§ 39. Состав и строение атмосферы

Воздушная оболочка Земли, удерживаемая силой земного притяжения и вращающаяся вместе с нашей планетой в космическом пространстве как единое целое.

• 1. Границы и толщина — атмосфера не имеет чёткой верхней границы и постепенно переходит в безвоздушное пространство; условно толщину атмосферы принимают равной примерно 3000 км (что сопоставимо с расстоянием от Москвы до Новосибирска).
• 2. Газовый состав сухого воздуха — атмосфера представляет собой механическую смесь газов: азот (78%), кислород (21%), другие газы (аргон, углекислый газ, озон, водород, гелий и др. — около 1%), а также водяной пар и взвешенные аэрозоли.
• 3. Твёрдые и жидкие примеси — в воздухе постоянно присутствуют кристаллики морской соли, фитонциды растений (смолистые запахи хвойных боров, ароматы степей), вулканический пепел, минеральная пыль, продукты горения и техногенные выбросы.
• 4. Биосферное значение — чистый воздух обеспечивает дыхание живых организмов, кислород необходим для окислительных процессов и горения, а вся оболочка защищает Землю от губительного космического излучения и ударов метеоритов.

Нижний, наиболее плотный слой атмосферы (от греческого «тропос» — поворот, направление, путь), непосредственно прилегающий к земной поверхности.

• 1. Концентрация массы и влаги — в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы атмосферного воздуха и практически весь имеющийся в атмосфере водяной пар.
• 2. Мощность слоя — толщина тропосферы неравномерна и закономерно меняется по широтам: над экватором за счёт сильного восходящего конвективного движения нагретого воздуха она достигает около 18 км, а над холодными полюсами составляет около 9 км.
• 3. «Кухня погоды» — именно в тропосфере непрерывно происходят важнейшие атмосферные процессы: формируются облака и туманы, выпадают осадки, дуют ветры, зарождаются грозы и циклоны.
• 4. Температурный градиент — по мере подъёма температура воздуха в тропосфере закономерно понижается в среднем на 6 °C на каждый километр высоты.

Слой атмосферы, располагающийся над тропосферой и простирающийся до высоты 50—55 км от поверхности планеты (от латинского «stratum» — покрывало, настил, слой).

• 1. Свойства воздуха — воздух в стратосфере сильно разрежен и исключительно сух; из-за практического отсутствия водяного пара здесь почти не образуются облака и не идут дожди.
• 2. Озоновый щит — в нижней части стратосферы располагается озоновый слой, поглощающий опасное ультрафиолетовое излучение Солнца.
• 3. Температурные условия — за счёт поглощения солнечной энергии молекулами озона температура воздуха в стратосфере перестаёт падать и в её верхних слоях повышается до значений, близких к 0 °C.

Область повышенной концентрации молекул озона (газ O₃, разновидность кислорода), расположенная в нижней части стратосферы на высотах от 20 до 25—30 км.

• 1. Происхождение и физические свойства — озон образуется из молекул кислорода под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения и электрических разрядов молний; его запах человек ощущает как «свежесть после грозы».
• 2. Защитная функция экрана — озоновый слой задерживает губительные для живых клеток ультрафиолетовые лучи Солнца; без этой защиты всё живое на суше погибло бы от радиационных ожогов и разрушения ДНК.
• 3. Уязвимость слоя — суммарное количество озона чрезвычайно мало: если бы весь атмосферный озон собрался у поверхности Земли при нормальном давлении, толщина слоя составила бы всего около 3 миллиметров.

Световые эффекты в атмосфере, возникающие при прохождении солнечных или лунных лучей через разнородные слои воздуха, капли воды, кристаллы льда и аэрозоли в результате их отражения, преломления, рассеивания или поглощения.

• 1. Сумерки и зори — ежедневные оптические явления перед восходом и после заката Солнца, когда лучи ушедшего за горизонт светила рассеиваются и отражаются верхними слоями атмосферы; продолжительность сумерек увеличивается от экватора к полюсам; в запылённом воздухе зори приобретают ярко-красный оттенок.
• 2. Полярные сияния — свечение разреженных газов верхних слоев атмосферы под воздействием потоков заряженных частиц солнечного ветра, наблюдаемое в высоких широтах обоих полушарий в виде полыхающих дуг, лучей и корон.
• 3. Миражи и гало — мнимые изображения далёких объектов и отражения неба у поверхности земли (миражи) вследствие преломления света в нагретых слоях воздуха разной плотности, а также радужные круги и венцы вокруг светил (гало), рождённые кристаллами льда.

Атмосфера Земли состоит из атмосферного воздуха, представляющего собой смесь различных газов, паров воды и взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозолей):

• Главные газы: основную массу воздуха составляют азот (78% по объёму) и кислород (21% по объёму);
• Другие газы: на их долю приходится суммарно около 1% объёма атмосферы; к ним относятся благородный газ аргон (около 0,93%), углекислый газ (0,03—0,04%), озон, водород, гелий, неон, криптон и ксенон;
• Водяной пар: сосредоточен преимущественно в тропосфере; его объёмное содержание колеблется от десятых долей процента в полярных пустынях до 3—4% во влажных тропиках;
• Примеси (аэрозоли): мельчайшие частицы морской соли, пыльца и фитонциды растений, минеральная и почвенная пыль, вулканический пепел, сажа и продукты техногенных выбросов.

По мере удаления от земной поверхности свойства воздуха меняются, поэтому атмосферу разделяют на несколько концентрических слоёв:

• Тропосфера — нижний, самый плотный слой (толщиной до 9 км над полюсами и до 18 км над экватором), содержащий около 80% массы воздуха и почти весь водяной пар, где происходит формирование погоды;
• Стратосфера — слой над тропосферой до высоты 50—55 км, характеризующийся сухим разреженным воздухом и содержащий защитный озоновый слой;
• Верхние слои атмосферы: мезосфера (до высоты 80—85 км, где температура падает до –90 °C и сгорают метеоры), термосфера (ионосфера, простирающаяся до сотен километров, где возникают полярные сияния) и экзосфера (внешний слой рассеяния газов в космическое пространство до высоты 3000 км).

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, которая удерживается гравитационной силой притяжения планеты и вращается вместе с ней в космическом пространстве как единое целое. Условная толщина атмосферы составляет около 3000 км.

Газовый состав сухого атмосферного воздуха включает:

• Азот (N₂) — занимает 78% объёма атмосферы; служит естественным разбавителем кислорода, препятствуя мгновенному самовозгоранию, и входит в состав белков всех живых организмов;
• Кислород (O₂) — составляет 21% объёма воздуха; жизненно необходим для дыхания людей, животных и растений, а также обеспечивает процессы горения и хозяйственную деятельность человека;
• Прочие газы — занимают около 1% объёма воздуха; ведущее место среди них занимает аргон (0,93%), углекислый газ (0,03—0,04%, необходимый для фотосинтеза растений), озон, водород, гелий и другие микроэлементы;
• Водяной пар и взвешенные частицы: воздух содержит микрокапли воды, кристаллики солей, пыль, сажу и вулканический пепел.

Атмосфера Земли имеет ярусное (послойное) строение, определяемое изменением температуры, плотности и состава воздуха с высотой:

• Тропосфера — нижний приземный слой (мощность от 9 км на полюсах до 18 км на экваторе). Здесь сосредоточено 80% всей массы воздуха и почти весь водяной пар планеты. С подъёмом температура понижается примерно на 6 °C на каждый километр. В тропосфере образуются облака, рождаются осадки и дуют ветры;
• Стратосфера — простирается над тропосферой до высоты 50—55 км. Воздух здесь сильно разреженный и очень сухой (водяного пара почти нет). В нижней части стратосферы расположен озоновый слой, поглощающий солнечные ультрафиолетовые лучи, благодаря чему температура к верхней границе слоя повышается примерно до 0 °C;
• Верхние слои атмосферы — расположены выше стратосферы (мезосфера, термосфера, экзосфера), отличаются колоссальной разреженностью газов, переходят в космический вакуум и первыми защищают Землю от космического излучения.

Распределение газов по мере уменьшения их объёмной доли в составе атмосферного воздуха:

• в) азот — составляет 78% объёма атмосферного воздуха (наибольшая доля);
• б) кислород — составляет 21% объёма атмосферного воздуха;
• а) углекислый газ — составляет около 0,03—0,04% объёма атмосферного воздуха (наименьшая доля из перечисленных газов).

Правильный порядок: в) азот → б) кислород → а) углекислый газ.

Правильный ответ: Б) Атмосфера вращается вместе с Землёй.

Подробный научный анализ вариантов:

• Утверждение А неверно: бо́льшую часть атмосферы занимает азот (78%), а кислород составляет 21%;
• Утверждение Б абсолютно верно: благодаря силе всемирного тяготения воздушная оболочка надёжно удерживается планетой и совершает суточное и орбитальное вращение синхронно с Землёй, не рассеиваясь в открытом космосе;
• Утверждение В неверно: самым плотным слоем атмосферы является нижний слой — тропосфера (в ней содержится около 80% всей массы воздуха), а в стратосфере воздух сильно разрежен;
• Утверждение Г неверно: мощность тропосферы закономерно зависит от широты — над разогретым экватором за счёт мощных восходящих токов воздуха она достигает около 18 км, а над холодными полюсами составляет около 9 км.