8.3: Атмосфера Землі

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 8.2: Земна кора
- 8.4: Життя, хімічна еволюція та зміна клімату

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Диференціювати різні атмосферні шари Землі
Опишіть хімічний склад і можливі витоки нашої атмосфери
Поясніть різницю між погодою та кліматом

Ми живемо на дні океану повітря, який огортає нашу планету. Атмосфера, зважуючи поверхню Землі під дією сили тяжіння, чинить тиск на рівні моря, який вчені визначають як 1 бар (термін, який походить від того ж кореня, що і барометр, прилад, який використовується для вимірювання атмосферного тиску). Бар тиску означає, що кожен квадратний сантиметр поверхні Землі має вагу, еквівалентну 1,03 кілограма, що тисне на нього. Люди еволюціонували, щоб жити при цьому тиску; зробити тиск набагато нижчим або вищим, і ми погано функціонуємо.

Загальна маса атмосфери Землі становить близько 5 × 10 ¹⁸ кілограм. Це звучить як велика кількість, але це лише близько мільйонної частини загальної маси Землі. Атмосфера являє собою меншу частку Землі, ніж частка вашої маси, представленої волоссям на голові.

будова атмосфери

Будова атмосфери проілюстровано на малюнку $\PageIndex{1}$ . Велика частина атмосфери зосереджена біля поверхні Землі, приблизно в межах дна 10 кілометрів, де утворюються хмари і літають літаки. У межах цієї області, званої тропосферою - тепле повітря, нагріте поверхнею, піднімається і замінюється низхідними потоками більш холодного повітря; це приклад конвекції. Ця циркуляція породжує хмари і вітер. У межах тропосфери температура швидко знижується зі збільшенням висоти до значень близько 50 °С нижче замерзання на її верхній межі, де починається стратосфера. Велика частина стратосфери, яка простягається приблизно на 50 кілометрів над поверхнею, холодна і вільна від хмар.

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Будова атмосфери Землі. Висота збільшується в лівій частині діаграми, а назви різних шарів атмосфери показані праворуч. У верхній іоносфері ультрафіолетове випромінювання від Сонця може позбавити електрони від своїх атомів, залишаючи атмосферу іонізованою. Вигнута червона лінія показує температуру (див. Шкалу на осі х).

Біля вершини стратосфери знаходиться шар озону (O ₃), важка форма кисню з трьома атомами на молекулу замість звичайних двох. Оскільки озон є хорошим поглиначем ультрафіолету, він захищає поверхню від деякого небезпечного ультрафіолетового випромінювання Сонця, роблячи можливим існування життя на Землі. Розпад озону додає тепло в стратосферу, змінюючи тенденцію зниження температури в тропосфері. Оскільки озон має важливе значення для нашого виживання, ми відреагували з виправданим занепокоєнням на докази, які стали зрозумілими у 1980-х роках, що атмосферний озон руйнується людською діяльністю. За міжнародною угодою виробництво промислових хімічних речовин, що викликають руйнування озонового шару, званих хлорфторуглеродами або ХФУ, було припинено. В результаті втрата озону припинилася, а «озонова діра» над Антарктикою поступово скорочується. Це приклад того, як узгоджені міжнародні дії можуть допомогти зберегти життєздатність Землі.

Відвідайте наукову студію візуалізації НАСА для короткого відео про те, що сталося б з озоновим шаром Землі до 2065 року, якби ХФУ не регулювалися.

На висоті понад 100 кілометрів атмосфера настільки тонка, що орбітальні супутники можуть проходити крізь неї з дуже невеликим тертям. Багато атомів іонізуються втратою електрона, і цю область часто називають іоносферою. На цих висотах окремі атоми іноді можуть повністю виходити з гравітаційного поля Землі. Існує безперервний повільний витік атмосфери, особливо легких атомів, які рухаються швидше, ніж важкі. Наприклад, земна атмосфера не може довго триматися водню або гелію, які рятуються в космос. Земля - не єдина планета, яка відчуває витік атмосфери. Атмосферний витік також створив тонку атмосферу Марса. Суха атмосфера Венери розвивалася через те, що її близькість до Сонця випаровувала і дисоціювала будь-яку воду, а складові гази втрачаються в космос.

Атмосферний склад і походження

На поверхні Землі атмосфера складається з 78% азоту (N ₂), 21% кисню (O ₂) та 1% аргону (Ar), зі слідами водяної пари (H ₂ O), вуглекислого газу (CO ₂) та інших газів. Змінна кількість частинок пилу та крапель води також виявляються підвішеними в повітрі.

Однак повний перепис летючих матеріалів Землі повинен розглядати більше, ніж газ, який зараз присутній. Летючі матеріали - це ті, які випаровуються при відносно низькій температурі. Якби Земля була трохи теплішою, деякі матеріали, які зараз є рідкими або твердими, могли б стати частиною атмосфери. Припустимо, наприклад, що наша планета була нагріта до температури кипіння води (100° C, або 373 K); це велика зміна для людини, але невелика зміна порівняно з діапазоном можливих температур у Всесвіті. При 100° C океани киплять, і утворюється водяна пара стане частиною атмосфери.

Щоб оцінити, скільки водяної пари буде виділено, зверніть увагу, що води достатньо, щоб покрити всю Землю на глибину близько 300 метрів. Оскільки тиск, який чинить 10 метрів води, дорівнює приблизно 1 бару, середній тиск на дні океану становить близько 300 барів. Вода важить однаково, чи то в рідкій або парній формі, тому, якщо океани википіли, атмосферний тиск води все одно становив би 300 барів. Тому вода буде сильно домінувати в атмосфері Землі, при цьому азот і кисень знижуються до стану слідових складових.

На теплішій Землі ще одне джерело додаткової атмосфери було б виявлено в осадових карбонатних породах земної кори. Ці мінерали містять велику кількість вуглекислого газу. Якби всі ці породи були нагріті, вони випустили б близько 70 барів CO2, що набагато більше, ніж поточний тиск CO ₂ всього 0,0005 бар. Таким чином, в атмосфері теплої Землі переважали б водяна пара і вуглекислий газ, при цьому поверхневий тиск наближається до 400 бар.

Кілька рядків доказів показують, що склад атмосфери Землі змінився протягом історії нашої планети. Вчені можуть зробити висновок про кількість атмосферного кисню, наприклад, вивчаючи хімію мінералів, що утворилися в різний час. Розглянемо це питання більш детально далі в цьому розділі.

Сьогодні ми бачимо, що CO ₂, H ₂ O, діоксид сірки (_{SO 2}) та інші гази виділяються з глибше всередині Землі за допомогою дії вулканів. (Для CO ₂ основним джерелом сьогодні є спалювання викопного палива, яке виділяє набагато більше CO ₂, ніж від вивержень вулканів.) Однак значна частина цього, мабуть, нового газу є переробленим матеріалом, який був відведений через тектоніку плит. Але звідки взялася первісна атмосфера нашої планети?

Існують три можливості для початкового джерела атмосфери Землі та океанів: (1) атмосфера могла бути сформована разом з рештою Землі, оскільки вона накопичилася від сміття, що залишився від утворення Сонця; (2) вона могла бути звільнена з надр через вулканічну активність, після утворення Землі; або (3) це могло бути отримано від ударів комет і астероїдів з зовнішніх частин Сонячної системи. Нинішні докази сприяють поєднанню внутрішніх та ударних джерел.

Погода і клімат

Всі планети з атмосферою мають погоду, яку ми даємо циркуляції атмосфери. Енергія, яка живить погоду, походить насамперед від сонячного світла, яке нагріває поверхню. Як обертання планети, так і більш повільні сезонні зміни викликають коливання кількості сонячного світла, що вражає різні частини Землі. Атмосфера і океани перерозподіляють тепло від більш теплих до більш прохолодних районів. Погода на будь-якій планеті являє собою реакцію її атмосфери на зміну входів енергії від Сонця (див. Рисунок $\PageIndex{2}$ для драматичного прикладу).

Клімат - це термін, який використовується для позначення наслідків атмосфери, які тривають десятиліттями та століттями. Зміни клімату (на відміну від випадкових коливань погоди від року до наступного) часто важко виявити протягом коротких періодів часу, але в міру їх накопичення їх вплив може бути руйнівним. Одна приказка полягає в тому, що «Клімат - це те, що ви очікуєте, а погода - це те, що ви отримуєте». Сучасне сільське господарство особливо чутливе до температури та опадів; наприклад, розрахунки свідчать про те, що падіння лише на 2° C протягом усього вегетаційного періоду призведе до скорочення виробництва пшениці вдвічі в Канаді та США. З іншого боку, підвищення середньої температури Землі на 2° C було б достатньо, щоб розтопити багато льодовиків, включаючи значну частину льодового покриву Гренландії, підвищення рівня моря на цілих 10 метрів, затоплення багатьох прибережних міст та портів та введення невеликих островів повністю під воду.

Найкращі задокументовані зміни клімату Землі - це великі льодовикові періоди, які періодично знижували температуру Північної півкулі протягом останніх півмільйона років або близько того (рис. $\PageIndex{3}$ ). Останній льодовиковий період, який закінчився близько 14 000 років тому, тривав близько 20 000 років. На висоті лід був майже 2 кілометри завтовшки над Бостоном і простягнувся аж на південь, як Нью-Йорк.

Ці льодовикові періоди були насамперед наслідком зміни нахилу осі обертання Землі, викликаних гравітаційними ефектами інших планет. Ми менш впевнені в тому, що хоча б раз (а можливо, і двічі) близько мільярда років тому весь океан застиг, ситуація, яка називається сніжним ком Земля.

Розвиток та еволюція життя на Землі також спричинили зміни складу та температури атмосфери нашої планети, як ми побачимо в наступному розділі.

Ключові поняття та резюме

Атмосфера має поверхневий тиск 1 бар і складається в основному з $N_2$ і $O_2$ , плюс таких важливих слідових газів $H_2O$ , як $CO_2$ , і $O_3$ . Його структура складається з тропосфери, стратосфери, мезосфери та іоносфери. Зміна складу атмосфери також впливає на температуру. Атмосферна циркуляція (погода) обумовлена сезонно мінливим відкладенням сонячного світла. Багато довгострокові зміни клімату, такі як льодовикові періоди, пов'язані зі змінами орбіти планети та осьового нахилу.

Глосарій

бар: сила 100,000 ньютонів, що діє на площі поверхні 1 квадратний метр; середній тиск атмосфери Землі на рівні моря - 1,013 барів

озон: ( $\ce{O3}$ ) важка молекула кисню, яка містить три атоми, а не більш нормальні два

стратосфера: шар атмосфери Землі над тропосферою і нижче іоносфери

тропосфера: найнижчий рівень атмосфери Землі, де відбувається більшість погодних умов