Ατμόσφαιρα, άνθρωπος και ζωή στη γη. Ατμόσφαιρα της γης Ύπαρξη της ατμόσφαιρας
Η ατμόσφαιρα είναι αυτή που κάνει δυνατή τη ζωή στη Γη. Λαμβάνουμε τις πρώτες πληροφορίες και στοιχεία για την ατμόσφαιρα στο δημοτικό σχολείο. Στο γυμνάσιο, εξοικειωνόμαστε περισσότερο με αυτήν την έννοια στα μαθήματα γεωγραφίας.
Έννοια της ατμόσφαιρας της γης
Όχι μόνο η Γη, αλλά και άλλα ουράνια σώματα έχουν ατμόσφαιρα. Αυτό είναι το όνομα που δόθηκε στο αέριο κέλυφος που περιβάλλει τους πλανήτες. Η σύνθεση αυτού του στρώματος αερίου ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των πλανητών. Ας δούμε τις βασικές πληροφορίες και τα γεγονότα για τον ονομαζόμενο αέρα.
Το πιο σημαντικό συστατικό του είναι το οξυγόνο. Μερικοί άνθρωποι πιστεύουν λανθασμένα ότι η ατμόσφαιρα της γης αποτελείται εξ ολοκλήρου από οξυγόνο, αλλά στην πραγματικότητα, ο αέρας είναι ένα μείγμα αερίων. Περιέχει 78% άζωτο και 21% οξυγόνο. Το υπόλοιπο ένα τοις εκατό περιλαμβάνει όζον, αργό, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς. Παρόλο που το ποσοστό αυτών των αερίων είναι μικρό, εκτελούν μια σημαντική λειτουργία - απορροφούν σημαντικό μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας ενέργειας, εμποδίζοντας έτσι το φωτιστικό να μετατρέψει όλη τη ζωή στον πλανήτη μας σε στάχτη. Οι ιδιότητες της ατμόσφαιρας αλλάζουν ανάλογα με το υψόμετρο. Για παράδειγμα, σε υψόμετρο 65 km, το άζωτο είναι 86% και το οξυγόνο είναι 19%.
Σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης
- Διοξείδιο του άνθρακααπαραίτητο για τη διατροφή των φυτών. Εμφανίζεται στην ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα της διαδικασίας αναπνοής των ζωντανών οργανισμών, της σήψης και της καύσης. Η απουσία του στην ατμόσφαιρα θα καθιστούσε αδύνατη την ύπαρξη οποιωνδήποτε φυτών.
- Οξυγόνο- ζωτικό συστατικό της ατμόσφαιρας για τον άνθρωπο. Η παρουσία του είναι προϋπόθεση για την ύπαρξη όλων των ζωντανών οργανισμών. Αποτελεί περίπου το 20% του συνολικού όγκου των ατμοσφαιρικών αερίων.
- Οζοείναι ένας φυσικός απορροφητής της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας, η οποία έχει επιζήμια επίδραση στους ζωντανούς οργανισμούς. Το μεγαλύτερο μέρος του σχηματίζει ένα ξεχωριστό στρώμα της ατμόσφαιρας - την οθόνη του όζοντος. Πρόσφατα, η ανθρώπινη δραστηριότητα οδήγησε στο γεγονός ότι αρχίζει σταδιακά να καταρρέει, αλλά δεδομένου ότι έχει μεγάλη σημασία, διεξάγονται ενεργές εργασίες για τη διατήρηση και την αποκατάστασή της.
- υδρατμούςκαθορίζει την υγρασία του αέρα. Το περιεχόμενό του μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με διάφορους παράγοντες: θερμοκρασία αέρα, εδαφική τοποθεσία, εποχή. Σε χαμηλές θερμοκρασίες υπάρχουν πολύ λίγοι υδρατμοί στον αέρα, ίσως λιγότερο από ένα τοις εκατό, και σε υψηλές θερμοκρασίες η ποσότητα τους φτάνει το 4%.
- Εκτός από όλα τα παραπάνω, η σύνθεση της ατμόσφαιρας της γης περιέχει πάντα ένα ορισμένο ποσοστό στερεές και υγρές ακαθαρσίες. Αυτά είναι αιθάλη, στάχτη, θαλασσινό αλάτι, σκόνη, σταγόνες νερού, μικροοργανισμοί. Μπορούν να εισέλθουν στον αέρα τόσο φυσικά όσο και ανθρωπογενώς.
Στρώματα της ατμόσφαιρας
Η θερμοκρασία, η πυκνότητα και η ποιοτική σύνθεση του αέρα δεν είναι ίδιες σε διαφορετικά υψόμετρα. Εξαιτίας αυτού, είναι συνηθισμένο να διακρίνουμε διαφορετικά στρώματα της ατμόσφαιρας. Κάθε ένα από αυτά έχει τα δικά του χαρακτηριστικά. Ας μάθουμε ποια στρώματα της ατμόσφαιρας διακρίνονται:
- Τροπόσφαιρα - αυτό το στρώμα της ατμόσφαιρας είναι πιο κοντά στην επιφάνεια της Γης. Το ύψος του είναι 8-10 km πάνω από τους πόλους και 16-18 km στους τροπικούς. Το 90% του συνόλου των υδρατμών στην ατμόσφαιρα βρίσκεται εδώ, επομένως εμφανίζεται ενεργός σχηματισμός νεφών. Επίσης σε αυτό το στρώμα παρατηρούνται διεργασίες όπως η κίνηση του αέρα (άνεμος), οι αναταράξεις και η συναγωγή. Οι θερμοκρασίες κυμαίνονται από +45 βαθμούς το μεσημέρι στη ζεστή εποχή στις τροπικές περιοχές έως -65 βαθμούς στους πόλους.
- Η στρατόσφαιρα είναι το δεύτερο πιο απομακρυσμένο στρώμα της ατμόσφαιρας. Βρίσκεται σε υψόμετρο από 11 έως 50 χλμ. Στο κατώτερο στρώμα της στρατόσφαιρας η θερμοκρασία είναι περίπου -55· απομακρύνοντας από τη Γη ανεβαίνει στους +1˚С. Αυτή η περιοχή ονομάζεται αναστροφή και είναι το όριο της στρατόσφαιρας και της μεσόσφαιρας.
- Η μεσόσφαιρα βρίσκεται σε υψόμετρο από 50 έως 90 χιλιόμετρα. Η θερμοκρασία στο κάτω όριο του είναι περίπου 0, στο πάνω φτάνει τους -80...-90 ˚С. Οι μετεωρίτες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης καίγονται εντελώς στη μεσόσφαιρα, προκαλώντας λάμψεις αέρα εδώ.
- Η θερμόσφαιρα έχει πάχος περίπου 700 km. Το βόρειο σέλας εμφανίζεται σε αυτό το στρώμα της ατμόσφαιρας. Εμφανίζονται λόγω της επίδρασης της κοσμικής ακτινοβολίας και της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον Ήλιο.
- Η εξώσφαιρα είναι η ζώνη διασποράς του αέρα. Εδώ η συγκέντρωση των αερίων είναι μικρή και σταδιακά διαφεύγουν στον διαπλανητικό χώρο.
Το όριο μεταξύ της ατμόσφαιρας της γης και του διαστήματος θεωρείται ότι είναι 100 km. Αυτή η γραμμή ονομάζεται γραμμή Κάρμαν.
Ατμοσφαιρική πίεση
Όταν ακούμε την πρόγνωση του καιρού, ακούμε συχνά μετρήσεις βαρομετρικής πίεσης. Τι σημαίνει όμως η ατμοσφαιρική πίεση και πώς μπορεί να μας επηρεάσει;
Καταλάβαμε ότι ο αέρας αποτελείται από αέρια και ακαθαρσίες. Κάθε ένα από αυτά τα συστατικά έχει το δικό του βάρος, πράγμα που σημαίνει ότι η ατμόσφαιρα δεν είναι αβαρής, όπως πίστευαν μέχρι τον 17ο αιώνα. Ατμοσφαιρική πίεση είναι η δύναμη με την οποία όλα τα στρώματα της ατμόσφαιρας πιέζουν την επιφάνεια της Γης και όλα τα αντικείμενα.
Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν πολύπλοκους υπολογισμούς και απέδειξαν ότι η ατμόσφαιρα πιέζει με δύναμη 10.333 kg ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας. Αυτό σημαίνει ότι το ανθρώπινο σώμα υπόκειται σε πίεση αέρα, το βάρος του οποίου είναι 12-15 τόνοι. Γιατί δεν το νιώθουμε αυτό; Είναι η εσωτερική μας πίεση που μας σώζει, που εξισορροπεί το εξωτερικό. Μπορείτε να νιώσετε την πίεση της ατμόσφαιρας όταν βρίσκεστε σε αεροπλάνο ή ψηλά στα βουνά, καθώς η ατμοσφαιρική πίεση σε υψόμετρο είναι πολύ μικρότερη. Σε αυτή την περίπτωση, είναι πιθανή σωματική δυσφορία, βουλωμένα αυτιά και ζάλη.
Πολλά μπορούν να ειπωθούν για τη γύρω ατμόσφαιρα. Γνωρίζουμε πολλά ενδιαφέροντα στοιχεία για αυτήν, και μερικά από αυτά μπορεί να φαίνονται εκπληκτικά:
- Το βάρος της γήινης ατμόσφαιρας είναι 5.300.000.000.000.000 τόνοι.
- Προωθεί τη μετάδοση του ήχου. Σε υψόμετρο άνω των 100 km, αυτή η ιδιότητα εξαφανίζεται λόγω αλλαγών στη σύνθεση της ατμόσφαιρας.
- Η κίνηση της ατμόσφαιρας προκαλείται από ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της Γης.
- Ένα θερμόμετρο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του αέρα και ένα βαρόμετρο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της πίεσης της ατμόσφαιρας.
- Η παρουσία μιας ατμόσφαιρας σώζει τον πλανήτη μας από 100 τόνους μετεωριτών κάθε μέρα.
- Η σύνθεση του αέρα ήταν σταθερή για αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, αλλά άρχισε να αλλάζει με την έναρξη της ταχείας βιομηχανικής δραστηριότητας.
- Η ατμόσφαιρα πιστεύεται ότι εκτείνεται προς τα πάνω σε ύψος 3000 km.
Η σημασία της ατμόσφαιρας για τον άνθρωπο
Η φυσιολογική ζώνη της ατμόσφαιρας είναι 5 km. Σε υψόμετρο 5000 m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, ένα άτομο αρχίζει να βιώνει λιμοκτονία οξυγόνου, η οποία εκφράζεται σε μείωση της απόδοσής του και επιδείνωση της ευημερίας του. Αυτό δείχνει ότι ένα άτομο δεν μπορεί να επιβιώσει σε έναν χώρο όπου δεν υπάρχει αυτό το εκπληκτικό μείγμα αερίων.
Όλες οι πληροφορίες και τα γεγονότα για την ατμόσφαιρα επιβεβαιώνουν μόνο τη σημασία της για τους ανθρώπους. Χάρη στην παρουσία του, κατέστη δυνατή η ανάπτυξη ζωής στη Γη. Ήδη σήμερα, έχοντας αξιολογήσει το μέγεθος της βλάβης που μπορεί να προκαλέσει η ανθρωπότητα μέσω των πράξεών της στον ζωογόνο αέρα, θα πρέπει να σκεφτούμε περαιτέρω μέτρα για τη διατήρηση και την αποκατάσταση της ατμόσφαιρας.
Ατμόσφαιρα- αυτό είναι το κέλυφος αέρα που περιβάλλει τη Γη και συνδέεται με αυτήν μέσω της βαρύτητας. Η ατμόσφαιρα εμπλέκεται στην καθημερινή περιστροφή και την ετήσια κίνηση του πλανήτη μας. Ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι ένα μείγμα αερίων στο οποίο αιωρούνται υγρά (σταγονίδια νερού) και στερεά σωματίδια (καπνός, σκόνη). Η σύσταση των αερίων της ατμόσφαιρας παραμένει αμετάβλητη σε ύψος 100-110 km, γεγονός που οφείλεται στην ισορροπία στη φύση. Τα κλάσματα όγκου των αερίων είναι: άζωτο - 78%, οξυγόνο - 21%, αδρανή αέρια (αργό, ξένο, κρυπτό) - 0,9%, άνθρακας - 0,03%. Επιπλέον, υπάρχει πάντα υδρατμός στην ατμόσφαιρα.
Εκτός από τις βιολογικές διεργασίες, το οξυγόνο, το άζωτο και ο άνθρακας συμμετέχουν ενεργά στη χημική διάβρωση των πετρωμάτων. Ο ρόλος του όζοντος 03 είναι πολύ σημαντικός· απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο και, σε μεγάλες δόσεις, είναι επικίνδυνο για τους ζωντανούς οργανισμούς. Τα στερεά σωματίδια, τα οποία είναι ιδιαίτερα άφθονα στις πόλεις, χρησιμεύουν ως πυρήνες συμπύκνωσης (γύρω τους σχηματίζονται σταγονίδια νερού και νιφάδες χιονιού).
Ύψος, όρια και δομή της ατμόσφαιρας
Το ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας σχεδιάζεται συμβατικά σε υψόμετρο περίπου 1000 km, αν και μπορεί να εντοπιστεί πολύ υψηλότερα - έως και 20.000 km, αλλά εκεί είναι πολύ σπάνιο.
Λόγω της διαφορετικής φύσης των μεταβολών της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος και άλλες φυσικές ιδιότητες, διακρίνονται πολλά μέρη στην ατμόσφαιρα, τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με μεταβατικά στρώματα.
Η τροπόσφαιρα είναι το χαμηλότερο και πυκνότερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Το άνω όριό του χαράσσεται σε υψόμετρο 18 km πάνω από τον ισημερινό και 8-12 km πάνω από τους πόλους. Η θερμοκρασία στην τροπόσφαιρα μειώνεται κατά μέσο όρο 0,6 ° C για κάθε 100 μ. Χαρακτηρίζεται από σημαντικές οριζόντιες διαφορές στην κατανομή της θερμοκρασίας, της πίεσης, της ταχύτητας του ανέμου, καθώς και του σχηματισμού νεφών και βροχοπτώσεων. Στην τροπόσφαιρα υπάρχει έντονη κάθετη κίνηση του αέρα - συναγωγή. Σε αυτό το χαμηλότερο στρώμα της ατμόσφαιρας σχηματίζεται κυρίως ο καιρός. Σχεδόν όλος ο ατμοσφαιρικός υδρατμός συγκεντρώνεται εδώ.
Η στρατόσφαιρα εκτείνεται κυρίως σε υψόμετρο 50 km. Η συγκέντρωση του όζοντος σε υψόμετρο 20-25 km φτάνει τις υψηλότερες τιμές, σχηματίζοντας ένα πλέγμα όζοντος. Η θερμοκρασία του αέρα στη στρατόσφαιρα, κατά κανόνα, αυξάνεται με το υψόμετρο κατά μέσο όρο 1-2 ° C ανά 1 km, φτάνοντας τους 0 ° C και υψηλότερα στο ανώτερο όριο. Αυτό συμβαίνει λόγω της απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας από το όζον. Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου υδρατμοί ή σύννεφα στη στρατόσφαιρα και οι άνεμοι με δύναμη τυφώνα πνέουν με ταχύτητες έως και 300-400 km/h.
Στη μεσόσφαιρα, η θερμοκρασία του αέρα πέφτει στους -60...- 100 ° C, και εμφανίζονται έντονες κάθετες και οριζόντιες κινήσεις του αέρα.
Στα ανώτερα στρώματα της θερμόσφαιρας, όπου ο αέρας είναι πολύ ιονισμένος, η θερμοκρασία ανεβαίνει ξανά στους 2000 ° C. Εδώ παρατηρούνται σέλας και μαγνητικές καταιγίδες.
Η ατμόσφαιρα παίζει μεγάλο ρόλο στη ζωή της Γης. Αποτρέπει την υπερβολική θέρμανση της επιφάνειας της γης κατά τη διάρκεια της ημέρας και την ψύξη της τη νύχτα, ανακατανέμει την υγρασία στη Γη και προστατεύει την επιφάνειά της από πτώσεις μετεωριτών. Η παρουσία μιας ατμόσφαιρας είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη οργανικής ζωής στον πλανήτη μας.
Ηλιακή ακτινοβολία. Ατμοσφαιρική θέρμανση
Ο ήλιος εκπέμπει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, μόνο ένα μικρό κλάσμα της οποίας λαμβάνει η Γη.
Η εκπομπή φωτός και θερμότητας από τον Ήλιο ονομάζεται ηλιακή ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία ταξιδεύει πολύ μέσα από την ατμόσφαιρα πριν φτάσει στην επιφάνεια της γης. Ξεπερνώντας το, απορροφάται σε μεγάλο βαθμό και διαχέεται από το περίβλημα του αέρα. Η ακτινοβολία που φτάνει απευθείας στην επιφάνεια της γης με τη μορφή άμεσων ακτίνων ονομάζεται άμεση ακτινοβολία. Μέρος της ακτινοβολίας που διασκορπίζεται στην ατμόσφαιρα φθάνει επίσης στην επιφάνεια της Γης με τη μορφή διάχυτης ακτινοβολίας.
Ο συνδυασμός άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας που φτάνει σε μια οριζόντια επιφάνεια ονομάζεται συνολική ηλιακή ακτινοβολία. Η ατμόσφαιρα απορροφά περίπου το 20% της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο ανώτερο όριο της. Ένα άλλο 34% της ακτινοβολίας ανακλάται από την επιφάνεια και την ατμόσφαιρα της Γης (ανακλώμενη ακτινοβολία). Το 46% της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από την επιφάνεια της γης. Μια τέτοια ακτινοβολία ονομάζεται απορροφούμενη (απορροφημένη).
Ο λόγος της έντασης της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας προς την ένταση όλης της ακτινοβολούμενης ενέργειας του Ήλιου που φτάνει στο ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας ονομάζεται γήινος άλμπεδο και εκφράζεται ως ποσοστό.
Άρα, το άλμπεντο του πλανήτη μας μαζί με την ατμόσφαιρά του είναι κατά μέσο όρο 34%. Η τιμή albedo σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη έχει σημαντικές διαφορές που σχετίζονται με το χρώμα της επιφάνειας, τη βλάστηση, τη θολότητα και τα παρόμοια. Μια επιφάνεια καλυμμένη με φρέσκο χιόνι αντανακλά το 80-85% της ακτινοβολίας, το γρασίδι και η άμμος - 26% και 30%, αντίστοιχα, και το νερό - μόνο το 5%.
Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνεται από μεμονωμένες περιοχές της Γης εξαρτάται κυρίως από τη γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου. Όσο πιο ευθεία πέφτουν (δηλαδή, όσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του Ήλιου πάνω από τον ορίζοντα), τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που πέφτει ανά μονάδα επιφάνειας.
Η εξάρτηση της ποσότητας της συνολικής ακτινοβολίας από τη γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων οφείλεται σε δύο λόγους. Πρώτον, όσο μικρότερη είναι η γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή που κατανέμεται αυτή η φωτεινή ροή και τόσο λιγότερη ενέργεια υπάρχει ανά μονάδα επιφάνειας. Δεύτερον, όσο μικρότερη είναι η γωνία πρόσπτωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή που διανύει η δέσμη στην ατμόσφαιρα.
Η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης επηρεάζεται επίσης από τη διαφάνεια της ατμόσφαιρας, ιδιαίτερα τη νεφελότητα. Η εξάρτηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων και τη διαφάνεια της ατμόσφαιρας καθορίζει τη ζωνική φύση της κατανομής της. Οι διαφορές στην ποσότητα της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα γεωγραφικό πλάτος προκαλούνται κυρίως από τη συννεφιά.
Η ποσότητα της θερμότητας που εισέρχεται στην επιφάνεια της γης προσδιορίζεται σε θερμίδες ανά μονάδα επιφάνειας (1 cm) ανά μονάδα χρόνου (1 έτος).
Η απορροφούμενη ακτινοβολία δαπανάται για τη θέρμανση του λεπτού επιφανειακού στρώματος της Γης και την εξάτμιση του νερού. Η θερμαινόμενη επιφάνεια της γης μεταφέρει θερμότητα στο περιβάλλον μέσω ακτινοβολίας, αγωγιμότητας, μεταφοράς και συμπύκνωσης υδρατμών.
Μεταβολές στη θερμοκρασία του αέρα ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου και το ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας
Η συνολική ακτινοβολία μειώνεται από τα ισημερινά-τροπικά γεωγραφικά πλάτη στους πόλους. Είναι το μέγιστο - περίπου 850 J/m2 ετησίως (200 kcal/cm2 ετησίως) - σε τροπικές ερήμους, όπου η άμεση ηλιακή ακτινοβολία μέσω του μεγάλου υψόμετρου του Ήλιου και των ασυννέφιαστων ουρανών είναι έντονη. Το θερινό εξάμηνο του έτους, οι διαφορές στη ροή της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας μεταξύ χαμηλών και μεγάλων γεωγραφικών πλάτη εξομαλύνονται. Αυτό συμβαίνει λόγω της μεγαλύτερης διάρκειας της ηλιακής ακτινοβολίας, ειδικά στις πολικές περιοχές, όπου η πολική ημέρα διαρκεί ακόμη και έξι μήνες.
Αν και η συνολική ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης αντανακλάται εν μέρει από αυτήν, το μεγαλύτερο μέρος της απορροφάται από την επιφάνεια της γης και μετατρέπεται σε θερμότητα. Το μέρος της συνολικής ακτινοβολίας που παραμένει αφού δαπανηθεί για ανάκλαση και θερμική ακτινοβολία της επιφάνειας της γης ονομάζεται ισοζύγιο ακτινοβολίας (υπολειπόμενη ακτινοβολία). Συνολικά για το έτος, είναι θετικό παντού στη Γη, με εξαίρεση τις ψηλές ερήμους πάγου της Ανταρκτικής και της Γροιλανδίας. Το ισοζύγιο ακτινοβολίας μειώνεται φυσικά προς την κατεύθυνση από τον ισημερινό προς τους πόλους, όπου είναι κοντά στο μηδέν.
Αντίστοιχα, η θερμοκρασία του αέρα κατανέμεται ζωνικά, δηλαδή μειώνεται προς την κατεύθυνση από τον ισημερινό προς τους πόλους. .Η θερμοκρασία του αέρα εξαρτάται και από το υψόμετρο της περιοχής πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας: όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία.
Η κατανομή της γης και του νερού έχει σημαντική επίδραση στη θερμοκρασία του αέρα. Η επιφάνεια της γης θερμαίνεται γρήγορα, αλλά ψύχεται γρήγορα, και η επιφάνεια του νερού θερμαίνεται πιο αργά, αλλά διατηρεί τη θερμότητα περισσότερο και την απελευθερώνει στον αέρα πιο αργά.
Ως αποτέλεσμα των διαφορετικών εντάσεων θέρμανσης και ψύξης της επιφάνειας της Γης μέρα και νύχτα, τις ζεστές και κρύες εποχές, η θερμοκρασία του αέρα αλλάζει κατά τη διάρκεια της ημέρας και του έτους.
Τα θερμόμετρα χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του αέρα. μετριέται 8 φορές την ημέρα και υπολογίζεται ο μέσος όρος ανά ημέρα. Χρησιμοποιώντας μέσες ημερήσιες θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι μηνιαίοι μέσοι όροι. Συνήθως εμφανίζονται στους κλιματικούς χάρτες ως ισόθερμες (γραμμές που συνδέουν σημεία με την ίδια θερμοκρασία για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο). Για τον χαρακτηρισμό των θερμοκρασιών, λαμβάνονται συχνότερα οι μηνιαίοι μέσοι όροι τον Ιανουάριο και τον Ιούλιο, λιγότερο συχνά οι ετήσιοι. ,
Η ατμόσφαιρα άρχισε να σχηματίζεται μαζί με το σχηματισμό της Γης. Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του πλανήτη και καθώς οι παράμετροί του πλησίαζαν τις σύγχρονες αξίες, σημειώθηκαν θεμελιώδεις ποιοτικές αλλαγές στη χημική του σύνθεση και τις φυσικές του ιδιότητες. Σύμφωνα με το εξελικτικό μοντέλο, σε πρώιμο στάδιο η Γη ήταν σε λιωμένη κατάσταση και πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια σχηματίστηκε ως στερεό σώμα. Αυτό το ορόσημο λαμβάνεται ως η αρχή της γεωλογικής χρονολογίας. Από τότε άρχισε η αργή εξέλιξη της ατμόσφαιρας. Ορισμένες γεωλογικές διεργασίες (για παράδειγμα, εκροές λάβας κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων) συνοδεύτηκαν από την απελευθέρωση αερίων από τα έγκατα της Γης. Περιλάμβαναν άζωτο, αμμωνία, μεθάνιο, υδρατμούς, οξείδιο του CO και διοξείδιο του άνθρακα CO 2. Υπό την επίδραση της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας, οι υδρατμοί αποσυντέθηκαν σε υδρογόνο και οξυγόνο, αλλά το απελευθερωμένο οξυγόνο αντέδρασε με το μονοξείδιο του άνθρακα για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα. Η αμμωνία αποσυντίθεται σε άζωτο και υδρογόνο. Κατά τη διαδικασία της διάχυσης, το υδρογόνο ανέβηκε προς τα πάνω και έφυγε από την ατμόσφαιρα, και το βαρύτερο άζωτο δεν μπορούσε να εξατμιστεί και σταδιακά συσσωρεύτηκε, καθιστώντας το κύριο συστατικό, αν και ένα μέρος του δεσμεύτηκε σε μόρια ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. εκ. ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ). Υπό την επίδραση των υπεριωδών ακτίνων και των ηλεκτρικών εκκενώσεων, ένα μείγμα αερίων που υπάρχουν στην αρχική ατμόσφαιρα της Γης εισήλθε σε χημικές αντιδράσεις, οι οποίες είχαν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό οργανικών ουσιών, ιδίως αμινοξέων. Με την έλευση των πρωτόγονων φυτών ξεκίνησε η διαδικασία της φωτοσύνθεσης, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση οξυγόνου. Αυτό το αέριο, ειδικά μετά τη διάχυση στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, άρχισε να προστατεύει τα κατώτερα στρώματά του και την επιφάνεια της Γης από την απειλητική για τη ζωή υπεριώδη ακτινοβολία και ακτίνες Χ. Σύμφωνα με θεωρητικές εκτιμήσεις, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο, 25.000 φορές μικρότερη από τώρα, θα μπορούσε ήδη να οδηγήσει στο σχηματισμό ενός στρώματος όζοντος με μόνο τη μισή συγκέντρωση από τώρα. Ωστόσο, αυτό είναι ήδη αρκετό για να παρέχει πολύ σημαντική προστασία των οργανισμών από τις καταστροφικές επιπτώσεις των υπεριωδών ακτίνων.
Είναι πιθανό ότι η πρωτογενής ατμόσφαιρα περιείχε πολύ διοξείδιο του άνθρακα. Καταναλώθηκε κατά τη φωτοσύνθεση και η συγκέντρωσή του πρέπει να μειώθηκε καθώς εξελίχθηκε ο φυτικός κόσμος και επίσης λόγω της απορρόφησης κατά τη διάρκεια ορισμένων γεωλογικών διεργασιών. Επειδή η Το φαινόμενο του θερμοκηπίουπου συνδέονται με την παρουσία διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, οι διακυμάνσεις στη συγκέντρωσή του είναι ένας από τους σημαντικούς λόγους για τόσο μεγάλης κλίμακας κλιματικές αλλαγές στην ιστορία της Γης όπως εποχές των παγετώνων.
Το ήλιο που υπάρχει στη σύγχρονη ατμόσφαιρα είναι ως επί το πλείστον προϊόν της ραδιενεργής διάσπασης του ουρανίου, του θορίου και του ραδίου. Αυτά τα ραδιενεργά στοιχεία εκπέμπουν σωματίδια, τα οποία είναι οι πυρήνες των ατόμων ηλίου. Δεδομένου ότι κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής διάσπασης ούτε σχηματίζεται ούτε καταστρέφεται ηλεκτρικό φορτίο, με το σχηματισμό κάθε σωματιδίου α εμφανίζονται δύο ηλεκτρόνια, τα οποία, ανασυνδυάζοντας με τα σωματίδια α, σχηματίζουν ουδέτερα άτομα ηλίου. Τα ραδιενεργά στοιχεία περιέχονται σε ορυκτά διασκορπισμένα σε πετρώματα, έτσι ένα σημαντικό μέρος του ηλίου που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της ραδιενεργής αποσύνθεσης διατηρείται σε αυτά, διαφεύγοντας πολύ αργά στην ατμόσφαιρα. Μια ορισμένη ποσότητα ηλίου ανεβαίνει προς τα πάνω στην εξώσφαιρα λόγω της διάχυσης, αλλά λόγω της συνεχούς εισροής από την επιφάνεια της γης, ο όγκος αυτού του αερίου στην ατμόσφαιρα παραμένει σχεδόν αμετάβλητος. Με βάση τη φασματική ανάλυση του αστρικού φωτός και τη μελέτη των μετεωριτών, είναι δυνατό να εκτιμηθεί η σχετική αφθονία διαφόρων χημικών στοιχείων στο Σύμπαν. Η συγκέντρωση του νέον στο διάστημα είναι περίπου δέκα δισεκατομμύρια φορές υψηλότερη από ό,τι στη Γη, το κρυπτόν - δέκα εκατομμύρια φορές, και το ξένο - ένα εκατομμύριο φορές. Επομένως, η συγκέντρωση αυτών των αδρανών αερίων, που προφανώς αρχικά υπήρχαν στην ατμόσφαιρα της Γης και δεν αναπληρώθηκαν κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων, μειώθηκε πολύ, πιθανώς ακόμη και στο στάδιο της απώλειας της πρωταρχικής ατμόσφαιράς της από τη Γη. Εξαίρεση αποτελεί το αδρανές αέριο αργό, αφού με τη μορφή του ισοτόπου 40 Ar εξακολουθεί να σχηματίζεται κατά τη ραδιενεργή διάσπαση του ισοτόπου του καλίου.
Βαρομετρική κατανομή πίεσης.
Το συνολικό βάρος των ατμοσφαιρικών αερίων είναι περίπου 4,5 10 15 τόνοι. Έτσι, το «βάρος» της ατμόσφαιρας ανά μονάδα επιφάνειας, ή ατμοσφαιρική πίεση, στο επίπεδο της θάλασσας είναι περίπου 11 t/m 2 = 1,1 kg/cm 2. Πίεση ίση με P 0 = 1033,23 g/cm 2 = 1013,250 mbar = 760 mm Hg. Τέχνη. = 1 atm, λαμβάνεται ως η τυπική μέση ατμοσφαιρική πίεση. Για την ατμόσφαιρα σε κατάσταση υδροστατικής ισορροπίας έχουμε: δ Π= –rgd η, αυτό σημαίνει ότι στο διάστημα ύψους από ηπριν η+δ ηλαμβάνει χώρα ισότητα μεταξύ της μεταβολής της ατμοσφαιρικής πίεσης δ Πκαι το βάρος του αντίστοιχου στοιχείου της ατμόσφαιρας με μονάδα εμβαδού, πυκνότητα r και πάχος d η.Ως σχέση πίεσης Rκαι θερμοκρασία ΤΧρησιμοποιείται η εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίου με πυκνότητα r, η οποία είναι αρκετά εφαρμόσιμη στην ατμόσφαιρα της γης: Π= r R Τ/m, όπου m είναι το μοριακό βάρος και R = 8,3 J/(K mol) είναι η καθολική σταθερά αερίου. Στη συνέχεια d log Π= – (μ g/RT)ρε η= – βδ η= – δ η/H, όπου η κλίση πίεσης είναι σε λογαριθμική κλίμακα. Η αντίστροφη τιμή του H ονομάζεται κλίμακα ατμοσφαιρικού υψομέτρου.
Κατά την ολοκλήρωση αυτής της εξίσωσης για μια ισοθερμική ατμόσφαιρα ( Τ= const) ή για το μέρος του όπου μια τέτοια προσέγγιση είναι επιτρεπτή, προκύπτει ο βαρομετρικός νόμος της κατανομής της πίεσης με το ύψος: Π = Π 0 exp(- η/H 0), όπου η αναφορά ύψους ηπαράγεται από το επίπεδο του ωκεανού, όπου είναι η τυπική μέση πίεση Π 0 . Εκφραση H 0 = R Τ/ mg, ονομάζεται η κλίμακα υψομέτρου, που χαρακτηρίζει την έκταση της ατμόσφαιρας, με την προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία σε αυτήν είναι παντού ίδια (ισόθερμη ατμόσφαιρα). Εάν η ατμόσφαιρα δεν είναι ισοθερμική, τότε η ολοκλήρωση πρέπει να λαμβάνει υπόψη τη μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος και την παράμετρο Ν– κάποιο τοπικό χαρακτηριστικό των ατμοσφαιρικών στρωμάτων, ανάλογα με τη θερμοκρασία τους και τις ιδιότητες του περιβάλλοντος.
Διεθνής πρότυπος ατμόσφαιρα.
Μοντέλο (πίνακας τιμών των κύριων παραμέτρων) που αντιστοιχεί σε τυπική πίεση στη βάση της ατμόσφαιρας R 0 και η χημική σύνθεση ονομάζεται τυπική ατμόσφαιρα. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα υπό όρους μοντέλο της ατμόσφαιρας, για το οποίο καθορίζονται οι μέσες τιμές θερμοκρασίας, πίεσης, πυκνότητας, ιξώδους και άλλων χαρακτηριστικών του αέρα σε υψόμετρα από 2 km κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας έως το εξωτερικό όριο της ατμόσφαιρας της γης. για γεωγραφικό πλάτος 45° 32ў 33І. Οι παράμετροι της μεσαίας ατμόσφαιρας σε όλα τα υψόμετρα υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίου και τον βαρομετρικό νόμο υποθέτοντας ότι στο επίπεδο της θάλασσας η πίεση είναι 1013,25 hPa (760 mm Hg) και η θερμοκρασία είναι 288,15 K (15,0 ° C). Σύμφωνα με τη φύση της κατακόρυφης κατανομής της θερμοκρασίας, η μέση ατμόσφαιρα αποτελείται από πολλά στρώματα, σε καθένα από τα οποία η θερμοκρασία προσεγγίζεται με μια γραμμική συνάρτηση ύψους. Στο χαμηλότερο στρώμα - την τροπόσφαιρα (h Ј 11 km) η θερμοκρασία πέφτει κατά 6,5 ° C με κάθε χιλιόμετρο ανόδου. Σε μεγάλα υψόμετρα, η τιμή και το πρόσημο της κατακόρυφης διαβάθμισης θερμοκρασίας αλλάζει από στρώμα σε στρώμα. Πάνω από 790 km η θερμοκρασία είναι περίπου 1000 K και πρακτικά δεν αλλάζει με το υψόμετρο.
Η τυπική ατμόσφαιρα είναι ένα περιοδικά ενημερωμένο, νομιμοποιημένο πρότυπο, που εκδίδεται με τη μορφή πινάκων.
| Τραπέζι 1. ΠΡΟΤΥΠΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΤΗΣ ΓΗΣ. Ο πίνακας δείχνει: η– ύψος από το επίπεδο της θάλασσας, R- πίεση, Τ– θερμοκρασία, r – πυκνότητα, Ν– αριθμός μορίων ή ατόμων ανά μονάδα όγκου, H– κλίμακα ύψους, μεγάλο– ελεύθερο μήκος διαδρομής. Η πίεση και η θερμοκρασία σε υψόμετρο 80–250 km, που λαμβάνονται από δεδομένα πυραύλων, έχουν χαμηλότερες τιμές. Οι τιμές για υψόμετρα μεγαλύτερα από 250 km που λαμβάνονται με παρέκταση δεν είναι πολύ ακριβείς. | ||||||
| η(χλμ) | Π(mbar) | Τ(°C) | r (g/cm 3) | Ν(cm –3) | H(χλμ) | μεγάλο(εκ) |
| 0 | 1013 | 288 | 1,22 10 –3 | 2,55 10 19 | 8,4 | 7,4·10 –6 |
| 1 | 899 | 281 | 1,11·10 –3 | 2,31 10 19 | 8,1·10 –6 | |
| 2 | 795 | 275 | 1,01·10 –3 | 2,10 10 19 | 8,9·10 –6 | |
| 3 | 701 | 268 | 9,1·10 –4 | 1,89 10 19 | 9,9·10 –6 | |
| 4 | 616 | 262 | 8,2·10 –4 | 1,70 10 19 | 1,1·10 –5 | |
| 5 | 540 | 255 | 7,4·10 –4 | 1,53 10 19 | 7,7 | 1,2·10 –5 |
| 6 | 472 | 249 | 6,6·10 –4 | 1,37 10 19 | 1,4·10 –5 | |
| 8 | 356 | 236 | 5,2·10 -4 | 1,09 10 19 | 1,7·10 –5 | |
| 10 | 264 | 223 | 4,1·10 –4 | 8,6 10 18 | 6,6 | 2,2·10 –5 |
| 15 | 121 | 214 | 1,93·10 –4 | 4,0 10 18 | 4,6·10 –5 | |
| 20 | 56 | 214 | 8,9·10 –5 | 1,85 10 18 | 6,3 | 1,0·10 –4 |
| 30 | 12 | 225 | 1,9·10 –5 | 3,9 10 17 | 6,7 | 4,8·10 –4 |
| 40 | 2,9 | 268 | 3,9·10 –6 | 7,6 10 16 | 7,9 | 2,4·10 –3 |
| 50 | 0,97 | 276 | 1,15·10 –6 | 2,4 10 16 | 8,1 | 8,5·10 –3 |
| 60 | 0,28 | 260 | 3,9·10 –7 | 7,7 10 15 | 7,6 | 0,025 |
| 70 | 0,08 | 219 | 1,1·10 –7 | 2,5 10 15 | 6,5 | 0,09 |
| 80 | 0,014 | 205 | 2,7·10 –8 | 5,0 10 14 | 6,1 | 0,41 |
| 90 | 2,8·10 –3 | 210 | 5,0·10 –9 | 9·10 13 | 6,5 | 2,1 |
| 100 | 5,8·10 –4 | 230 | 8,8·10 –10 | 1,8 10 13 | 7,4 | 9 |
| 110 | 1,7·10 –4 | 260 | 2,1·10 –10 | 5,4 10 12 | 8,5 | 40 |
| 120 | 6·10 –5 | 300 | 5,6·10 –11 | 1,8 10 12 | 10,0 | 130 |
| 150 | 5·10 –6 | 450 | 3,2·10 –12 | 9 10 10 | 15 | 1,8 10 3 |
| 200 | 5·10 –7 | 700 | 1,6·10 –13 | 5 10 9 | 25 | 3 10 4 |
| 250 | 9·10 –8 | 800 | 3·10 –14 | 8 10 8 | 40 | 3·10 5 |
| 300 | 4·10 –8 | 900 | 8·10 –15 | 3 10 8 | 50 | |
| 400 | 8·10 –9 | 1000 | 1·10 –15 | 5 10 7 | 60 | |
| 500 | 2·10 –9 | 1000 | 2·10 –16 | 1·10 7 | 70 | |
| 700 | 2·10 –10 | 1000 | 2·10 –17 | 1 10 6 | 80 | |
| 1000 | 1·10 –11 | 1000 | 1·10 –18 | 1·10 5 | 80 | |
Τροποσφαίρα.
Το χαμηλότερο και πιο πυκνό στρώμα της ατμόσφαιρας, στο οποίο η θερμοκρασία μειώνεται γρήγορα με το ύψος, ονομάζεται τροπόσφαιρα. Περιέχει έως και το 80% της συνολικής μάζας της ατμόσφαιρας και εκτείνεται στα πολικά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη σε υψόμετρα 8–10 km και στις τροπικές περιοχές μέχρι 16–18 km. Σχεδόν όλες οι διεργασίες σχηματισμού καιρού αναπτύσσονται εδώ, η ανταλλαγή θερμότητας και υγρασίας συμβαίνει μεταξύ της Γης και της ατμόσφαιράς της, σχηματίζονται σύννεφα, συμβαίνουν διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα, εμφανίζεται ομίχλη και βροχόπτωση. Αυτά τα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης βρίσκονται σε συναγωγική ισορροπία και, χάρη στην ενεργό ανάμειξη, έχουν ομοιογενή χημική σύνθεση, που αποτελείται κυρίως από μοριακό άζωτο (78%) και οξυγόνο (21%). Η συντριπτική πλειονότητα των φυσικών και ανθρωπογενών ατμοσφαιρικών ρύπων αεροζόλ και αερίων συγκεντρώνεται στην τροπόσφαιρα. Η δυναμική του κάτω μέρους της τροπόσφαιρας, πάχους έως 2 km, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις ιδιότητες της υποκείμενης επιφάνειας της Γης, η οποία καθορίζει τις οριζόντιες και κάθετες κινήσεις του αέρα (άνεμοι) που προκαλούνται από τη μεταφορά θερμότητας από θερμότερη γη μέσω της υπέρυθρης ακτινοβολίας της επιφάνειας της γης, η οποία απορροφάται στην τροπόσφαιρα, κυρίως από τους ατμούς του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα (φαινόμενο του θερμοκηπίου). Η κατανομή θερμοκρασίας με το ύψος καθορίζεται ως αποτέλεσμα τυρβώδους και συναγωγής ανάμειξης. Κατά μέσο όρο, αντιστοιχεί σε πτώση θερμοκρασίας με ύψος περίπου 6,5 K/km.
Η ταχύτητα του ανέμου στο επιφανειακό οριακό στρώμα αρχικά αυξάνεται γρήγορα με το ύψος και πάνω από αυτό συνεχίζει να αυξάνεται κατά 2–3 km/s ανά χιλιόμετρο. Μερικές φορές στενές πλανητικές ροές (με ταχύτητα άνω των 30 km/s) εμφανίζονται στην τροπόσφαιρα, δυτικές στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη και ανατολικές κοντά στον ισημερινό. Ονομάζονται jet streams.
Τροπόπαυση.
Στο ανώτερο όριο της τροπόσφαιρας (τροπόπαυση), η θερμοκρασία φτάνει την ελάχιστη τιμή της για την κατώτερη ατμόσφαιρα. Αυτό είναι το μεταβατικό στρώμα μεταξύ της τροπόσφαιρας και της στρατόσφαιρας που βρίσκεται πάνω από αυτό. Το πάχος της τροπόπαυσης κυμαίνεται από εκατοντάδες μέτρα έως 1,5–2 km, και η θερμοκρασία και το υψόμετρο, αντίστοιχα, κυμαίνονται από 190 έως 220 K και από 8 έως 18 km, ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή. Σε εύκρατα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη το χειμώνα είναι 1–2 km χαμηλότερα από το καλοκαίρι και 8–15 K θερμότερο. Στις τροπικές περιοχές, οι εποχιακές αλλαγές είναι πολύ λιγότερες (υψόμετρο 16–18 km, θερμοκρασία 180–200 K). Πάνω από αεριωθούμενα ρεύματαείναι δυνατά διαλείμματα τροπόπαυσης.
Νερό στην ατμόσφαιρα της Γης.
Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της ατμόσφαιρας της Γης είναι η παρουσία σημαντικών ποσοτήτων υδρατμών και νερού σε μορφή σταγονιδίων, η οποία παρατηρείται πιο εύκολα με τη μορφή νεφών και δομών νεφών. Ο βαθμός κάλυψης νεφών του ουρανού (σε μια ορισμένη στιγμή ή κατά μέσο όρο σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο), εκφρασμένος σε μια κλίμακα 10 ή ως ποσοστό, ονομάζεται νεφελότητα. Το σχήμα των νεφών καθορίζεται σύμφωνα με τη διεθνή ταξινόμηση. Κατά μέσο όρο, τα σύννεφα καλύπτουν περίπου το ήμισυ του πλανήτη. Η συννεφιά είναι ένας σημαντικός παράγοντας που χαρακτηρίζει τον καιρό και το κλίμα. Το χειμώνα και τη νύχτα, η συννεφιά εμποδίζει τη μείωση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και του εδάφους του αέρα· το καλοκαίρι και κατά τη διάρκεια της ημέρας, αποδυναμώνει τη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τις ακτίνες του ήλιου, μαλακώνοντας το κλίμα εντός των ηπείρων. .
σύννεφα.
Τα σύννεφα είναι συσσωρεύσεις σταγονιδίων νερού που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα (σύννεφα νερού), κρυστάλλους πάγου (σύννεφα πάγου) ή και τα δύο μαζί (μικτά σύννεφα). Καθώς τα σταγονίδια και οι κρύσταλλοι γίνονται μεγαλύτερα, πέφτουν από τα σύννεφα με τη μορφή βροχόπτωσης. Τα σύννεφα σχηματίζονται κυρίως στην τροπόσφαιρα. Προκύπτουν ως αποτέλεσμα της συμπύκνωσης των υδρατμών που περιέχονται στον αέρα. Η διάμετρος των σταγόνων σύννεφων είναι της τάξης πολλών μικρών. Η περιεκτικότητα σε υγρό νερό στα σύννεφα κυμαίνεται από κλάσματα έως αρκετά γραμμάρια ανά m3. Τα σύννεφα ταξινομούνται κατά ύψος: Σύμφωνα με τη διεθνή ταξινόμηση, υπάρχουν 10 είδη νεφών: cirrus, cirrocumulus, cirrostratus, altocumulus, altostratus, nimbostratus, stratus, stratocumulus, cumulonimbus, cumulus.
Μαργαριταρένια νέφη παρατηρούνται επίσης στη στρατόσφαιρα και νυχτερινά νέφη στη μεσόσφαιρα.
Τα Cirrus clouds είναι διαφανή σύννεφα με τη μορφή λεπτών λευκών νημάτων ή πέπλων με μεταξένια λάμψη που δεν δημιουργούν σκιές. Τα σύννεφα Cirrus αποτελούνται από κρυστάλλους πάγου και σχηματίζονται στην ανώτερη τροπόσφαιρα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Μερικοί τύποι νεφών κίρρου χρησιμεύουν ως προάγγελοι των καιρικών αλλαγών.
Τα σύννεφα Cirrocumulus είναι κορυφογραμμές ή στρώματα λεπτών λευκών νεφών στην ανώτερη τροπόσφαιρα. Τα σύννεφα Cirrocumulus είναι κατασκευασμένα από μικρά στοιχεία που μοιάζουν με νιφάδες, κυματισμούς, μικρές μπάλες χωρίς σκιές και αποτελούνται κυρίως από κρυστάλλους πάγου.
Τα σύννεφα Cirrostratus είναι ένα υπόλευκο ημιδιαφανές πέπλο στην ανώτερη τροπόσφαιρα, συνήθως ινώδες, μερικές φορές θολό, που αποτελείται από μικρούς κρυστάλλους πάγου σε σχήμα βελόνας ή στήλης.
Τα σύννεφα Altocumulus είναι λευκά, γκρίζα ή λευκογκρίζα σύννεφα στα κατώτερα και μεσαία στρώματα της τροπόσφαιρας. Τα σύννεφα Altocumulus έχουν την εμφάνιση στρωμάτων και κορυφογραμμών, σαν να είναι κατασκευασμένα από πλάκες, στρογγυλεμένες μάζες, άξονες, νιφάδες που βρίσκονται το ένα πάνω στο άλλο. Τα σύννεφα αλτοσώρευσης σχηματίζονται κατά τη διάρκεια έντονης συναγωγικής δραστηριότητας και συνήθως αποτελούνται από υπερψυγμένα σταγονίδια νερού.
Τα σύννεφα Altostratus είναι γκριζωπά ή μπλε σύννεφα με ινώδη ή ομοιόμορφη δομή. Τα σύννεφα Altostratus παρατηρούνται στη μέση τροπόσφαιρα, που εκτείνονται αρκετά χιλιόμετρα σε ύψος και μερικές φορές χιλιάδες χιλιόμετρα στην οριζόντια κατεύθυνση. Τυπικά, τα σύννεφα altostratus αποτελούν μέρος συστημάτων μετωπικού νέφους που σχετίζονται με ανοδικές κινήσεις των μαζών αέρα.
Τα σύννεφα Nimbostratus είναι ένα χαμηλό (από 2 km και άνω) άμορφο στρώμα νεφών ομοιόμορφου γκρίζου χρώματος, που προκαλεί συνεχή βροχή ή χιόνι. Τα σύννεφα Nimbostratus είναι πολύ ανεπτυγμένα κατακόρυφα (έως αρκετά χιλιόμετρα) και οριζόντια (αρκετές χιλιάδες χιλιόμετρα), αποτελούνται από υπερψυγμένες σταγόνες νερού αναμεμειγμένες με νιφάδες χιονιού, που συνήθως συνδέονται με ατμοσφαιρικά μέτωπα.
Τα σύννεφα Stratus είναι σύννεφα της κατώτερης βαθμίδας με τη μορφή ενός ομοιογενούς στρώματος χωρίς συγκεκριμένα περιγράμματα, γκρι χρώματος. Το ύψος των νεφών του στρώματος πάνω από την επιφάνεια της γης είναι 0,5–2 km. Περιστασιακά, ψιλόβροχο πέφτει από τα σύννεφα του στρώματος.
Τα σωρευτικά σύννεφα είναι πυκνά, φωτεινά λευκά σύννεφα κατά τη διάρκεια της ημέρας με σημαντική κατακόρυφη ανάπτυξη (έως 5 km ή περισσότερο). Τα ανώτερα μέρη των νεφών σωρευμάτων μοιάζουν με θόλους ή πύργους με στρογγυλεμένα περιγράμματα. Τυπικά, τα σωρευτικά σύννεφα εμφανίζονται ως σύννεφα μεταφοράς σε ψυχρές μάζες αέρα.
Τα σύννεφα Stratocumulus είναι χαμηλά (κάτω από 2 km) σύννεφα με τη μορφή γκρίζων ή λευκών μη ινωδών στρωμάτων ή κορυφογραμμών στρογγυλών μεγάλων τεμαχίων. Το κατακόρυφο πάχος των νεφών της στρωματοσώρευσης είναι μικρό. Περιστασιακά, τα σύννεφα της στρατοσωρίδας παράγουν ελαφρά βροχόπτωση.
Τα σύννεφα Cumulonimbus είναι ισχυρά και πυκνά σύννεφα με έντονη κατακόρυφη ανάπτυξη (μέχρι ύψους 14 km), που προκαλούν έντονες βροχοπτώσεις με καταιγίδες, χαλάζι και καταιγίδες. Τα σωρευτικά σύννεφα αναπτύσσονται από ισχυρά σωρευτικά σύννεφα, που διαφέρουν από αυτά στο πάνω μέρος που αποτελείται από κρυστάλλους πάγου.
Στρατόσφαιρα.
Μέσω της τροπόπαυσης, κατά μέσο όρο σε υψόμετρα από 12 έως 50 km, η τροπόσφαιρα περνά στη στρατόσφαιρα. Στο κάτω μέρος, για περίπου 10 χλμ., δηλ. μέχρι υψόμετρα περίπου 20 km είναι ισόθερμο (θερμοκρασία περίπου 220 K). Στη συνέχεια αυξάνεται με το υψόμετρο, φτάνοντας το μέγιστο περίπου 270 K σε υψόμετρο 50–55 km. Εδώ είναι το όριο μεταξύ της στρατόσφαιρας και της υπερκείμενης μεσόσφαιρας, που ονομάζεται στρατόπαυση. .
Υπάρχουν σημαντικά λιγότεροι υδρατμοί στη στρατόσφαιρα. Ακόμα, μερικές φορές παρατηρούνται λεπτά ημιδιαφανή μαργαριταρένια σύννεφα, που κατά καιρούς εμφανίζονται στη στρατόσφαιρα σε υψόμετρο 20–30 km. Τα μαργαριταρένια σύννεφα είναι ορατά στον σκοτεινό ουρανό μετά τη δύση του ηλίου και πριν από την ανατολή του ηλίου. Σε σχήμα, τα νέφη μοιάζουν με σύννεφα κίρους και σωρευτικά σύννεφα.
Μέση ατμόσφαιρα (μεσόσφαιρα).
Σε υψόμετρο περίπου 50 km, η μεσόσφαιρα ξεκινά από την κορυφή της ευρείας μέγιστης θερμοκρασίας . Ο λόγος για την αύξηση της θερμοκρασίας στην περιοχή αυτού του μέγιστου είναι μια εξώθερμη (δηλαδή συνοδευόμενη από απελευθέρωση θερμότητας) φωτοχημική αντίδραση αποσύνθεσης του όζοντος: O 3 + hv® O 2 + O. Το όζον προκύπτει ως αποτέλεσμα της φωτοχημικής αποσύνθεσης του μοριακού οξυγόνου O 2
Ο 2 + hv® O + O και η επακόλουθη αντίδραση μιας τριπλής σύγκρουσης ατόμου και μορίου οξυγόνου με κάποιο τρίτο μόριο Μ.
O + O 2 + M ® O 3 + M
Το όζον απορροφά αδηφάγα την υπεριώδη ακτινοβολία στην περιοχή από 2000 έως 3000 Å, και αυτή η ακτινοβολία θερμαίνει την ατμόσφαιρα. Το όζον, που βρίσκεται στην ανώτερη ατμόσφαιρα, χρησιμεύει ως ένα είδος ασπίδας που μας προστατεύει από τις επιπτώσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο. Χωρίς αυτή την ασπίδα, δύσκολα θα ήταν δυνατή η ανάπτυξη της ζωής στη Γη στις σύγχρονες μορφές της.
Σε γενικές γραμμές, σε όλη τη μεσόσφαιρα, η ατμοσφαιρική θερμοκρασία μειώνεται στην ελάχιστη τιμή της περίπου 180 K στο ανώτερο όριο της μεσόσφαιρας (ονομάζεται μεσόπαυση, υψόμετρο περίπου 80 km). Στην περιοχή της μεσόπαυσης, σε υψόμετρα 70–90 km, μπορεί να εμφανιστεί ένα πολύ λεπτό στρώμα κρυστάλλων πάγου και σωματιδίων ηφαιστειακής και μετεωριτικής σκόνης, που παρατηρείται με τη μορφή ενός πανέμορφου θεάματος από νυχτερινά σύννεφα λίγο μετά τη δύση του ηλίου.
Στη μεσόσφαιρα καίγονται ως επί το πλείστον μικρά στερεά σωματίδια μετεωρίτη που πέφτουν στη Γη προκαλώντας το φαινόμενο των μετεωριτών.
Μετεωρίτες, μετεωρίτες και βολίδες.
Οι εκλάμψεις και άλλα φαινόμενα στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης που προκαλούνται από την εισβολή στερεών κοσμικών σωματιδίων ή σωμάτων σε αυτήν με ταχύτητα 11 km/s ή μεγαλύτερη ονομάζονται μετεωροειδή. Εμφανίζεται ένα παρατηρήσιμο φωτεινό ίχνος μετεωριτών. ονομάζονται τα πιο ισχυρά φαινόμενα, που συχνά συνοδεύονται από πτώση μετεωριτών βολίδες; η εμφάνιση των μετεωριτών συνδέεται με βροχές μετεωριτών.
Βροχή μετεωριτών:
1) το φαινόμενο των πολλαπλών πτώσεων μετεωριτών για αρκετές ώρες ή ημέρες από μια ακτινοβολία.
2) ένα σμήνος μετεωροειδών που κινούνται στην ίδια τροχιά γύρω από τον Ήλιο.
Η συστηματική εμφάνιση μετεωριτών σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ουρανού και ορισμένες ημέρες του έτους, που προκαλείται από τη διασταύρωση της τροχιάς της Γης με την κοινή τροχιά πολλών σωμάτων μετεωριτών που κινούνται με περίπου τις ίδιες και πανομοιότυπες ταχύτητες, λόγω που τα μονοπάτια τους στον ουρανό φαίνονται να αναδύονται από ένα κοινό σημείο (ακτινοβόλο) . Ονομάζονται από τον αστερισμό όπου βρίσκεται το ακτινοβόλο.
Οι βροχές μετεωριτών προκαλούν βαθιά εντύπωση με τα φωτεινά τους εφέ, αλλά μεμονωμένοι μετεωρίτες σπάνια είναι ορατοί. Πολύ περισσότεροι είναι οι αόρατοι μετεωρίτες, πολύ μικροί για να είναι ορατοί όταν απορροφώνται στην ατμόσφαιρα. Μερικοί από τους μικρότερους μετεωρίτες πιθανώς δεν θερμαίνονται καθόλου, αλλά συλλαμβάνονται μόνο από την ατμόσφαιρα. Αυτά τα μικρά σωματίδια με μεγέθη που κυμαίνονται από μερικά χιλιοστά έως δέκα χιλιοστά του χιλιοστού ονομάζονται μικρομετεωρίτες. Η ποσότητα της μετεωρικής ύλης που εισέρχεται στην ατμόσφαιρα καθημερινά κυμαίνεται από 100 έως 10.000 τόνους, με την πλειοψηφία αυτού του υλικού να προέρχεται από μικρομετεωρίτες.
Δεδομένου ότι η μετεωρική ύλη καίγεται μερικώς στην ατμόσφαιρα, η σύνθεση αερίου της αναπληρώνεται με ίχνη διαφόρων χημικών στοιχείων. Για παράδειγμα, βραχώδεις μετεωρίτες εισάγουν λίθιο στην ατμόσφαιρα. Η καύση μεταλλικών μετεωριτών οδηγεί στο σχηματισμό μικροσκοπικού σφαιρικού σιδήρου, σιδήρου-νικελίου και άλλων σταγονιδίων που διέρχονται από την ατμόσφαιρα και εγκαθίστανται στην επιφάνεια της γης. Μπορούν να βρεθούν στη Γροιλανδία και την Ανταρκτική, όπου τα στρώματα πάγου παραμένουν σχεδόν αμετάβλητα για χρόνια. Οι ωκεανολόγοι τα βρίσκουν στα ιζήματα του βυθού του ωκεανού.
Τα περισσότερα σωματίδια μετεωριτών που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα καθιζάνουν μέσα σε περίπου 30 ημέρες. Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτή η κοσμική σκόνη παίζει σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό ατμοσφαιρικών φαινομένων όπως η βροχή, επειδή χρησιμεύει ως πυρήνες συμπύκνωσης για τους υδρατμούς. Επομένως, θεωρείται ότι η βροχόπτωση σχετίζεται στατιστικά με μεγάλες βροχές μετεωριτών. Ωστόσο, ορισμένοι ειδικοί πιστεύουν ότι δεδομένου ότι η συνολική προσφορά μετεωρικού υλικού είναι πολλές δεκάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν ακόμη και της μεγαλύτερης βροχής μετεωριτών, η αλλαγή στη συνολική ποσότητα αυτού του υλικού που προκύπτει από μια τέτοια βροχή μπορεί να παραμεληθεί.
Ωστόσο, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι μεγαλύτεροι μικρομετεωρίτες και ορατοί μετεωρίτες αφήνουν μακρά ίχνη ιονισμού στα ψηλά στρώματα της ατμόσφαιρας, κυρίως στην ιονόσφαιρα. Τέτοια ίχνη μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ραδιοεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, καθώς αντανακλούν ραδιοκύματα υψηλής συχνότητας.
Η ενέργεια των μετεωριτών που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα δαπανάται κυρίως, και ίσως πλήρως, για τη θέρμανση της. Αυτό είναι ένα από τα δευτερεύοντα συστατικά της θερμικής ισορροπίας της ατμόσφαιρας.
Ο μετεωρίτης είναι ένα φυσικό στερεό σώμα που έπεσε στην επιφάνεια της Γης από το διάστημα. Συνήθως γίνεται διάκριση μεταξύ πετρώδους, πετρώδους και σιδήρου μετεωρίτη. Τα τελευταία αποτελούνται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο. Μεταξύ των μετεωριτών που βρέθηκαν, οι περισσότεροι ζυγίζουν από μερικά γραμμάρια έως αρκετά κιλά. Ο μεγαλύτερος από αυτούς που βρέθηκαν, ο σιδερένιος μετεωρίτης Goba ζυγίζει περίπου 60 τόνους και εξακολουθεί να βρίσκεται στο ίδιο μέρος όπου ανακαλύφθηκε, στη Νότια Αφρική. Οι περισσότεροι μετεωρίτες είναι θραύσματα αστεροειδών, αλλά ορισμένοι μετεωρίτες μπορεί να έχουν έρθει στη Γη από τη Σελήνη και ακόμη και από τον Άρη.
Το bolide είναι ένας πολύ φωτεινός μετεωρίτης, μερικές φορές ορατός ακόμη και κατά τη διάρκεια της ημέρας, αφήνοντας συχνά πίσω του ένα καπνό και συνοδεύεται από ηχητικά φαινόμενα. συχνά τελειώνει με την πτώση μετεωριτών.
Θερμόσφαιρα.
Πάνω από την ελάχιστη θερμοκρασία της μεσόπαυσης, αρχίζει η θερμόσφαιρα, στο οποίο η θερμοκρασία, αρχικά αργά και μετά γρήγορα αρχίζει να ανεβαίνει ξανά. Ο λόγος είναι η απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο σε υψόμετρα 150–300 km, λόγω του ιονισμού του ατομικού οξυγόνου: O + hv® O + + μι.
Στη θερμόσφαιρα, η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς σε υψόμετρο περίπου 400 km, όπου φτάνει τους 1800 K κατά τη διάρκεια της ημέρας κατά την εποχή της μέγιστης ηλιακής δραστηριότητας. Κατά την εποχή της ελάχιστης ηλιακής δραστηριότητας, αυτή η οριακή θερμοκρασία μπορεί να είναι μικρότερη από 1000 K. Πάνω από 400 χλμ., η ατμόσφαιρα μετατρέπεται σε ισοθερμική εξώσφαιρα. Το κρίσιμο επίπεδο (η βάση της εξώσφαιρας) βρίσκεται σε υψόμετρο περίπου 500 km.
Πολικά φώτα και πολλές τροχιές τεχνητών δορυφόρων, καθώς και νυχτερινά νέφη - όλα αυτά τα φαινόμενα συμβαίνουν στη μεσόσφαιρα και τη θερμόσφαιρα.
Πολικά φώτα.
Σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, παρατηρούνται σέλας κατά τη διάρκεια διαταραχών του μαγνητικού πεδίου. Μπορεί να διαρκέσουν μερικά λεπτά, αλλά συχνά είναι ορατά για αρκετές ώρες. Τα σέλας ποικίλλουν πολύ σε σχήμα, χρώμα και ένταση, τα οποία μερικές φορές αλλάζουν πολύ γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Το φάσμα των σέλας αποτελείται από γραμμές και ζώνες εκπομπής. Μερικές από τις εκπομπές του νυχτερινού ουρανού ενισχύονται στο φάσμα του σέλας, κυρίως οι πράσινες και κόκκινες γραμμές l 5577 Å και l 6300 Å οξυγόνο. Συμβαίνει ότι μία από αυτές τις γραμμές είναι πολλές φορές πιο έντονη από την άλλη και αυτό καθορίζει το ορατό χρώμα του σέλας: πράσινο ή κόκκινο. Οι διαταραχές του μαγνητικού πεδίου συνοδεύονται επίσης από διακοπές στις ραδιοεπικοινωνίες στις πολικές περιοχές. Η αιτία της διαταραχής είναι οι αλλαγές στην ιονόσφαιρα, που σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων υπάρχει μια ισχυρή πηγή ιονισμού. Έχει διαπιστωθεί ότι ισχυρές μαγνητικές καταιγίδες συμβαίνουν όταν υπάρχουν μεγάλες ομάδες ηλιακών κηλίδων κοντά στο κέντρο του ηλιακού δίσκου. Οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι οι καταιγίδες δεν συνδέονται με τις ίδιες τις ηλιακές κηλίδες, αλλά με τις ηλιακές εκλάμψεις που εμφανίζονται κατά την ανάπτυξη μιας ομάδας ηλιακών κηλίδων.
Τα σέλας είναι μια σειρά φωτός ποικίλης έντασης με γρήγορες κινήσεις που παρατηρούνται σε περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους της Γης. Το οπτικό σέλας περιέχει πράσινες (5577Å) και κόκκινες (6300/6364Å) γραμμές ατομικής εκπομπής οξυγόνου και μοριακές ζώνες N2, οι οποίες διεγείρονται από ενεργητικά σωματίδια ηλιακής και μαγνητοσφαιρικής προέλευσης. Αυτές οι εκπομπές εμφανίζονται συνήθως σε υψόμετρα περίπου 100 km και άνω. Ο όρος οπτικό σέλας χρησιμοποιείται για να αναφερθεί στα οπτικά σέλας και στο φάσμα εκπομπής τους από την υπέρυθρη στην υπεριώδη περιοχή. Η ενέργεια ακτινοβολίας στο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος υπερβαίνει σημαντικά την ενέργεια στην ορατή περιοχή. Όταν εμφανίστηκαν σέλας, παρατηρήθηκαν εκπομπές στην περιοχή ULF (
Οι πραγματικές μορφές σέλας είναι δύσκολο να ταξινομηθούν. Οι όροι που χρησιμοποιούνται πιο συχνά είναι:
1. Ήρεμα, ομοιόμορφα τόξα ή ρίγες. Το τόξο τυπικά εκτείνεται ~1000 km προς την κατεύθυνση του γεωμαγνητικού παραλλήλου (προς τον Ήλιο σε πολικές περιοχές) και έχει πλάτος από ένα έως αρκετές δεκάδες χιλιόμετρα. Μια λωρίδα είναι μια γενίκευση της έννοιας του τόξου· συνήθως δεν έχει κανονικό σχήμα τόξου, αλλά κάμπτεται με τη μορφή του γράμματος S ή με τη μορφή σπειρών. Τα τόξα και οι λωρίδες βρίσκονται σε υψόμετρα 100–150 km.
2. Ακτίνες του σέλας . Αυτός ο όρος αναφέρεται σε μια δομή σέλας επιμήκης κατά μήκος γραμμών μαγνητικού πεδίου, με κατακόρυφη έκταση από αρκετές δεκάδες έως αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα. Η οριζόντια έκταση των ακτίνων είναι μικρή, από αρκετές δεκάδες μέτρα έως αρκετά χιλιόμετρα. Οι ακτίνες παρατηρούνται συνήθως σε τόξα ή ως ξεχωριστές δομές.
3. Λεκέδες ή επιφάνειες . Πρόκειται για μεμονωμένες περιοχές λάμψης που δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα. Μεμονωμένα σημεία μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους.
4. Πέπλο. Μια ασυνήθιστη μορφή σέλας, η οποία είναι μια ομοιόμορφη λάμψη που καλύπτει μεγάλες περιοχές του ουρανού.
Σύμφωνα με τη δομή τους, τα σέλας χωρίζονται σε ομοιογενή, κούφια και λαμπερά. Χρησιμοποιούνται διάφοροι όροι. παλλόμενο τόξο, παλλόμενη επιφάνεια, διάχυτη επιφάνεια, λαμπερή λωρίδα, κουρτίνα κ.λπ. Υπάρχει μια ταξινόμηση των σέλας ανάλογα με το χρώμα τους. Σύμφωνα με αυτή την ταξινόμηση, σέλας του τύπου ΕΝΑ. Το πάνω μέρος ή ολόκληρο το μέρος είναι κόκκινο (6300–6364 Å). Εμφανίζονται συνήθως σε υψόμετρα 300–400 km με υψηλή γεωμαγνητική δραστηριότητα.
Τύπος Aurora ΣΕχρωματισμένο κόκκινο στο κάτω μέρος και σχετίζεται με τη λάμψη των ζωνών του πρώτου θετικού συστήματος N 2 και του πρώτου αρνητικού συστήματος O 2. Τέτοιες μορφές σέλας εμφανίζονται κατά τις πιο ενεργές φάσεις των σέλας.
Ζώνες πολικά φώτα – Αυτές είναι οι ζώνες μέγιστης συχνότητας σέλας τη νύχτα, σύμφωνα με παρατηρητές σε ένα σταθερό σημείο στην επιφάνεια της Γης. Οι ζώνες βρίσκονται σε 67° βόρειο και νότιο γεωγραφικό πλάτος και το πλάτος τους είναι περίπου 6°. Η μέγιστη εμφάνιση σέλας, που αντιστοιχεί σε μια δεδομένη στιγμή της γεωμαγνητικής τοπικής ώρας, εμφανίζεται σε ωοειδείς ζώνες (οβάλ σέλας), οι οποίες βρίσκονται ασύμμετρα γύρω από τον βόρειο και τον νότιο γεωμαγνητικό πόλο. Το οβάλ σέλας είναι σταθερό σε γεωγραφικό πλάτος - συντεταγμένες χρόνου, και η ζώνη σέλας είναι ο γεωμετρικός τόπος των σημείων της μεταμεσονύκτιας περιοχής του οβάλ σε συντεταγμένες γεωγραφικού μήκους. Η οβάλ ζώνη βρίσκεται περίπου 23° από τον γεωμαγνητικό πόλο στον τομέα της νύχτας και 15° στον τομέα της ημέρας.
Ζώνες οβάλ και σέλας σέλας.Η θέση του οβάλ σέλας εξαρτάται από τη γεωμαγνητική δραστηριότητα. Το οβάλ γίνεται ευρύτερο σε υψηλή γεωμαγνητική δραστηριότητα. Οι ζώνες σέλας ή τα ωοειδή όρια του σέλας αντιπροσωπεύονται καλύτερα από το L 6.4 παρά με τις συντεταγμένες διπόλων. Οι γραμμές γεωμαγνητικού πεδίου στο όριο του ημερήσιου τομέα του οβάλ σέλας συμπίπτουν με μαγνητόπαυση.Παρατηρείται αλλαγή στη θέση του οβάλ σέλας ανάλογα με τη γωνία μεταξύ του γεωμαγνητικού άξονα και της κατεύθυνσης Γης-Ήλιου. Το ωοειδές σέλας προσδιορίζεται επίσης με βάση δεδομένα για την καθίζηση σωματιδίων (ηλεκτρόνια και πρωτόνια) ορισμένων ενεργειών. Η θέση του μπορεί να προσδιοριστεί ανεξάρτητα από τα δεδομένα Kaspakhστην άκρη της ημέρας και στην ουρά της μαγνητόσφαιρας.
Η ημερήσια διακύμανση στη συχνότητα εμφάνισης σέλας στη ζώνη του σέλας έχει μέγιστο τα γεωμαγνητικά μεσάνυχτα και ένα ελάχιστο το γεωμαγνητικό μεσημέρι. Στην σχεδόν ισημερινή πλευρά του οβάλ, η συχνότητα εμφάνισης σέλας μειώνεται απότομα, αλλά διατηρείται το σχήμα των ημερήσιων παραλλαγών. Στην πολική πλευρά του οβάλ, η συχνότητα των σέλας μειώνεται σταδιακά και χαρακτηρίζεται από πολύπλοκες ημερήσιες αλλαγές.
Ένταση σέλας.
Ένταση Aurora προσδιορίζεται με μέτρηση της φαινομενικής φωτεινότητας της επιφάνειας. Επιφάνεια φωτεινότητας Εγώσέλας σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση καθορίζεται από τη συνολική εκπομπή 4p Εγώφωτόνιο/(cm 2 s). Δεδομένου ότι αυτή η τιμή δεν είναι η πραγματική φωτεινότητα της επιφάνειας, αλλά αντιπροσωπεύει την εκπομπή από τη στήλη, το μοναδιαίο φωτόνιο/(cm 2 στήλη s) χρησιμοποιείται συνήθως κατά τη μελέτη σέλας. Η συνήθης μονάδα μέτρησης της συνολικής εκπομπής είναι το Rayleigh (Rl) ίσο με 10 6 φωτόνια/(cm 2 στήλη s). Πιο πρακτικές μονάδες έντασης σέλας καθορίζονται από τις εκπομπές μιας μεμονωμένης γραμμής ή ζώνης. Για παράδειγμα, η ένταση των σέλας καθορίζεται από τους διεθνείς συντελεστές φωτεινότητας (IBRs) ανάλογα με την ένταση της πράσινης γραμμής (5577 Å). 1 kRl = I MKY, 10 kRl = II MKY, 100 kRl = III MKY, 1000 kRl = IV MKY (μέγιστη ένταση του σέλας). Αυτή η ταξινόμηση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τα κόκκινα σέλας. Μία από τις ανακαλύψεις της εποχής (1957–1958) ήταν η καθιέρωση της χωροχρονικής κατανομής των σέλας με τη μορφή ωοειδούς, μετατοπισμένου σε σχέση με τον μαγνητικό πόλο. Από απλές ιδέες για το κυκλικό σχήμα της κατανομής των σέλας σε σχέση με τον μαγνητικό πόλο υπήρχε Η μετάβαση στη σύγχρονη φυσική της μαγνητόσφαιρας έχει ολοκληρωθεί. Η τιμή της ανακάλυψης ανήκει στον O. Khorosheva, και η εντατική ανάπτυξη ιδεών για το οβάλ σέλας έγινε από τους G. Starkov, Y. Feldstein, S. I. Akasofu και μια σειρά άλλων ερευνητών. Το οβάλ σέλας είναι η περιοχή της πιο έντονης επιρροής του ηλιακού ανέμου στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης. Η ένταση του σέλας είναι μεγαλύτερη στο οβάλ και η δυναμική του παρακολουθείται συνεχώς χρησιμοποιώντας δορυφόρους.
Σταθερά κόκκινα τόξα σέλας.
Σταθερό κόκκινο τόξο σέλας, αλλιώς ονομάζεται κόκκινο τόξο μεσαίου γεωγραφικού πλάτους ή M-arc, είναι ένα υποοπτικό (κάτω από το όριο ευαισθησίας του ματιού) πλατύ τόξο, που εκτείνεται από την ανατολή προς τη δύση για χιλιάδες χιλιόμετρα και πιθανώς να περικυκλώνει ολόκληρη τη Γη. Το γεωγραφικό μήκος του τόξου είναι 600 km. Η εκπομπή του σταθερού κόκκινου τόξου σέλας είναι σχεδόν μονόχρωμη στις κόκκινες γραμμές l 6300 Å και l 6364 Å. Πρόσφατα αναφέρθηκαν επίσης ασθενείς γραμμές εκπομπής l 5577 Å (OI) και l 4278 Å (N+2). Τα σταθερά κόκκινα τόξα ταξινομούνται ως σέλας, αλλά εμφανίζονται σε πολύ μεγαλύτερα υψόμετρα. Το κάτω όριο βρίσκεται σε υψόμετρο 300 km, το ανώτερο όριο είναι περίπου 700 km. Η ένταση του αθόρυβου κόκκινου τόξου σέλας στην εκπομπή l 6300 Å κυμαίνεται από 1 έως 10 kRl (τυπική τιμή 6 kRl). Το κατώφλι ευαισθησίας του ματιού σε αυτό το μήκος κύματος είναι περίπου 10 kRl, επομένως τα τόξα σπάνια παρατηρούνται οπτικά. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι η φωτεινότητά τους είναι >50 kRL το 10% των νυχτών. Η συνήθης διάρκεια ζωής των τόξων είναι περίπου μία ημέρα και σπάνια εμφανίζονται τις επόμενες ημέρες. Τα ραδιοκύματα από δορυφόρους ή ραδιοφωνικές πηγές που διασχίζουν επίμονα κόκκινα τόξα του σέλας υπόκεινται σε σπινθηρισμό, υποδεικνύοντας την ύπαρξη ανομοιογενειών στην πυκνότητα των ηλεκτρονίων. Η θεωρητική εξήγηση για τα κόκκινα τόξα είναι ότι τα θερμαινόμενα ηλεκτρόνια της περιοχής φάΗ ιονόσφαιρα προκαλεί αύξηση των ατόμων οξυγόνου. Οι δορυφορικές παρατηρήσεις δείχνουν μια αύξηση στη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων κατά μήκος των γραμμών γεωμαγνητικού πεδίου που τέμνουν τα επίμονα κόκκινα τόξα του σέλας. Η ένταση αυτών των τόξων συσχετίζεται θετικά με τη γεωμαγνητική δραστηριότητα (καταιγίδες) και η συχνότητα εμφάνισης τόξων συσχετίζεται θετικά με τη δραστηριότητα των ηλιακών κηλίδων.
Αλλαγή σέλας.
Ορισμένες μορφές σέλας παρουσιάζουν ημιπεριοδικές και συνεκτικές χρονικές διακυμάνσεις στην ένταση. Αυτά τα σέλας με περίπου ακίνητη γεωμετρία και γρήγορες περιοδικές παραλλαγές που συμβαίνουν σε φάση ονομάζονται μεταβαλλόμενα σέλας. Κατατάσσονται ως σέλας φόρμες Rσύμφωνα με τον Διεθνή Άτλαντα του Σέλας Μια πιο λεπτομερής υποδιαίρεση των μεταβαλλόμενων σέλας:
R 1 (παλμικό σέλας) είναι μια λάμψη με ομοιόμορφες διακυμάνσεις φάσης στη φωτεινότητα σε όλο το σχήμα του σέλας. Εξ ορισμού, σε ένα ιδανικό παλλόμενο σέλας, τα χωρικά και χρονικά μέρη του παλμού μπορούν να διαχωριστούν, δηλ. λάμψη Εγώ(r,t)= I s(r)· Ι Τ(t). Σε ένα τυπικό σέλας R 1 παλμοί συμβαίνουν με συχνότητα από 0,01 έως 10 Hz χαμηλής έντασης (1–2 kRl). Τα περισσότερα σέλας R 1 – πρόκειται για σημεία ή τόξα που πάλλονται με περίοδο αρκετών δευτερολέπτων.
R 2 (πύρινη αύρα). Ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως για να αναφέρεται σε κινήσεις όπως οι φλόγες που γεμίζουν τον ουρανό, παρά για να περιγράψει μια ξεχωριστή μορφή. Τα σέλας έχουν σχήμα τόξων και συνήθως κινούνται προς τα πάνω από ύψος 100 km. Αυτά τα σέλας είναι σχετικά σπάνια και εμφανίζονται πιο συχνά έξω από το σέλας.
R 3 (λαμπυρίζοντας σέλας). Πρόκειται για σέλας με γρήγορες, ακανόνιστες ή κανονικές διακυμάνσεις φωτεινότητας, δίνοντας την εντύπωση φλόγας που τρεμοπαίζουν στον ουρανό. Εμφανίζονται λίγο πριν αποσυντεθεί ο σέλας. Τυπικά παρατηρούμενη συχνότητα διακύμανσης R 3 ισούται με 10 ± 3 Hz.
Ο όρος ροής σέλας, που χρησιμοποιείται για μια άλλη κατηγορία παλλόμενων σέλας, αναφέρεται σε ακανόνιστες διακυμάνσεις στη φωτεινότητα που κινούνται γρήγορα οριζόντια στα τόξα και τις ραβδώσεις του σέλας.
Το μεταβαλλόμενο σέλας είναι ένα από τα ηλιακά-γήινα φαινόμενα που συνοδεύουν τους παλμούς του γεωμαγνητικού πεδίου και την ακτινοβολία ακτίνων Χ σέλας που προκαλούνται από την κατακρήμνιση σωματιδίων ηλιακής και μαγνητοσφαιρικής προέλευσης.
Η λάμψη του πολικού καλύμματος χαρακτηρίζεται από την υψηλή ένταση της ζώνης του πρώτου αρνητικού συστήματος N + 2 (l 3914 Å). Συνήθως, αυτές οι ζώνες N + 2 είναι πέντε φορές πιο έντονες από την πράσινη γραμμή OI l 5577 Å· η απόλυτη ένταση της λάμψης του πολικού καλύμματος κυμαίνεται από 0,1 έως 10 kRl (συνήθως 1–3 kRl). Κατά τη διάρκεια αυτών των σέλας, που εμφανίζονται σε περιόδους PCA, μια ομοιόμορφη λάμψη καλύπτει ολόκληρο το πολικό κάλυμμα μέχρι ένα γεωμαγνητικό γεωγραφικό πλάτος 60° σε υψόμετρα 30 έως 80 km. Παράγεται κυρίως από ηλιακά πρωτόνια και σωματίδια d με ενέργειες 10–100 MeV, δημιουργώντας μέγιστο ιονισμό σε αυτά τα υψόμετρα. Υπάρχει ένας άλλος τύπος λάμψης στις ζώνες σέλας, που ονομάζεται σέλας μανδύας. Για αυτόν τον τύπο λάμψης σέλας, η ημερήσια μέγιστη ένταση, που εμφανίζεται τις πρωινές ώρες, είναι 1–10 kRL και η ελάχιστη ένταση είναι πέντε φορές ασθενέστερη. Οι παρατηρήσεις των σέλας του μανδύα είναι ελάχιστες· η έντασή τους εξαρτάται από τη γεωμαγνητική και ηλιακή δραστηριότητα.
Ατμοσφαιρική λάμψηορίζεται ως η ακτινοβολία που παράγεται και εκπέμπεται από την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη. Πρόκειται για μη θερμική ακτινοβολία της ατμόσφαιρας, με εξαίρεση την εκπομπή σέλας, εκκενώσεις κεραυνών και την εκπομπή μονοπατιών μετεωριτών. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται σε σχέση με την ατμόσφαιρα της γης (νυχτερινή λάμψη, λάμψη λυκόφωτος και λάμψη ημέρας). Η ατμοσφαιρική λάμψη αποτελεί μόνο ένα μέρος του φωτός που είναι διαθέσιμο στην ατμόσφαιρα. Άλλες πηγές περιλαμβάνουν το φως των αστεριών, το ζωδιακό φως και το διάχυτο φως της ημέρας από τον Ήλιο. Κατά καιρούς, η ατμοσφαιρική λάμψη μπορεί να αντιπροσωπεύει έως και το 40% της συνολικής ποσότητας φωτός. Η ατμοσφαιρική λάμψη εμφανίζεται σε ατμοσφαιρικά στρώματα ποικίλου ύψους και πάχους. Το ατμοσφαιρικό φάσμα λάμψης καλύπτει μήκη κύματος από 1000 Å έως 22,5 μικρά. Η κύρια γραμμή εκπομπής στην ατμοσφαιρική λάμψη είναι l 5577 Å, που εμφανίζεται σε υψόμετρο 90–100 km σε ένα στρώμα πάχους 30–40 km. Η εμφάνιση της φωταύγειας οφείλεται στον μηχανισμό Chapman, που βασίζεται στον ανασυνδυασμό ατόμων οξυγόνου. Άλλες γραμμές εκπομπών είναι l 6300 Å, που εμφανίζονται στην περίπτωση διαχωρισμού ανασυνδυασμού του O + 2 και εκπομπής NI l 5198/5201 Å και NI l 5890/5896 Å.
Η ένταση της λάμψης αέρα μετριέται σε Rayleigh. Η φωτεινότητα (σε Rayleigh) είναι ίση με 4 rv, όπου b είναι η φωτεινότητα της γωνιακής επιφάνειας του στρώματος εκπομπής σε μονάδες 10 6 φωτονίων/(cm 2 ster·s). Η ένταση της λάμψης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος (διαφορετική για διαφορετικές εκπομπές) και επίσης ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας με μέγιστο κοντά στα μεσάνυχτα. Σημειώθηκε θετική συσχέτιση για την λάμψη αέρα στην εκπομπή l 5577 Å με τον αριθμό των ηλιακών κηλίδων και τη ροή ηλιακής ακτινοβολίας σε μήκος κύματος 10,7 εκ. Η λάμψη αέρα παρατηρείται κατά τη διάρκεια δορυφορικών πειραμάτων. Από το διάστημα, εμφανίζεται ως ένας δακτύλιος φωτός γύρω από τη Γη και έχει ένα πρασινωπό χρώμα.
Οζονόσφαιρα.
Σε υψόμετρα 20–25 km, επιτυγχάνεται η μέγιστη συγκέντρωση μιας ασήμαντης ποσότητας όζοντος O 3 (έως 2×10 –7 της περιεκτικότητας σε οξυγόνο!), η οποία προκύπτει υπό την επίδραση της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας σε υψόμετρα περίπου 10 έως 50 km, προστατεύοντας τον πλανήτη από την ιονίζουσα ηλιακή ακτινοβολία. Παρά τον εξαιρετικά μικρό αριθμό μορίων του όζοντος, προστατεύουν όλη τη ζωή στη Γη από τις βλαβερές συνέπειες της ακτινοβολίας βραχέων κυμάτων (υπεριώδεις και ακτίνες Χ) από τον Ήλιο. Εάν εναποθέσετε όλα τα μόρια στη βάση της ατμόσφαιρας, θα έχετε ένα στρώμα πάχους όχι μεγαλύτερο από 3–4 mm! Σε υψόμετρα άνω των 100 km, η αναλογία των ελαφρών αερίων αυξάνεται και σε πολύ μεγάλα υψόμετρα κυριαρχούν το ήλιο και το υδρογόνο. πολλά μόρια διασπώνται σε μεμονωμένα άτομα, τα οποία, ιονισμένα υπό την επίδραση της σκληρής ακτινοβολίας από τον Ήλιο, σχηματίζουν την ιονόσφαιρα. Η πίεση και η πυκνότητα του αέρα στην ατμόσφαιρα της Γης μειώνονται με το υψόμετρο. Ανάλογα με την κατανομή της θερμοκρασίας, η ατμόσφαιρα της Γης χωρίζεται σε τροπόσφαιρα, στρατόσφαιρα, μεσόσφαιρα, θερμόσφαιρα και εξώσφαιρα. .
Σε υψόμετρο 20–25 χλμ. υπάρχει στιβάδα του όζοντος. Το όζον σχηματίζεται λόγω της διάσπασης των μορίων οξυγόνου κατά την απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας από τον Ήλιο με μήκη κύματος μικρότερα από 0,1–0,2 μικρά. Το ελεύθερο οξυγόνο συνδυάζεται με μόρια O 2 και σχηματίζει όζον O 3, το οποίο απορροφά λαίμαργα όλη την υπεριώδη ακτινοβολία μικρότερη από 0,29 μικρά. Τα μόρια του όζοντος O3 καταστρέφονται εύκολα από την ακτινοβολία βραχέων κυμάτων. Επομένως, παρά τη σπανιότητά του, το στρώμα του όζοντος απορροφά αποτελεσματικά την υπεριώδη ακτινοβολία από τον Ήλιο που έχει περάσει από υψηλότερα και πιο διαφανή ατμοσφαιρικά στρώματα. Χάρη σε αυτό, οι ζωντανοί οργανισμοί στη Γη προστατεύονται από τις βλαβερές επιπτώσεις του υπεριώδους φωτός από τον Ήλιο.
Ιονόσφαιρα.
Η ακτινοβολία από τον ήλιο ιονίζει τα άτομα και τα μόρια της ατμόσφαιρας. Ο βαθμός ιοντισμού γίνεται σημαντικός ήδη σε υψόμετρο 60 χιλιομέτρων και αυξάνεται σταθερά με την απόσταση από τη Γη. Σε διαφορετικά υψόμετρα στην ατμόσφαιρα, συμβαίνουν διαδοχικές διεργασίες διάστασης διαφόρων μορίων και επακόλουθος ιονισμός διαφόρων ατόμων και ιόντων. Πρόκειται κυρίως για μόρια οξυγόνου O 2, αζώτου N 2 και των ατόμων τους. Ανάλογα με την ένταση αυτών των διεργασιών, τα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας που βρίσκονται πάνω από 60 χιλιόμετρα ονομάζονται στρώματα ιονόσφαιρας , και η ολότητά τους είναι η ιονόσφαιρα . Το κατώτερο στρώμα, του οποίου ο ιονισμός είναι ασήμαντος, ονομάζεται ουδετερόσφαιρα.
Η μέγιστη συγκέντρωση φορτισμένων σωματιδίων στην ιονόσφαιρα επιτυγχάνεται σε υψόμετρα 300–400 km.
Ιστορία της μελέτης της ιονόσφαιρας.
Η υπόθεση για την ύπαρξη ενός αγώγιμου στρώματος στην ανώτερη ατμόσφαιρα διατυπώθηκε το 1878 από τον Άγγλο επιστήμονα Stuart για να εξηγήσει τα χαρακτηριστικά του γεωμαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, το 1902, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, ο Kennedy στις ΗΠΑ και ο Heaviside στην Αγγλία επεσήμαναν ότι για να εξηγηθεί η διάδοση των ραδιοκυμάτων σε μεγάλες αποστάσεις ήταν απαραίτητο να υποθέσουμε την ύπαρξη περιοχών υψηλής αγωγιμότητας στα υψηλά στρώματα της ατμόσφαιρας. Το 1923, ο ακαδημαϊκός M.V. Shuleikin, λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά της διάδοσης ραδιοκυμάτων διαφόρων συχνοτήτων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο ανακλαστικά στρώματα στην ιονόσφαιρα. Στη συνέχεια, το 1925, οι Άγγλοι ερευνητές Appleton και Barnett, καθώς και οι Breit και Tuve, απέδειξαν για πρώτη φορά πειραματικά την ύπαρξη περιοχών που αντανακλούν τα ραδιοκύματα και έθεσαν τα θεμέλια για τη συστηματική μελέτη τους. Έκτοτε, έχει γίνει μια συστηματική μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των στρωμάτων, που γενικά ονομάζονται ιονόσφαιρα, τα οποία παίζουν σημαντικό ρόλο σε μια σειρά από γεωφυσικά φαινόμενα που καθορίζουν την ανάκλαση και την απορρόφηση των ραδιοκυμάτων, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για πρακτική σκοπούς, ιδίως για τη διασφάλιση αξιόπιστων ραδιοεπικοινωνιών.
Στη δεκαετία του 1930 ξεκίνησαν συστηματικές παρατηρήσεις της κατάστασης της ιονόσφαιρας. Στη χώρα μας, με πρωτοβουλία του M.A. Bonch-Bruevich, δημιουργήθηκαν εγκαταστάσεις για την ανίχνευση παλμών του. Μελετήθηκαν πολλές γενικές ιδιότητες της ιονόσφαιρας, ύψη και συγκέντρωση ηλεκτρονίων των κύριων στιβάδων της.
Σε υψόμετρα 60–70 km παρατηρείται στρώμα D, σε υψόμετρα 100–120 km στρώμα μι, σε υψόμετρα, σε υψόμετρα 180–300 km διπλής στρώσης φά 1 και φά 2. Οι κύριες παράμετροι αυτών των στρωμάτων δίνονται στον Πίνακα 4.
| Πίνακας 4. | ||||||
| Ιονοσφαιρική περιοχή | Μέγιστο ύψος, km | T i , κ | Ημέρα | Νύχτα n e , cm –3 | a΄, ρm 3 s – 1 | |
| ελάχ n e , cm –3 | Μέγιστη n e , cm –3 | |||||
| ρε | 70 | 20 | 100 | 200 | 10 | 10 –6 |
| μι | 110 | 270 | 1,5 10 5 | 3·10 5 | 3000 | 10 –7 |
| φά 1 | 180 | 800–1500 | 3·10 5 | 5 10 5 | – | 3·10 –8 |
| φά 2 (χειμώνας) | 220–280 | 1000–2000 | 6 10 5 | 25 10 5 | ~10 5 | 2·10 –10 |
| φά 2 (καλοκαίρι) | 250–320 | 1000–2000 | 2·10 5 | 8 10 5 | ~3·10 5 | 10 –10 |
| n e– συγκέντρωση ηλεκτρονίων, e – φορτίο ηλεκτρονίων, T i– θερμοκρασία ιόντων, α΄ – συντελεστής ανασυνδυασμού (που καθορίζει την τιμή n eκαι η αλλαγή του με την πάροδο του χρόνου) | ||||||
Οι μέσες τιμές δίνονται επειδή ποικίλλουν σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, ανάλογα με την ώρα της ημέρας και τις εποχές. Αυτά τα δεδομένα είναι απαραίτητα για τη διασφάλιση ραδιοεπικοινωνιών μεγάλων αποστάσεων. Χρησιμοποιούνται για την επιλογή συχνοτήτων λειτουργίας για διάφορες ραδιοζεύξεις βραχέων κυμάτων. Η γνώση των αλλαγών τους ανάλογα με την κατάσταση της ιονόσφαιρας σε διαφορετικές ώρες της ημέρας και σε διαφορετικές εποχές είναι εξαιρετικά σημαντική για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των ραδιοεπικοινωνιών. Η ιονόσφαιρα είναι μια συλλογή από ιονισμένα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης, που ξεκινούν από υψόμετρα περίπου 60 km και εκτείνονται σε υψόμετρα δεκάδων χιλιάδων km. Η κύρια πηγή ιοντισμού της ατμόσφαιρας της Γης είναι η υπεριώδης ακτινοβολία και η ακτινοβολία ακτίνων Χ από τον Ήλιο, η οποία εμφανίζεται κυρίως στην ηλιακή χρωμόσφαιρα και στο στέμμα. Επιπλέον, ο βαθμός ιοντισμού της ανώτερης ατμόσφαιρας επηρεάζεται από ηλιακά σωματιδιακά ρεύματα που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια ηλιακών εκλάμψεων, καθώς και από κοσμικές ακτίνες και σωματίδια μετεωριτών.
Ιονοσφαιρικά στρώματα
- αυτές είναι περιοχές της ατμόσφαιρας στις οποίες επιτυγχάνονται οι μέγιστες συγκεντρώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων (δηλαδή ο αριθμός τους ανά μονάδα όγκου). Ηλεκτρικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια και (σε μικρότερο βαθμό, λιγότερο κινητά ιόντα) που προκύπτουν από τον ιονισμό ατόμων ατμοσφαιρικών αερίων, που αλληλεπιδρούν με ραδιοκύματα (δηλαδή ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις), μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνσή τους, αντανακλώντας ή διαθλώντας τα και απορροφούν την ενέργειά τους . Ως αποτέλεσμα αυτού, κατά τη λήψη απομακρυσμένων ραδιοφωνικών σταθμών, ενδέχεται να προκύψουν διάφορα εφέ, για παράδειγμα, εξασθένιση των ραδιοεπικοινωνιών, αυξημένη ακουστότητα απομακρυσμένων σταθμών, συσκότισηκαι ούτω καθεξής. πρωτοφανής.
Ερευνητικές μέθοδοι.
Οι κλασικές μέθοδοι μελέτης της ιονόσφαιρας από τη Γη καταλήγουν σε παλμικό ήχο - αποστολή ραδιοπαλμών και παρατήρηση των αντανακλάσεων τους από διάφορα στρώματα της ιονόσφαιρας, μέτρηση του χρόνου καθυστέρησης και μελέτη της έντασης και του σχήματος των ανακλώμενων σημάτων. Μετρώντας τα ύψη ανάκλασης ραδιοπαλμών σε διάφορες συχνότητες, προσδιορίζοντας τις κρίσιμες συχνότητες διαφόρων περιοχών (η κρίσιμη συχνότητα είναι η φέρουσα συχνότητα ενός ραδιοπαλμού, για τον οποίο μια δεδομένη περιοχή της ιονόσφαιρας γίνεται διαφανής), είναι δυνατός ο προσδιορισμός την τιμή της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων στα στρώματα και τα ενεργά ύψη για δεδομένες συχνότητες και επιλέξτε τις βέλτιστες συχνότητες για δεδομένες ραδιοδρομίες. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας πυραύλων και την έλευση της διαστημικής εποχής των τεχνητών γήινων δορυφόρων (AES) και άλλων διαστημικών σκαφών, κατέστη δυνατή η άμεση μέτρηση των παραμέτρων του διαστημικού πλάσματος κοντά στη Γη, το κάτω μέρος του οποίου είναι η ιονόσφαιρα.
Μετρήσεις συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, που πραγματοποιήθηκαν σε ειδικά εκτοξευμένους πυραύλους και κατά μήκος δορυφορικών διαδρομών πτήσης, επιβεβαίωσαν και διευκρίνισαν δεδομένα που είχαν προηγουμένως ληφθεί με επίγειες μεθόδους για τη δομή της ιονόσφαιρας, την κατανομή της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων με ύψος πάνω από διάφορες περιοχές της Γης και κατέστησε δυνατή τη λήψη τιμών συγκέντρωσης ηλεκτρονίων πάνω από το κύριο μέγιστο - το στρώμα φά. Προηγουμένως, αυτό ήταν αδύνατο να γίνει με τη χρήση μεθόδων ήχου που βασίζονταν σε παρατηρήσεις ανακλώμενων ραδιοπαλμών βραχέων κυμάτων. Ανακαλύφθηκε ότι σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη υπάρχουν αρκετά σταθερές περιοχές με μειωμένη συγκέντρωση ηλεκτρονίων, τακτικοί «ιονόσφαιροι άνεμοι», ιδιόμορφες κυματικές διεργασίες εμφανίζονται στην ιονόσφαιρα που μεταφέρουν τοπικές ιονόσφαιρες διαταραχές χιλιάδες χιλιόμετρα από τον τόπο διέγερσής τους. και πολλα ΑΚΟΜΑ. Η δημιουργία ιδιαίτερα ευαίσθητων συσκευών λήψης κατέστησε δυνατή τη λήψη σημάτων παλμών που ανακλώνται μερικώς από τις χαμηλότερες περιοχές της ιονόσφαιρας (σταθμοί μερικής ανάκλασης) σε σταθμούς ηχογράφησης παλμών ιονόσφαιρας. Η χρήση ισχυρών παλμικών εγκαταστάσεων στο εύρος μήκους κύματος μετρητών και δεκατιανών με τη χρήση κεραιών που επιτρέπουν υψηλή συγκέντρωση εκπεμπόμενης ενέργειας κατέστησε δυνατή την παρατήρηση σημάτων που διασκορπίζονται από την ιονόσφαιρα σε διάφορα υψόμετρα. Η μελέτη των χαρακτηριστικών των φασμάτων αυτών των σημάτων, ασυνάρτητα διασκορπισμένα από ηλεκτρόνια και ιόντα του πλάσματος ιονόσφαιρας (για αυτό, χρησιμοποιήθηκαν σταθμοί ασυνάρτητης σκέδασης ραδιοκυμάτων) κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων και ιόντων, το ισοδύναμό τους θερμοκρασία σε διάφορα υψόμετρα έως υψόμετρα πολλών χιλιάδων χιλιομέτρων. Αποδείχθηκε ότι η ιονόσφαιρα είναι αρκετά διαφανής για τις χρησιμοποιούμενες συχνότητες.
Η συγκέντρωση των ηλεκτρικών φορτίων (η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων είναι ίση με τη συγκέντρωση ιόντων) στην ιονόσφαιρα της γης σε υψόμετρο 300 km είναι περίπου 10 6 cm –3 κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το πλάσμα τέτοιας πυκνότητας αντανακλά ραδιοκύματα μήκους άνω των 20 m και εκπέμπει μικρότερα.
Τυπική κατακόρυφη κατανομή της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων στην ιονόσφαιρα για συνθήκες ημέρας και νύχτας.
Διάδοση ραδιοκυμάτων στην ιονόσφαιρα.
Η σταθερή λήψη σταθμών εκπομπής μεγάλων αποστάσεων εξαρτάται από τις συχνότητες που χρησιμοποιούνται, καθώς και από την ώρα της ημέρας, την εποχή και, επιπλέον, από την ηλιακή δραστηριότητα. Η ηλιακή δραστηριότητα επηρεάζει σημαντικά την κατάσταση της ιονόσφαιρας. Τα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από έναν επίγειο σταθμό ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή, όπως όλα τα είδη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ωστόσο, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι τόσο η επιφάνεια της Γης όσο και τα ιονισμένα στρώματα της ατμόσφαιράς της χρησιμεύουν ως πλάκες ενός τεράστιου πυκνωτή, που ενεργεί πάνω τους όπως η επίδραση των κατόπτρων στο φως. Αντανακλώντας από αυτά, τα ραδιοκύματα μπορούν να ταξιδέψουν πολλές χιλιάδες χιλιόμετρα, κυκλώνοντας την υδρόγειο με τεράστια άλματα εκατοντάδων και χιλιάδων χιλιομέτρων, αντανακλώντας εναλλάξ από ένα στρώμα ιονισμένου αερίου και από την επιφάνεια της Γης ή του νερού.
Στη δεκαετία του 20 του περασμένου αιώνα, πιστευόταν ότι τα ραδιοκύματα μικρότερα από 200 μέτρα γενικά δεν ήταν κατάλληλα για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων λόγω ισχυρής απορρόφησης. Τα πρώτα πειράματα για τη λήψη μικρών κυμάτων σε μεγάλες αποστάσεις κατά μήκος του Ατλαντικού μεταξύ Ευρώπης και Αμερικής πραγματοποιήθηκαν από τον Άγγλο φυσικό Oliver Heaviside και τον Αμερικανό ηλεκτρολόγο μηχανικό Arthur Kennelly. Ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, πρότειναν ότι κάπου γύρω από τη Γη υπάρχει ένα ιονισμένο στρώμα της ατμόσφαιρας ικανό να ανακλά τα ραδιοκύματα. Ονομάστηκε στρώμα Heaviside-Kennelly, και στη συνέχεια ιονόσφαιρα.
Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, η ιονόσφαιρα αποτελείται από αρνητικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα ιόντα, κυρίως μοριακό οξυγόνο O + και μονοξείδιο του αζώτου NO +. Τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της διάστασης των μορίων και του ιονισμού ουδέτερων ατόμων αερίου από τις ηλιακές ακτίνες Χ και την υπεριώδη ακτινοβολία. Για να ιονιστεί ένα άτομο, είναι απαραίτητο να μεταδοθεί ενέργεια ιοντισμού σε αυτό, η κύρια πηγή της οποίας για την ιονόσφαιρα είναι η υπεριώδης, οι ακτίνες Χ και η σωματική ακτινοβολία από τον Ήλιο.
Ενώ το αέριο κέλυφος της Γης φωτίζεται από τον Ήλιο, όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια σχηματίζονται συνεχώς σε αυτό, αλλά ταυτόχρονα μερικά από τα ηλεκτρόνια, που συγκρούονται με ιόντα, ανασυνδυάζονται, σχηματίζοντας και πάλι ουδέτερα σωματίδια. Μετά τη δύση του ηλίου, ο σχηματισμός νέων ηλεκτρονίων σχεδόν σταματά και ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων αρχίζει να μειώνεται. Όσο περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια υπάρχουν στην ιονόσφαιρα, τόσο καλύτερα αντανακλώνται τα κύματα υψηλής συχνότητας από αυτήν. Με μείωση της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, η διέλευση ραδιοκυμάτων είναι δυνατή μόνο σε περιοχές χαμηλών συχνοτήτων. Γι' αυτό τη νύχτα, κατά κανόνα, είναι δυνατή η λήψη απομακρυσμένων σταθμών μόνο στις περιοχές των 75, 49, 41 και 31 μ. Τα ηλεκτρόνια κατανέμονται άνισα στην ιονόσφαιρα. Σε υψόμετρα από 50 έως 400 km υπάρχουν πολλά στρώματα ή περιοχές αυξημένης συγκέντρωσης ηλεκτρονίων. Αυτές οι περιοχές μεταβάλλονται ομαλά η μία στην άλλη και έχουν διαφορετικά αποτελέσματα στη διάδοση των ραδιοκυμάτων HF. Το ανώτερο στρώμα της ιονόσφαιρας ορίζεται με το γράμμα φά. Εδώ ο υψηλότερος βαθμός ιοντισμού (το κλάσμα των φορτισμένων σωματιδίων είναι περίπου 10 – 4). Βρίσκεται σε υψόμετρο άνω των 150 km πάνω από την επιφάνεια της Γης και παίζει τον κύριο ανακλαστικό ρόλο στη διάδοση ραδιοκυμάτων υψηλής συχνότητας HF σε μεγάλες αποστάσεις. Τους καλοκαιρινούς μήνες, η περιοχή F χωρίζεται σε δύο στρώματα - φά 1 και φά 2. Το στρώμα F1 μπορεί να καταλάβει ύψη από 200 έως 250 km και στρώση φάΤο 2 φαίνεται να «επιπλέει» στην περιοχή υψομέτρου 300–400 km. Συνήθως στρώση φάΤο 2 ιονίζεται πολύ πιο ισχυρό από το στρώμα φά 1 . Νυχτερινό στρώμα φά 1 εξαφανίζεται και το στρώμα φά 2 παραμένει, χάνοντας αργά έως και το 60% του βαθμού ιοντισμού του. Κάτω από το στρώμα F σε υψόμετρα από 90 έως 150 km υπάρχει ένα στρώμα μιο ιονισμός του οποίου συμβαίνει υπό την επίδραση μαλακής ακτινοβολίας ακτίνων Χ από τον Ήλιο. Ο βαθμός ιοντισμού του στρώματος Ε είναι χαμηλότερος από αυτόν του φά, κατά τη διάρκεια της ημέρας, λαμβάνει χώρα λήψη σταθμών στο εύρος HF χαμηλής συχνότητας των 31 και 25 m όταν αντανακλώνται σήματα από το στρώμα μι. Συνήθως πρόκειται για σταθμούς που βρίσκονται σε απόσταση 1000–1500 km. Τη νύχτα στο στρώμα μιΟ ιονισμός μειώνεται απότομα, αλλά ακόμη και αυτή τη στιγμή συνεχίζει να παίζει σημαντικό ρόλο στη λήψη σημάτων από σταθμούς στα εύρη 41, 49 και 75 m.
Μεγάλο ενδιαφέρον για τη λήψη σημάτων υψηλής συχνότητας εύρους HF 16, 13 και 11 m είναι αυτά που προκύπτουν στην περιοχή μιστρώματα (σύννεφα) εξαιρετικά αυξημένου ιονισμού. Η περιοχή αυτών των νεφών μπορεί να κυμαίνεται από μερικά έως εκατοντάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα. Αυτό το στρώμα αυξημένου ιονισμού ονομάζεται σποραδικό στρώμα μικαι ορίζεται Es. Τα σύννεφα Es μπορούν να κινηθούν στην ιονόσφαιρα υπό την επίδραση του ανέμου και να φτάσουν ταχύτητες έως και 250 km/h. Το καλοκαίρι σε μεσαία γεωγραφικά πλάτη κατά τη διάρκεια της ημέρας, η προέλευση των ραδιοκυμάτων λόγω των νεφών Es εμφανίζεται για 15-20 ημέρες το μήνα. Κοντά στον ισημερινό είναι σχεδόν πάντα παρόν και σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη εμφανίζεται συνήθως τη νύχτα. Μερικές φορές, κατά τη διάρκεια ετών χαμηλής ηλιακής δραστηριότητας, όταν δεν υπάρχει μετάδοση στις ζώνες υψηλής συχνότητας HF, εμφανίζονται ξαφνικά μακρινοί σταθμοί στις ζώνες 16, 13 και 11 m με καλή ένταση, τα σήματα των οποίων αντανακλώνται πολλές φορές από το Es.
Η χαμηλότερη περιοχή της ιονόσφαιρας είναι η περιοχή ρεβρίσκεται σε υψόμετρα μεταξύ 50 και 90 χλμ. Υπάρχουν σχετικά λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια εδώ. Από την περιοχή ρεΤα μεγάλα και μεσαία κύματα ανακλώνται καλά και τα σήματα από σταθμούς HF χαμηλής συχνότητας απορροφώνται έντονα. Μετά τη δύση του ηλίου, ο ιονισμός εξαφανίζεται πολύ γρήγορα και καθίσταται δυνατή η λήψη απομακρυσμένων σταθμών στις περιοχές 41, 49 και 75 m, τα σήματα των οποίων αντανακλώνται από τα στρώματα φά 2 και μι. Τα μεμονωμένα στρώματα της ιονόσφαιρας παίζουν σημαντικό ρόλο στη διάδοση των ραδιοσημάτων HF. Η επίδραση στα ραδιοκύματα συμβαίνει κυρίως λόγω της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων στην ιονόσφαιρα, αν και ο μηχανισμός διάδοσης των ραδιοκυμάτων σχετίζεται με την παρουσία μεγάλων ιόντων. Τα τελευταία παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον κατά τη μελέτη των χημικών ιδιοτήτων της ατμόσφαιρας, καθώς είναι πιο ενεργά από τα ουδέτερα άτομα και μόρια. Οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στην ιονόσφαιρα παίζουν σημαντικό ρόλο στην ενεργειακή και ηλεκτρική της ισορροπία.
Κανονική ιονόσφαιρα. Οι παρατηρήσεις που έγιναν με χρήση γεωφυσικών πυραύλων και δορυφόρων έχουν παράσχει πληθώρα νέων πληροφοριών που υποδεικνύουν ότι ο ιονισμός της ατμόσφαιρας συμβαίνει υπό την επίδραση ενός ευρέος φάσματος ηλιακής ακτινοβολίας. Το κύριο μέρος του (πάνω από 90%) συγκεντρώνεται στο ορατό τμήμα του φάσματος. Η υπεριώδης ακτινοβολία, η οποία έχει μικρότερο μήκος κύματος και υψηλότερη ενέργεια από τις ιώδεις ακτίνες φωτός, εκπέμπεται από το υδρογόνο στην εσωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου (τη χρωμόσφαιρα) και οι ακτίνες Χ, που έχουν ακόμη μεγαλύτερη ενέργεια, εκπέμπονται από αέρια στο εξωτερικό περίβλημα του Ήλιου (το στέμμα).
Η κανονική (μέση) κατάσταση της ιονόσφαιρας οφείλεται σε συνεχή ισχυρή ακτινοβολία. Τακτικές αλλαγές συμβαίνουν στην κανονική ιονόσφαιρα λόγω της καθημερινής περιστροφής της Γης και εποχιακές διαφορές στη γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου το μεσημέρι, αλλά συμβαίνουν επίσης απρόβλεπτες και απότομες αλλαγές στην κατάσταση της ιονόσφαιρας.
Διαταραχές στην ιονόσφαιρα.
Όπως είναι γνωστό, στον Ήλιο συμβαίνουν ισχυρές κυκλικά επαναλαμβανόμενες εκδηλώσεις δραστηριότητας, οι οποίες φτάνουν στο μέγιστο κάθε 11 χρόνια. Οι παρατηρήσεις στο πλαίσιο του προγράμματος Διεθνούς Γεωφυσικού Έτους (IGY) συνέπεσαν με την περίοδο της υψηλότερης ηλιακής δραστηριότητας για ολόκληρη την περίοδο συστηματικών μετεωρολογικών παρατηρήσεων, δηλ. από τις αρχές του 18ου αιώνα. Σε περιόδους υψηλής δραστηριότητας, η φωτεινότητα ορισμένων περιοχών στον Ήλιο αυξάνεται αρκετές φορές και η δύναμη της υπεριώδους ακτινοβολίας και της ακτινοβολίας ακτίνων Χ αυξάνεται απότομα. Τέτοια φαινόμενα ονομάζονται ηλιακές εκλάμψεις. Διαρκούν από αρκετά λεπτά έως μία έως δύο ώρες. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης, το ηλιακό πλάσμα (κυρίως πρωτόνια και ηλεκτρόνια) εκρήγνυται και στοιχειώδη σωματίδια ορμούν στο διάστημα. Η ηλεκτρομαγνητική και σωματική ακτινοβολία από τον Ήλιο κατά τη διάρκεια τέτοιων εκλάμψεων έχει ισχυρό αντίκτυπο στην ατμόσφαιρα της Γης.
Η αρχική αντίδραση παρατηρείται 8 λεπτά μετά την έκλαμψη, όταν η έντονη υπεριώδης ακτινοβολία και η ακτινοβολία ακτίνων Χ φτάνει στη Γη. Ως αποτέλεσμα, ο ιονισμός αυξάνεται απότομα. Οι ακτίνες Χ διεισδύουν στην ατμόσφαιρα μέχρι το κατώτερο όριο της ιονόσφαιρας. ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτές τις στιβάδες αυξάνεται τόσο πολύ που τα ραδιοσήματα απορροφώνται σχεδόν πλήρως («σβήνουν»). Η πρόσθετη απορρόφηση της ακτινοβολίας προκαλεί τη θέρμανση του αερίου, γεγονός που συμβάλλει στην ανάπτυξη των ανέμων. Το ιονισμένο αέριο είναι ένας ηλεκτρικός αγωγός και όταν κινείται στο μαγνητικό πεδίο της Γης, εμφανίζεται ένα φαινόμενο δυναμό και δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Τέτοια ρεύματα μπορούν, με τη σειρά τους, να προκαλέσουν αισθητές διαταραχές στο μαγνητικό πεδίο και να εκδηλωθούν με τη μορφή μαγνητικών καταιγίδων.
Η δομή και η δυναμική της ανώτερης ατμόσφαιρας καθορίζονται σημαντικά από διαδικασίες μη ισορροπίας με τη θερμοδυναμική έννοια που σχετίζονται με ιονισμό και διάσταση από την ηλιακή ακτινοβολία, χημικές διεργασίες, διέγερση μορίων και ατόμων, απενεργοποίηση τους, συγκρούσεις και άλλες στοιχειώδεις διεργασίες. Σε αυτή την περίπτωση, ο βαθμός μη ισορροπίας αυξάνεται με το ύψος καθώς μειώνεται η πυκνότητα. Μέχρι υψόμετρα 500–1000 km, και συχνά υψηλότερα, ο βαθμός μη ισορροπίας για πολλά χαρακτηριστικά της ανώτερης ατμόσφαιρας είναι αρκετά μικρός, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση κλασικής και υδρομαγνητικής υδροδυναμικής, λαμβάνοντας υπόψη τις χημικές αντιδράσεις, για την περιγραφή του.
Η εξώσφαιρα είναι το εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας της Γης, που ξεκινά από υψόμετρα αρκετών εκατοντάδων χιλιομέτρων, από το οποίο ελαφρά, ταχέως κινούμενα άτομα υδρογόνου μπορούν να διαφύγουν στο διάστημα.
Έντουαρντ Κονόνοβιτς
Βιβλιογραφία:
Pudovkin M.I. Βασικές αρχές Ηλιακής Φυσικής. Αγία Πετρούπολη, 2001
Έρις Τσάισον, Στιβ ΜακΜίλαν Η αστρονομία σήμερα. Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, 2002
Υλικό στο Διαδίκτυο: http://ciencia.nasa.gov/
Η ατμόσφαιρα είναι το αέριο κέλυφος του πλανήτη μας, το οποίο περιστρέφεται μαζί με τη Γη. Το αέριο στην ατμόσφαιρα ονομάζεται αέρας. Η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε επαφή με την υδρόσφαιρα και καλύπτει εν μέρει τη λιθόσφαιρα. Αλλά τα ανώτερα όρια είναι δύσκολο να προσδιοριστούν. Είναι συμβατικά αποδεκτό ότι η ατμόσφαιρα εκτείνεται προς τα πάνω για περίπου τρεις χιλιάδες χιλιόμετρα. Εκεί ρέει ομαλά στον χωρίς αέρα χώρο.
Χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας της Γης
Ο σχηματισμός της χημικής σύνθεσης της ατμόσφαιρας ξεκίνησε πριν από περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια. Αρχικά, η ατμόσφαιρα αποτελούνταν μόνο από ελαφρά αέρια - ήλιο και υδρογόνο. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, οι αρχικές προϋποθέσεις για τη δημιουργία ενός κελύφους αερίου γύρω από τη Γη ήταν οι ηφαιστειακές εκρήξεις, οι οποίες μαζί με τη λάβα εξέπεμπαν τεράστιες ποσότητες αερίων. Στη συνέχεια, άρχισε η ανταλλαγή αερίων με υδάτινους χώρους, με ζωντανούς οργανισμούς και με τα προϊόντα των δραστηριοτήτων τους. Η σύνθεση του αέρα σταδιακά άλλαξε και σταθεροποιήθηκε στη σύγχρονη μορφή του πριν από αρκετά εκατομμύρια χρόνια.
Τα κύρια συστατικά της ατμόσφαιρας είναι το άζωτο (περίπου 79%) και το οξυγόνο (20%). Το υπόλοιπο ποσοστό (1%) προέρχεται από τα ακόλουθα αέρια: αργό, νέο, ήλιο, μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, κρυπτό, ξένο, όζον, αμμωνία, θείο και διοξείδια του αζώτου, οξείδιο του αζώτου και μονοξείδιο του άνθρακα, τα οποία περιλαμβάνονται σε αυτό ένα τοις εκατό.
Επιπλέον, ο αέρας περιέχει υδρατμούς και σωματίδια (γύρη, σκόνη, κρύσταλλοι αλατιού, ακαθαρσίες αεροζόλ).
Πρόσφατα, οι επιστήμονες παρατήρησαν όχι μια ποιοτική, αλλά μια ποσοτική αλλαγή σε ορισμένα συστατικά του αέρα. Και ο λόγος για αυτό είναι ο άνθρωπος και οι δραστηριότητές του. Μόνο τα τελευταία 100 χρόνια, τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα έχουν αυξηθεί σημαντικά! Αυτό είναι γεμάτο με πολλά προβλήματα, το πιο παγκόσμιο από τα οποία είναι η κλιματική αλλαγή.
Διαμόρφωση καιρού και κλίματος
Η ατμόσφαιρα παίζει κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση του κλίματος και του καιρού στη Γη. Πολλά εξαρτώνται από την ποσότητα του ηλιακού φωτός, τη φύση της υποκείμενης επιφάνειας και την ατμοσφαιρική κυκλοφορία.
Ας δούμε τους παράγοντες με τη σειρά.
1. Η ατμόσφαιρα μεταδίδει τη θερμότητα των ακτίνων του ήλιου και απορροφά την επιβλαβή ακτινοβολία. Οι αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν ότι οι ακτίνες του Ήλιου πέφτουν σε διαφορετικά μέρη της Γης με διαφορετικές γωνίες. Η ίδια η λέξη «κλίμα» μεταφρασμένη από τα αρχαία ελληνικά σημαίνει «κλίση». Έτσι, στον ισημερινό, οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν σχεδόν κάθετα, γι' αυτό και εδώ κάνει πολύ ζέστη. Όσο πιο κοντά στους πόλους, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία κλίσης. Και η θερμοκρασία πέφτει.
2. Λόγω της ανομοιόμορφης θέρμανσης της Γης, σχηματίζονται ρεύματα αέρα στην ατμόσφαιρα. Ταξινομούνται ανάλογα με τα μεγέθη τους. Οι μικρότεροι (δεκάδες και εκατοντάδες μέτρα) είναι τοπικοί άνεμοι. Ακολουθούν μουσώνες και εμπορικοί άνεμοι, κυκλώνες και αντικυκλώνες και πλανητικές μετωπικές ζώνες.
Όλες αυτές οι αέριες μάζες κινούνται συνεχώς. Μερικά από αυτά είναι αρκετά στατικά. Για παράδειγμα, εμπορεύονται άνεμοι που φυσούν από τις υποτροπικές περιοχές προς τον ισημερινό. Η κίνηση των άλλων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ατμοσφαιρική πίεση.
3. Η ατμοσφαιρική πίεση είναι ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει τη διαμόρφωση του κλίματος. Αυτή είναι η πίεση του αέρα στην επιφάνεια της γης. Όπως είναι γνωστό, οι αέριες μάζες μετακινούνται από μια περιοχή με υψηλή ατμοσφαιρική πίεση προς μια περιοχή όπου αυτή η πίεση είναι χαμηλότερη.
Κατανέμονται συνολικά 7 ζώνες. Ο ισημερινός είναι μια ζώνη χαμηλής πίεσης. Περαιτέρω, και στις δύο πλευρές του ισημερινού μέχρι τα γεωγραφικά πλάτη του τριάντα υπάρχει μια περιοχή υψηλής πίεσης. Από 30° έως 60° - πάλι χαμηλή πίεση. Και από τις 60° έως τους πόλους είναι μια ζώνη υψηλής πίεσης. Μεταξύ αυτών των ζωνών κυκλοφορούν αέριες μάζες. Αυτά που έρχονται από τη θάλασσα στη στεριά φέρνουν βροχή και κακοκαιρία, και αυτά που φυσούν από τις ηπείρους φέρνουν καθαρό και ξηρό καιρό. Σε μέρη όπου συγκρούονται ρεύματα αέρα, σχηματίζονται ατμοσφαιρικές μέτωπες ζώνες, οι οποίες χαρακτηρίζονται από βροχόπτωση και κακό, θυελλώδη καιρό.
Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι ακόμη και η ευημερία ενός ατόμου εξαρτάται από την ατμοσφαιρική πίεση. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, η κανονική ατμοσφαιρική πίεση είναι 760 mm Hg. στήλη σε θερμοκρασία 0°C. Αυτός ο δείκτης υπολογίζεται για εκείνες τις περιοχές γης που βρίσκονται σχεδόν στο επίπεδο της στάθμης της θάλασσας. Με το υψόμετρο η πίεση μειώνεται. Επομένως, για παράδειγμα, για την Αγία Πετρούπολη 760 mm Hg. - αυτός είναι ο κανόνας. Αλλά για τη Μόσχα, η οποία βρίσκεται υψηλότερα, η κανονική πίεση είναι 748 mm Hg.
Η πίεση αλλάζει όχι μόνο κατακόρυφα, αλλά και οριζόντια. Αυτό γίνεται ιδιαίτερα αισθητό κατά το πέρασμα των κυκλώνων.
Η δομή της ατμόσφαιρας
Η ατμόσφαιρα θυμίζει layer cake. Και κάθε στρώμα έχει τα δικά του χαρακτηριστικά.
. Τροποσφαίρα- το στρώμα που βρίσκεται πιο κοντά στη Γη. Το «πάχος» αυτού του στρώματος αλλάζει με την απόσταση από τον ισημερινό. Πάνω από τον ισημερινό, το στρώμα εκτείνεται προς τα πάνω κατά 16-18 km, στις εύκρατες ζώνες κατά 10-12 km, στους πόλους κατά 8-10 km.
Εδώ περιέχεται το 80% της συνολικής μάζας αέρα και το 90% των υδρατμών. Εδώ σχηματίζονται σύννεφα, δημιουργούνται κυκλώνες και αντικυκλώνες. Η θερμοκρασία του αέρα εξαρτάται από το υψόμετρο της περιοχής. Κατά μέσο όρο, μειώνεται κατά 0,65°C για κάθε 100 μέτρα.
. Τροπόπαυση- μεταβατικό στρώμα της ατμόσφαιρας. Το ύψος του κυμαίνεται από αρκετές εκατοντάδες μέτρα έως 1-2 χιλιόμετρα. Η θερμοκρασία του αέρα το καλοκαίρι είναι υψηλότερη από το χειμώνα. Για παράδειγμα, πάνω από τους πόλους το χειμώνα είναι -65° C. Και πάνω από τον ισημερινό είναι -70° C οποιαδήποτε εποχή του χρόνου.
. Στρατόσφαιρα- αυτό είναι ένα στρώμα του οποίου το ανώτερο όριο βρίσκεται σε υψόμετρο 50-55 χιλιομέτρων. Οι αναταράξεις εδώ είναι χαμηλές, η περιεκτικότητα σε υδρατμούς στον αέρα είναι αμελητέα. Αλλά υπάρχει πολύ όζον. Η μέγιστη συγκέντρωσή του βρίσκεται σε υψόμετρο 20-25 km. Στη στρατόσφαιρα, η θερμοκρασία του αέρα αρχίζει να αυξάνεται και φτάνει τους +0,8° C. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το στρώμα του όζοντος αλληλεπιδρά με την υπεριώδη ακτινοβολία.
. Στρατόπαυση- ένα χαμηλό ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ της στρατόσφαιρας και της μεσόσφαιρας που την ακολουθεί.
. Μεσόσφαιρα- το ανώτερο όριο αυτού του στρώματος είναι 80-85 χιλιόμετρα. Πολύπλοκες φωτοχημικές διεργασίες που περιλαμβάνουν ελεύθερες ρίζες συμβαίνουν εδώ. Είναι αυτοί που παρέχουν αυτή την απαλή μπλε λάμψη του πλανήτη μας, που φαίνεται από το διάστημα.
Οι περισσότεροι κομήτες και μετεωρίτες καίγονται στη μεσόσφαιρα.
. Μεσόπαυση- το επόμενο ενδιάμεσο στρώμα, η θερμοκρασία του αέρα στο οποίο είναι τουλάχιστον -90°.
. Θερμόσφαιρα- το κάτω όριο αρχίζει σε υψόμετρο 80 - 90 km, και το ανώτερο όριο του στρώματος εκτείνεται περίπου στα 800 km. Η θερμοκρασία του αέρα ανεβαίνει. Μπορεί να ποικίλλει από +500° C έως +1000° C. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας ανέρχονται σε εκατοντάδες βαθμούς! Αλλά ο αέρας εδώ είναι τόσο σπάνιος που η κατανόηση του όρου «θερμοκρασία» όπως φανταζόμαστε δεν είναι κατάλληλη εδώ.
. Ιονόσφαιρα- συνδυάζει τη μεσόσφαιρα, τη μεσόπαυση και τη θερμόσφαιρα. Ο αέρας εδώ αποτελείται κυρίως από μόρια οξυγόνου και αζώτου, καθώς και από σχεδόν ουδέτερο πλάσμα. Οι ακτίνες του ήλιου που εισέρχονται στην ιονόσφαιρα ιονίζουν έντονα τα μόρια του αέρα. Στο κατώτερο στρώμα (έως 90 km) ο βαθμός ιοντισμού είναι χαμηλός. Όσο υψηλότερος, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ιονισμός. Άρα, σε υψόμετρο 100-110 km συγκεντρώνονται ηλεκτρόνια. Αυτό βοηθά στην αντανάκλαση βραχέων και μεσαίων ραδιοκυμάτων.
Το σημαντικότερο στρώμα της ιονόσφαιρας είναι το ανώτερο, το οποίο βρίσκεται σε υψόμετρο 150-400 km. Η ιδιαιτερότητά του είναι ότι αντανακλά ραδιοκύματα και αυτό διευκολύνει τη μετάδοση ραδιοφωνικών σημάτων σε σημαντικές αποστάσεις.
Είναι στην ιονόσφαιρα που εμφανίζεται ένα τέτοιο φαινόμενο όπως το σέλας.
. Εξώσφαιρα- αποτελείται από άτομα οξυγόνου, ηλίου και υδρογόνου. Το αέριο σε αυτό το στρώμα είναι πολύ σπάνιο και τα άτομα υδρογόνου συχνά διαφεύγουν στο διάστημα. Επομένως, αυτό το στρώμα ονομάζεται «ζώνη διασποράς».
Ο πρώτος επιστήμονας που πρότεινε ότι η ατμόσφαιρά μας έχει βάρος ήταν ο Ιταλός E. Torricelli. Ο Ostap Bender, για παράδειγμα, στο μυθιστόρημά του «The Golden Calf» θρηνούσε ότι κάθε άτομο πιέζεται από μια στήλη αέρα βάρους 14 κιλών! Όμως ο μεγάλος μηχανικός έκανε λίγο λάθος. Ένας ενήλικας βιώνει πίεση 13-15 τόνων! Αλλά δεν νιώθουμε αυτό το βάρος, γιατί η ατμοσφαιρική πίεση εξισορροπείται από την εσωτερική πίεση ενός ατόμου. Το βάρος της ατμόσφαιράς μας είναι 5.300.000.000.000.000 τόνοι. Ο αριθμός είναι κολοσσιαία, αν και είναι μόνο το ένα εκατομμυριοστό του βάρους του πλανήτη μας.