие атмосферу Земли и других планет, медленно утекают в космос. Горячие газы, в особенности легкие, испаряются, химические реакции и столкновения частиц приводят к выбросу атомов и молекул, а кометы и астероиды иногда отрывают большие куски атмосферы.
Утечкой объясняются многие загадки Солнечной системы. Например, Марс красный из-за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Подобный процесс на Венере привел к появлению плотной атмосферы из диоксида углерода. Удивительно, но могучая атмосфера Венеры - результат утечки газа.

Дэвид Кетлинг и Кевин Цанле
Журнал «В мире науки»

Земля теряет атмосферу! Грозит ли нам кислородное голодание?

Исследователи были поражены недавним открытием: оказалось, что наша планета теряет свою атмосферу быстрее, чем Венера и Марс из-за того, что обладает гораздо более значительным и мощным магнитным полем.

Это может означать, что магнитное поле Земли – не такой уж и хороший защитный экран, как это предполагалось ранее. Ученые были уверены в том, что именно благодаря действию магнитного поля Земли атмосфера хорошо защищена от губительного воздействия Солнца. А оказалось, что магнитосфера Земли способствует истончению земной атмосферы за счет ускоренной потери кислорода.

По словам Кристофера Рассела, профессора геофизики и специалиста по космической физике университета Калифорнии, ученые привыкли считать, что человечеству крайне повезло с земной "пропиской": замечательное магнитное поле Земли, мол, отлично защищает нас от солнечных "атак" – космических лучей, вспышек на Солнце и солнечного ветра. Теперь же выясняется, что магнитное поле земли – не только защитник, но и враг.

Группа специалистов во главе с Расселом пришли к этому выводу во время совместной работы на Конференции сравнительной планетологии.

СТРАННОСТИ ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ ПЛАНЕТЫ: ВЗГЛЯД В АТМОСФЕРУ

Впервые удалось наблюдать процессы, протекающие в атмосфере планеты далеко за пределами Солнечной системы.

Судя по всему, процессы эти вызваны яркой вспышкой на материнской звезде планеты – впрочем, обо всем по порядку.

Экзопланета HD 189733b является газовым гигантом наподобие Юпитера, хотя примерно на 14% крупнее и несколько тяжелее него. Планета вращается вокруг звезды HD 189733, на расстоянии от нее порядка 4,8 млн км (и 63 световых лет от нас), то есть примерно в 30 раз ближе, чем Земля к Солнцу. Полный оборот вокруг своей материнской звезды она совершает за 2,2 земных дня, температура на ее поверхности достигает свыше 1000 О С. Сама же звезда относится к солнечному типу, имея в размерах и весе примерно 80% солнечных.

Время от времени HD 189733b проходит между звездой и нами, что и позволило по изменению светимости звезды не только обнаружить присутствие планеты, но и показать наличие у нее атмосферы, а в атмосфере – водяного пара (читайте: «Есть вода »). Обнаружилось также, что она постоянно теряет водород, фактически, являясь «испаряющейся» планетой. С этим «испарением» получилась довольно запутанная история.

Весной 2010 г. за одним из транзитов – прохождений планеты между своей звездой и нами –наблюдал космический телескоп Hubble , который не обнаружил признаков ни атмосферы, ни ее испарения. А осенью 2011 г. он же, наблюдая за транзитом той же HD 189733b, наоборот, предоставил весьма красноречивые свидетельства и того, и другого, зафиксировав целый газовый «хвост», покидающий планету: подсчитанная на этой основе скорость «испарения» составила не менее 1 тыс. т вещества в секунду. К тому же, поток развивал миллионы километров в час.

Чтобы разобраться в этом, к делу подключили рентгеновский телескоп Swift . Именно их совместная работа позволила впервые зафиксировать взаимодействия между далекой звездой и ее планетой. Swift наблюдал за тем же транзитом сентября 2011 г., и примерно за восемь часов до начала работы Hubble зафиксировал на поверхности звезды HD 189733 мощнейшую вспышку. В рентгеновском диапазоне излучение звезды подскочило в 3,6 раза.

Выводы ученых логичны: расположенная весьма близко к звезде, газовая планета получила в результате вспышки изрядный удар – в рентгеновском диапазоне он был в десятки тысяч раз мощнее всего того, что получает Земля даже при самых мощных (Х-класса) вспышках на Солнце. А если учесть огромные размеры HD 189733b, получается, что планета испытала воздействие рентгена в миллионы раз большее, чем это возможно при вспышке Х-класса на Солнце. Именно это воздействие привело к тому, что она начала стремительно терять вещество.

Испаряющаяся под действием близкой звезды атмосфера HD 189733b: взгляд художника Так выглядела HD 189733b 14 сентября 2011 г. в объективе зонда Swift (кобминированное изображение в видимом и рентгеновском диапазоне) То же изображение, но только в рентгеновских лучах

Без атмосферы жизнь на планете была бы невозможна. Вдыхая каждую минуту от 5 до 100 л воздуха, человек в сутки потребляет его кг, а это значительно превосходит среднесуточную потребность в пище и воде. Атмосфера, кроме того, надежно оберегает человека от многочисленных опасностей, угрожающих ему из космоса: не пропускает метеориты, защищает землю от перегрева. Основной потребитель воздуха в природе - флора и фауна Земли. Воздух необходим всему живому на Земле. Без пищи человек может прожить пять недель, без воды - пять дней, без воздуха - пять минут, но нормальная жизнедеятельность людей требует не только наличия воздуха, но и определенной чистоты, от качества воздуха зависят здоровье людей, состояние растительного и животного мира, прочность и долговечность любых конструкций зданий, сооружений. Загрязненный воздух губителен для вод, суши, морей, почв.

Атмосферный воздух загрязняется путем привнесения в него или образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровня естественного содержания. Наиболее значимое влияние на состав атмосферы оказывают предприятия черной и цветной металлургии, химическая и нефтехимическая промышленность, стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно- бумажная промышленность, автотранспорт, а в некоторых городах и котельные.

От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Например, отходы медеплавильных заводов - хлор, мышьяк, сурьма -вызывают гибель домашних и диких животных, поедающих отравленную эти веществами пищу, тяжелые заболевания скота наблюдаются от фтористых соединений. Медь и цинк, попадающие с выбросами заводов на землю, могут полностью уничтожить травяной покров. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей, под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост древесных насаждений, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Эта способность природы долгое время эксплуатировалась человеком бездумно и хищнически. Отходы производства выбрасываются в воздух в расчете на то, что будут обезврежены и переработаны самой природой. Казалось, что как ни велика общая масса отходов, по сравнению с защитными ресурсами она незначительна. Однако процесс загрязнения резко прогрессирует, и становится очевидным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск, так как способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы.

Стратосферный озоновый слой защищает людей и живую природу от жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в ультрафиолетовой части солнечного спектра. Каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тыс. дополнительных случаев слепоты из-за катаракты на 2,6% увеличивает число раковых заболеваний кожи. Установлено, что жесткий ультрафиолет подавляет иммунную систему организма.

Запуск мощных ракет, ежедневные полеты реактивных самолетов в высоких слоях атмосферы, испытания ядерного оружия, ежегодное уничтожение природного озонатора - миллионов гектаров леса - пожарами и хищнической рубкой, массовое применение фреонов в технике, парфюмерной и химической продукции в быту - главные факторы, разрушающие озоновый экран Земли.

Однако самыми основными разрушителями озона являются синтезированные человеком химические вещества, получившие названия хлорфторуглероды. Инертные, негорючие, неядовитые, несложные в производстве, они получили широкое распространение - в баллончиках с аэрозолями различного назначения, а также как охлаждающие жидкости в холодильниках и кондиционерах, как растворители (тетрахлорметан, бромистый метил и др.), в производстве пестицидов. Из бромистого метила высвобождается бром, который в раз разрушительнее для озона, чем хлор. Другие химические соединения, разрушающие озоновый слой, используются в баллонах для тушения пожара и др.

Термин "кислотные дожди" ввел в 1862 г. английский инженер Роберт Смит в книге "Воздух и дождь: начало химической климатологии". Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб природе. Земля, водоемы, растительность, животные и постройки становятся их жертвами. На территории России в 1996 г. вместе с осадками выпало более 4 млн.т серы и 1,25 млн.т нитратного азота. Особенно тревожная ситуация сложилась в Центральном и Центрально - Черноземном районах, а также в Кемеровской области и Алтайском крае, в Норильске. В Москве и Санкт-Петербзфге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1500 кг серы на 1 кв.м. Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных, западно - и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия).

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция, реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс. Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу - шедевру индийской архитектуры периода Великих Монголов, в Лондоне - Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св.Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи Св.Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придется резко снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на % обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места промышленного выброса.

Накопление углекислого газа в атмосфере - одна из основных причин парникового эффекта, возрастающего от разогревания Земли лучами Солнца. Этот газ не пропускает солнечное тепло обратно в космос. Содержание парниковых газов - углекислого газа, метана и др. неуклонно увеличивается.

К газам, создающим парниковый эффект, относится и метан, поэтому очень важно определить реальные его потери при добыче, транспортировке по трубопроводам, распределении в городах и населенных пунктах, при использовании на станциях теплоснабжения и электростанциях. По некоторым российским и зарубежным источникам, потери газа по всей этой цепочке составляют от 10 до 30%, по данным Минтопэнерго России -1,5%, что соизмеримо с мировой нормой. Анализ динамики климатических данных показал, что в 80-х и начале 90-х гг. среднегодовые температуры на северной половине Восточно-Европейской равнины возросли из-за частой повторяемости теплых зим, причем отмечена сопряженность ареалов максимальной изменчивости климатических характеристик с географическим распределением загрязнений атмосферы. Изменение климата в результате антропогенных выбросов парниковых газов ведет к крупномасштабным негативным последствиям практически во всех областях деятельности человека. Наиболее значительному потеплению подвержены высокие широты Земли, в которых расположена значительная часть территории России. В зоне вечной мерзлоты в результате таяния льдов при потеплении климата станет разрушаться хозяйственная инфраструктура, будет нанесен ущерб добывающей промышленности, энергетическим и транспортным системам, коммунальному хозяйству. Изменение климата может оказать негативное влияние на здоровье людей - как из-за усиления теплового стресса в южных районах, так и из-за распространения многих видов заболеваний.

Поверхность земли испытывает самую значительную по массе и очень опасную антропогенную нагрузку. Если в атмосферу выбрасывается менее 1 млрд.т вредных веществ, а в гидросферу - около 15 млрд.т загрязнителей, то на землю попадает ежегодно примерно 85 млрд.т антропогенных отходов. По некоторым оценкам, их общий объем к концу 90 гг. превысил 1500 куб.км, что соответствует объему 600 тыс.пирамид Хеопса. Если даже преобладающая часть этого объема химически инертна, то для того чтобы его разместить на земле, человек уничтожает природные экосистемы на значительной площади.

Основными источниками антропогенного загрязнения земли являются: твердые и жидкие отходы добывающей, перерабатывающей и химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта; отходы потребления, в первую очередь твердые бытовые отходы; сельскохозяйственные отходы и применяемые в агротехнике ядохимикаты; атмосферные выпадения токсичных веществ; аварийные выбросы и сбросы загрязняющих веществ.

В начале 70-х гг. применение пестицидов в большинстве развитых стран было запрещено. Спустя более полувека с начала применения пестицидов следует признать, что беспрецедентная химическая война с вредителями сельского хозяйства практически полностью проиграна. Несмотря на многомиллиардные затраты на производство и применение пестицидов, потери урожая от вредителей не уменьшились. В конечном итоге люди не сумели надежно защитить растения, не смогли полностью уничтожить ни одного вида вредоносных организмов, зато существенно увеличили загрязнение почв и биосферы в целом. Пестициды постепенно накапливаются в почве и воде, а затем по пищевым цепям переходят в растения, в животных и организм человека. Хотя пестициды уже много лет снят с производства и повсеместно запрещены к применению, в природной среде циркулирует около миллиона тонн этого ядовитого вещества. Его обнаруживают в воде, в воздухе, в организмах животных и человека даже в тех районах земного шара, где никогда не проводились химические обработки растений. Применение пестицида и его аналогов имело множество серьезных экологических последствий. В результате загрязнения почвы и заражения биосферы гибнут целые популяции полезных насекомых, птиц, рыб и других животных. Отравление пестицидами поражает в мире до двух миллионов человек и уносит до 40 тыс. человеческих жизней.

Растительный мир - единственный компонент биосферы, способный создавать органическое вещество, т.е. фактически главнейший источник, который обеспечивает жизнь всех существ, населяющих Землю, в том числе человека. От состояния растительного мира зависит экологическое равновесие в биосфере, благополучие животного мира, производительность многих отраслей народного хозяйства, физическое и нравственное здоровье людей.

Ежегодно с лица нашей планеты в результате техногенной деятельности человека исчезают тысячи видов растений, насекомых и животных. Ежедневно в мире вымирает один-два вида диких растений. Между тем один вид растений обеспечивает существование в среднем 11 видов животных (в тропических лесах - 20 видов). Уничтожение лесов неизменно ведет к снижению порога устойчивости биосферы, нарастанию разрушительной силы наводнений, селей, водной эрозии, пылевых бурь, опустошительных засух и суховеев, ускорению процессов опустынивания.

С обезлесением ландшафтов постепенно уничтожается живое вещество, обедняется биосфера в целом. Зеленое убранство планеты сокращается в основном из-за интенсивных заготовок древесины, расчистки лесных площадей под сельскохозяйственные угодья, пожаров и, конечно, в результате загрязнения окружающей среды. Сокращается и генетическое разнообразие экологических систем, исчезли целые семейства растений, отдельные виды животных. Скорость исчезновения видов животных и растений в 5000 раз превосходит естественный ход эволюции. По сути дела, речь идет о мощном и бесцеремонном воздействии на тонко отрегулированные природой механизмы и связи, управляющие биосферой Земли. Ученые и защитники природы давно бьют тревогу. Лесохозяйственные мероприятия и пользование лесным фондом должны осуществляться методами, не приносящими вреда окружающей природной среде, природным ресурсам и здоровью человека.

Источники и вещества, загрязняющие Мировой океан, многочисленны: от ртути до поддающихся разложению синтетических моющих средств, часто образующих в реках толстый слой пены. Высокая зависимость производства от воды, играющей также важную роль в транспортировке грузов, обусловила концентрацию хозяйственных объектов (следовательно, и населения) вблизи водных источников. До 90% вредных веществ поступают в водоемы из сточных вод, сбрасываемых этими, а также бытовыми объектами. О масштабах загрязнения говорят следующие факты: ежегодно прибрежные воды пополняются 320 млн т железа, 6,5 млн т фосфора, 2,3 млн т свинца. Только в водоемы бассейна Черного и Азовского морей в 1990 г. было сброшено 7,7 млрд кубометров загрязненных производственных и коммунальных сточных вод

Наиболее массовыми веществами, загрязняющими водоемы, являются нефть и производные от нее продукты. В Мировой океан ежегодно поступает в среднем млн т нефтепродуктов. Нефтяное загрязнение океана опасно из-за того, что на поверхности воды образуется тонкая нефтяная гидрофобная пленка, препятствующая свободному газообмену с атмосферой, что резко сказывается на океанской флоре и фауне. В открытом океане такая пленка быстро разрушается, в закрытых акваториях и близ побережий может существовать годами. Сотни видов животных и растений теряют вследствие нефтезагрязнений свою естественную среду обитания. Из-за нефтяной пленки, которая растекается по водной поверхности, гибнет планктон, а если он и остается жить, то производимый им кислород, не имея выхода в атмосферу, тратиться на окислительные процессы в воде. Эта же пленка способна погубить многие миллионы личинок рыб. Загрязненная нефтью вода непригодна для бытовых и большинства технологических нужд человека.

Кроме химического и нефтяного загрязнения, существует еще один вид загрязнений, особенно опасный для океана, - радиоактивное загрязнение при захоронении радиоактивных отходов. Первоначально основным способом избавления от радиоактивного мусора было захоронение РАО в морях и океанах. Но тогда это были, как правило, низкоактивные отходы, которые упаковывали в 200 литровые металлические барабаны, заливали бетоном и сбрасывали в море.

Еще в 1809 г. Ж.-Б. Ламарк сделал яркое высказывание по поводу того, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания. В наше время можно найти много высказываний о самоубийственном потенциале развития человека. "Сейчас в конце 20 столетия, никто не станет отрицать, что только радикальное изменение взаимоотношений между человеком и природой позволит нам избежать судьбы динозавров" (Ф.Рамад). В июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. В ней приняли участие главы, члены правительства и эксперты 179 государств, а также представители многих неправительственных организаций, научных и деловых кругов. Декларация Рио-92 призывает все государства принять ответственность за все формы деятельности, наносящие ущерб окружающей среде в других странах, информировать другие страны о потенциально возможных и совершившихся техногенных и природных катастрофах, наращивать эффективность природоохранного законодательства, не допускать перенесения на территорию других государств источников экологической опасности.

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.

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.

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»).

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.

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%.

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

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.

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.

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.

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».

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.

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.

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 тысячи километров 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.

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.

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.

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.

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

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!

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 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.

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.

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.

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.

Атмосфера Земли в астрономии

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.

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.