Camadas sólidas da atmosfera. Atmosfera superior

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✪ Terra nave espacial(Episódio 14) - Atmosfera

✪ Por que a atmosfera não foi puxada para o vácuo do espaço?

✪ Entrada da espaçonave Soyuz TMA-8 na atmosfera terrestre

✪ Estrutura da atmosfera, significado, estudo

✪ O. S. Ugolnikov "Atmosfera Superior. Encontro da Terra e do Espaço"

Legendas

Limite atmosférico

A atmosfera é considerada aquela região ao redor da Terra na qual o meio gasoso gira junto com a Terra como um todo. A atmosfera passa gradualmente para o espaço interplanetário, na exosfera, começando a uma altitude de 500-1000 km da superfície da Terra.

De acordo com a definição proposta pela Federação Internacional de Aviação, a fronteira da atmosfera e do espaço é traçada ao longo da linha Karman, localizada a uma altitude de cerca de 100 km, acima da qual os voos aéreos tornam-se completamente impossíveis. A NASA usa a marca de 122 quilômetros (400.000 pés) como limite atmosférico, onde os ônibus espaciais passam de manobras motorizadas para manobras aerodinâmicas.

Propriedades físicas

Além dos gases indicados na tabela, a atmosfera contém Cl 2 (\ displaystyle (\ ce (Cl2))) , SO 2 (\ displaystyle (\ ce (SO2))) , NH 3 (\ displaystyle (\ ce (NH3))) , CO (\ displaystyle ((\ ce (CO)))) , O 3 (\ displaystyle ((\ ce (O3)))) , NÃO 2 (\ displaystyle (\ ce (NO2))), hidrocarbonetos, HCl (\ displaystyle (\ ce (HCl))) , HF (\ displaystyle (\ ce (HF))) , HBr (\ displaystyle (\ ce (HBr))) , OI (\ displaystyle ((\ ce (OI)))), casais Hg (\ displaystyle (\ ce (Hg))) , Eu 2 (\ displaystyle (\ ce (I2))) , Br 2 (\ displaystyle (\ ce (Br2))), bem como muitos outros gases em pequenas quantidades. Constantemente localizado na troposfera um grande número de partículas sólidas e líquidas suspensas (aerossol). O gás mais raro do mundo atmosfera da Terraé Rn (\ displaystyle (\ ce (Rn))) .

A estrutura da atmosfera

Camada limite atmosférica

A camada inferior da troposfera (1-2 km de espessura), na qual o estado e as propriedades da superfície da Terra afetam diretamente a dinâmica da atmosfera.

Troposfera

Seu limite superior está a uma altitude de 8-10 km nas latitudes polares, 10-12 km nas latitudes temperadas e 16-18 km nas latitudes tropicais; menor no inverno do que no verão.
A camada principal inferior da atmosfera contém mais de 80% da massa total ar atmosférico e cerca de 90% de todo o vapor de água disponível na atmosfera. A turbulência e a convecção são altamente desenvolvidas na troposfera, aparecem nuvens e se desenvolvem ciclones e anticiclones. A temperatura diminui com o aumento da altitude, com um gradiente vertical médio de 0,65°/100 metros.

Tropopausa

A camada de transição da troposfera para a estratosfera, uma camada da atmosfera na qual cessa a diminuição da temperatura com a altura.

Estratosfera

Uma camada da atmosfera localizada a uma altitude de 11 a 50 km. Caracterizado por uma ligeira mudança de temperatura na camada de 11-25 km (camada inferior da estratosfera) e um aumento na camada de 25-40 km de menos 56,5 para mais 0,8 ° C (camada superior da estratosfera ou região de inversão). Tendo atingido um valor de cerca de 273 K (quase 0 °C) a uma altitude de cerca de 40 km, a temperatura permanece constante até uma altitude de cerca de 55 km. Esta área Temperatura constante chamada de estratopausa e é a fronteira entre a estratosfera e a mesosfera.

Estratopausa

A camada limite da atmosfera entre a estratosfera e a mesosfera. Na distribuição vertical da temperatura existe um máximo (cerca de 0 °C).

Mesosfera

Termosfera

O limite superior é de cerca de 800 km. A temperatura sobe para altitudes de 200-300 km, onde atinge valores da ordem de 1500 K, após o que permanece quase constante até altitudes elevadas. Sob a influência da radiação solar e da radiação cósmica, ocorre a ionização do ar (“auroras”) - as principais regiões da ionosfera ficam dentro da termosfera. Em altitudes acima de 300 km, predomina o oxigênio atômico. O limite superior da termosfera é em grande parte determinado pela atividade atual do Sol. Durante períodos de baixa atividade - por exemplo, em 2008-2009 - há uma diminuição notável no tamanho desta camada.

Termopausa

A região da atmosfera adjacente acima da termosfera. Nesta região, a absorção da radiação solar é insignificante e a temperatura não muda com a altitude.

Exosfera (esfera de dispersão)

Até uma altitude de 100 km, a atmosfera é uma mistura homogênea e bem misturada de gases. Nas camadas superiores, a distribuição dos gases por altura depende das suas massas moleculares; a concentração de gases mais pesados diminui mais rapidamente com a distância da superfície da Terra; Devido à diminuição da densidade do gás, a temperatura cai de 0 °C na estratosfera para -110 °C na mesosfera. No entanto, a energia cinética de partículas individuais em altitudes de 200-250 km corresponde a uma temperatura de ~ 150 °C. Acima de 200 km, são observadas flutuações significativas na temperatura e na densidade do gás no tempo e no espaço.

A uma altitude de cerca de 2.000-3.500 km, a exosfera gradualmente se transforma na chamada perto do vácuo do espaço, que é preenchido com partículas raras de gás interplanetário, principalmente átomos de hidrogênio. Mas este gás representa apenas uma parte da matéria interplanetária. A outra parte consiste em partículas de poeira de origem cometária e meteórica. Além de partículas de poeira extremamente rarefeitas, a radiação eletromagnética e corpuscular de origem solar e galáctica penetra neste espaço.

Análise

A troposfera representa cerca de 80% da massa da atmosfera, a estratosfera - cerca de 20%; a massa da mesosfera não é superior a 0,3%, a termosfera é inferior a 0,05% da massa total da atmosfera.

Com base nas propriedades elétricas da atmosfera, eles distinguem neutrosfera E ionosfera .

Dependendo da composição do gás na atmosfera, eles emitem homosfera E heterosfera. Heterosfera- Esta é a área onde a gravidade afeta a separação dos gases, uma vez que a sua mistura a tal altitude é insignificante. Isto implica uma composição variável da heterosfera. Abaixo dela encontra-se uma parte homogênea e bem misturada da atmosfera, chamada homosfera. A fronteira entre essas camadas é chamada de turbopausa e fica a uma altitude de cerca de 120 km.

Outras propriedades da atmosfera e efeitos no corpo humano

Já a uma altitude de 5 km acima do nível do mar, uma pessoa não treinada começa a sentir falta de oxigênio e, sem adaptação, o desempenho de uma pessoa é significativamente reduzido. A zona fisiológica da atmosfera termina aqui. A respiração humana torna-se impossível a uma altitude de 9 km, embora até aproximadamente 115 km a atmosfera contenha oxigênio.

A atmosfera nos fornece o oxigênio necessário para respirar. No entanto, devido à queda na pressão total da atmosfera, à medida que se sobe de altitude, a pressão parcial do oxigênio diminui proporcionalmente.

História da formação atmosférica

De acordo com a teoria mais comum, a atmosfera da Terra tem estado em estado de mudança ao longo da história. três diferentes composições. Inicialmente consistia em gases leves (hidrogênio e hélio) capturados de espaço interplanetário. Este é o chamado atmosfera primária. No estágio seguinte, a atividade vulcânica ativa levou à saturação da atmosfera com outros gases além do hidrogênio (dióxido de carbono, amônia, vapor d'água). Foi assim que foi formado atmosfera secundária. Essa atmosfera era restauradora. Além disso, o processo de formação da atmosfera foi determinado pelos seguintes fatores:

vazamento de gases leves (hidrogênio e hélio) no espaço interplanetário;
reações químicas que ocorrem na atmosfera sob a influência da radiação ultravioleta, descargas atmosféricas e alguns outros fatores.

Gradualmente, esses fatores levaram à formação atmosfera terciária, caracterizado por um teor muito menor de hidrogênio e um teor muito maior de nitrogênio e dióxido de carbono (formado como resultado de reações químicas de amônia e hidrocarbonetos).

Azoto

A formação de uma grande quantidade de nitrogênio se deve à oxidação da atmosfera de amônia-hidrogênio pelo oxigênio molecular O 2 (\ displaystyle (\ ce (O2))), que começou a sair da superfície do planeta como resultado da fotossíntese, a partir de 3 bilhões de anos atrás. Também nitrogênio N 2 (\ displaystyle (\ ce (N2))) liberado na atmosfera como resultado da desnitrificação de nitratos e outros compostos contendo nitrogênio. O nitrogênio é oxidado pelo ozônio para NÃO (\ displaystyle ((\ ce (NÃO)))) nas camadas superiores da atmosfera.

Azoto N 2 (\ displaystyle (\ ce (N2))) reage apenas sob condições específicas (por exemplo, durante uma descarga atmosférica). A oxidação do nitrogênio molecular pelo ozônio durante descargas elétricas é utilizada em pequenas quantidades na produção industrial de fertilizantes nitrogenados. Cianobactérias (algas verde-azuladas) e bactérias nodulares, que formam simbiose rizobial com plantas leguminosas, que podem ser adubos verdes eficazes - plantas que não esgotam, mas enriquecem o solo com fertilizantes naturais, podem oxidá-lo com baixo consumo de energia e convertê-lo em uma forma biologicamente ativa.

Oxigênio

A composição da atmosfera começou a mudar radicalmente com o aparecimento de organismos vivos na Terra como resultado da fotossíntese, acompanhada pela liberação de oxigênio e pela absorção de dióxido de carbono. Inicialmente, o oxigênio era gasto na oxidação de compostos reduzidos - amônia, hidrocarbonetos, ferro ferroso contido nos oceanos e outros. Ao final desta etapa, o teor de oxigênio na atmosfera começou a aumentar. Gradualmente, formou-se uma atmosfera moderna com propriedades oxidantes. Como isso causou mudanças graves e abruptas em muitos processos que ocorrem na atmosfera, na litosfera e na biosfera, esse evento foi chamado de Catástrofe do Oxigênio.

gases nobres

Poluição do ar

EM Ultimamente O homem começou a influenciar a evolução da atmosfera. O resultado da atividade humana tem sido um aumento constante no conteúdo de dióxido de carbono na atmosfera devido à combustão de combustíveis hidrocarbonetos acumulados em eras geológicas anteriores. Enormes quantidades são consumidas durante a fotossíntese e absorvidas pelos oceanos do mundo. Este gás entra na atmosfera devido à decomposição do carbonato pedras e substâncias orgânicas de origem vegetal e animal, bem como devido ao vulcanismo e à atividade industrial humana. Conteúdo dos últimos 100 anos CO 2 (\ displaystyle (\ ce (CO2))) na atmosfera aumentou 10%, sendo a maior parte (360 mil milhões de toneladas) proveniente da combustão de combustíveis. Se a taxa de crescimento da combustão de combustível continuar, então nos próximos 200-300 anos a quantidade CO 2 (\ displaystyle (\ ce (CO2))) na atmosfera duplicará e poderá levar a

O espaço está cheio de energia. A energia preenche o espaço de maneira desigual. Existem locais de sua concentração e descarga. Desta forma você pode estimar a densidade. O planeta é um sistema ordenado, com densidade máxima de matéria no centro e diminuição gradual da concentração em direção à periferia. As forças de interação determinam o estado da matéria, a forma em que ela existe. A física descreve o estado agregado das substâncias: sólido, líquido, gasoso e assim por diante.

A atmosfera é o ambiente gasoso que envolve o planeta. A atmosfera da Terra permite a livre circulação e a passagem da luz, criando um espaço onde a vida prospera.

A área que vai da superfície da Terra até uma altitude de aproximadamente 16 quilômetros (do equador aos pólos o valor é menor, também depende da estação do ano) é chamada de troposfera. A troposfera é uma camada na qual estão concentrados cerca de 80% de todo o ar atmosférico e quase todo o vapor d'água. É aqui que ocorrem os processos que moldam o clima. A pressão e a temperatura diminuem com a altitude. A razão para a diminuição da temperatura do ar é um processo adiabático durante a expansão, o gás esfria; No limite superior da troposfera, os valores podem chegar a -50, -60 graus Celsius.

Em seguida vem a Estratosfera. Estende-se até 50 quilômetros. Nesta camada da atmosfera, a temperatura aumenta com a altura, adquirindo um valor no ponto superior em torno de 0 C. O aumento da temperatura é causado pelo processo de absorção dos raios ultravioleta pela camada de ozônio. A radiação causa uma reação química. As moléculas de oxigênio se dividem em átomos únicos, que podem se combinar com moléculas normais de oxigênio para formar ozônio.

A radiação do sol com comprimentos de onda entre 10 e 400 nanômetros é classificada como ultravioleta. Quanto menor o comprimento de onda da radiação UV, grande perigo representa para os organismos vivos. Apenas uma pequena fração da radiação atinge a superfície da Terra e a parte menos ativa do seu espectro. Esta característica da natureza permite que uma pessoa obtenha um bronzeado saudável.

Próxima camada atmosfera é chamada de Mesosfera. Limites de aproximadamente 50 km a 85 km. Na mesosfera, a concentração de ozônio, que poderia reter a energia UV, é baixa, então a temperatura começa novamente a cair com a altura. No ponto de pico, a temperatura cai para -90 C, algumas fontes indicam um valor de -130 C. A maioria dos meteoróides queima nesta camada da atmosfera.

A camada da atmosfera, que se estende de uma altura de 85 km a uma distância de 600 km da Terra, é chamada de Termosfera. A termosfera é a primeira a encontrar radiação solar, incluindo o chamado ultravioleta de vácuo.

Vácuo UV atrasado ambiente aéreo, aquecendo assim esta camada da atmosfera a temperaturas enormes. No entanto, como a pressão aqui é extremamente baixa, este gás aparentemente quente não tem o mesmo efeito nos objetos que nas condições da superfície da Terra. Pelo contrário, os objetos colocados em tal ambiente irão esfriar.

A uma altitude de 100 km passa a linha convencional “linha Karman”, que é considerada o início do espaço.

Auroras ocorrem na termosfera. Nesta camada da atmosfera, o vento solar interage com campo magnético planetas.

A camada final da atmosfera é a Exosfera, uma camada externa que se estende por milhares de quilômetros. A exosfera é praticamente um lugar vazio, porém, o número de átomos que vagam aqui é uma ordem de grandeza maior do que no espaço interplanetário.

Um homem respira ar. Pressão normal– 760 milímetros de mercúrio. A uma altitude de 10.000 m a pressão é de cerca de 200 mm. Hg Arte. A tal altura, uma pessoa provavelmente consegue respirar, pelo menos por um curto período de tempo, mas isso requer preparação. O estado ficará claramente inoperante.

Composição gasosa da atmosfera: 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, cerca de um por cento de argônio, todo o resto é uma mistura de gases que representa a menor fração do total;

A espessura da atmosfera está a aproximadamente 120 km da superfície da Terra. A massa total de ar na atmosfera é (5,1-5,3) 10 18 kg. Destes, a massa de ar seco é 5,1352 ±0,0003 · 10 18 kg, a massa total de vapor d'água é em média 1,27 · 10 16 kg.

Tropopausa

A camada de transição da troposfera para a estratosfera, uma camada da atmosfera na qual cessa a diminuição da temperatura com a altura.

Estratosfera

Uma camada da atmosfera localizada a uma altitude de 11 a 50 km. Caracterizado por uma ligeira mudança de temperatura na camada de 11-25 km (camada inferior da estratosfera) e um aumento de temperatura na camada de 25-40 km de -56,5 para 0,8° (camada superior da estratosfera ou região de inversão). Tendo atingido um valor de cerca de 273 K (quase 0 °C) a uma altitude de cerca de 40 km, a temperatura permanece constante até uma altitude de cerca de 55 km. Esta região de temperatura constante é chamada de estratopausa e é a fronteira entre a estratosfera e a mesosfera.

Estratopausa

A camada limite da atmosfera entre a estratosfera e a mesosfera. Na distribuição vertical da temperatura existe um máximo (cerca de 0 °C).

Mesosfera

atmosfera da Terra

Limite da atmosfera da Terra

Termosfera

O limite superior é de cerca de 800 km. A temperatura sobe para altitudes de 200-300 km, onde atinge valores da ordem de 1500 K, após o que permanece quase constante até altitudes elevadas. Sob a influência de ultravioleta e raios X radiação solar e a radiação cósmica, ocorre a ionização do ar (" auroras") - as principais regiões da ionosfera ficam dentro da termosfera. Em altitudes acima de 300 km, predomina o oxigênio atômico. O limite superior da termosfera é em grande parte determinado pela atividade atual do Sol. Durante períodos de baixa atividade - por exemplo, em 2008-2009 - há uma diminuição notável no tamanho desta camada.

Termopausa

A região da atmosfera adjacente à termosfera. Nesta região, a absorção da radiação solar é insignificante e a temperatura não muda com a altitude.

Exosfera (esfera de dispersão)

Até uma altitude de 100 km, a atmosfera é uma mistura homogênea e bem misturada de gases. Nas camadas superiores, a distribuição dos gases por altura depende das suas massas moleculares; a concentração de gases mais pesados diminui mais rapidamente com a distância da superfície da Terra; Devido à diminuição da densidade do gás, a temperatura cai de 0 °C na estratosfera para -110 °C na mesosfera. No entanto, a energia cinética de partículas individuais em altitudes de 200-250 km corresponde a uma temperatura de ~150 °C. Acima de 200 km, são observadas flutuações significativas na temperatura e na densidade do gás no tempo e no espaço.

A uma altitude de cerca de 2.000-3.500 km, a exosfera gradualmente se transforma na chamada perto do vácuo do espaço, que é preenchido com partículas altamente rarefeitas de gás interplanetário, principalmente átomos de hidrogênio. Mas este gás representa apenas uma parte da matéria interplanetária. A outra parte consiste em partículas de poeira de origem cometária e meteórica. Além de partículas de poeira extremamente rarefeitas, a radiação eletromagnética e corpuscular de origem solar e galáctica penetra neste espaço.

A troposfera representa cerca de 80% da massa da atmosfera, a estratosfera - cerca de 20%; a massa da mesosfera não é superior a 0,3%, a termosfera é inferior a 0,05% da massa total da atmosfera. Com base nas propriedades elétricas da atmosfera, a neutronosfera e a ionosfera são diferenciadas. Atualmente, acredita-se que a atmosfera se estende a uma altitude de 2.000 a 3.000 km.

Propriedades fisiológicas e outras da atmosfera

Em camadas rarefeitas de ar, a propagação do som é impossível. Até altitudes de 60-90 km, ainda é possível usar a resistência do ar e a sustentação para vôo aerodinâmico controlado. Mas a partir de altitudes de 100-130 km, os conceitos de número M e de barreira do som, familiares a todo piloto, perdem o sentido: ali passa a linha convencional de Karman, além da qual começa a região de vôo puramente balístico, que só pode ser controlado usando forças reativas.

Em altitudes acima de 100 km, a atmosfera é desprovida de outra propriedade notável – a capacidade de absorver, conduzir e transmitir energia térmica por convecção (ou seja, misturando ar). Isto significa que vários elementos do equipamento, equipamento orbital estação Espacial não será possível resfriar ao ar livre da mesma maneira que normalmente é feito em um avião - com a ajuda de jatos de ar e radiadores de ar. Nesta altitude, como no espaço em geral, a única forma de transferir calor é a radiação térmica.

História da formação atmosférica

De acordo com a teoria mais comum, a atmosfera da Terra teve três composições diferentes ao longo do tempo. Inicialmente, consistia em gases leves (hidrogênio e hélio) capturados do espaço interplanetário. Este é o chamado atmosfera primária(cerca de quatro bilhões de anos atrás). No estágio seguinte, a atividade vulcânica ativa levou à saturação da atmosfera com outros gases além do hidrogênio (dióxido de carbono, amônia, vapor d'água). Foi assim que foi formado atmosfera secundária(cerca de três bilhões de anos antes dos dias atuais). Essa atmosfera era restauradora. Além disso, o processo de formação da atmosfera foi determinado pelos seguintes fatores:

vazamento de gases leves (hidrogênio e hélio) no espaço interplanetário;
reações químicas que ocorrem na atmosfera sob a influência da radiação ultravioleta, descargas atmosféricas e alguns outros fatores.

Gradualmente, esses fatores levaram à formação atmosfera terciária, caracterizado por um teor muito menor de hidrogênio e um teor muito maior de nitrogênio e dióxido de carbono (formados como resultado de reações químicas de amônia e hidrocarbonetos).

Azoto

A formação de grande quantidade de nitrogênio N2 se deve à oxidação da atmosfera amônia-hidrogênio pelo oxigênio molecular O2, que começou a sair da superfície do planeta a partir da fotossíntese, a partir de 3 bilhões de anos atrás. O nitrogênio N2 também é liberado na atmosfera como resultado da desnitrificação de nitratos e outros compostos contendo nitrogênio. O nitrogênio é oxidado pelo ozônio em NO na alta atmosfera.

O nitrogênio N 2 reage apenas sob condições específicas (por exemplo, durante uma descarga atmosférica). A oxidação do nitrogênio molecular pelo ozônio durante descargas elétricas é utilizada em pequenas quantidades na produção industrial de fertilizantes nitrogenados. As cianobactérias (algas verde-azuladas) e bactérias nodulares que formam simbiose rizobiana com leguminosas, as chamadas, podem oxidá-lo com baixo consumo de energia e convertê-lo em uma forma biologicamente ativa. estrume verde.

Oxigênio

A composição da atmosfera começou a mudar radicalmente com o surgimento dos organismos vivos na Terra, como resultado da fotossíntese, acompanhada pela liberação de oxigênio e pela absorção de dióxido de carbono. Inicialmente, o oxigênio era gasto na oxidação de compostos reduzidos - amônia, hidrocarbonetos, ferro ferroso contido nos oceanos, etc. Ao final dessa etapa, o teor de oxigênio na atmosfera começou a aumentar. Gradualmente, formou-se uma atmosfera moderna com propriedades oxidantes. Como isso causou mudanças graves e abruptas em muitos processos que ocorrem na atmosfera, na litosfera e na biosfera, esse evento foi chamado de Catástrofe do Oxigênio.

gases nobres

Poluição do ar

Recentemente, os humanos começaram a influenciar a evolução da atmosfera. O resultado de suas atividades foi um aumento constante e significativo no teor de dióxido de carbono na atmosfera devido à combustão de combustíveis hidrocarbonetos acumulados em eras geológicas anteriores. Enormes quantidades de CO 2 são consumidas durante a fotossíntese e absorvidas pelos oceanos do mundo. Este gás entra na atmosfera devido à decomposição de rochas carbonáticas e substâncias orgânicas de origem vegetal e animal, bem como devido ao vulcanismo e à atividade industrial humana. Nos últimos 100 anos, o conteúdo de CO 2 na atmosfera aumentou 10%, sendo a maior parte (360 mil milhões de toneladas) proveniente da combustão de combustíveis. Se a taxa de crescimento da combustão de combustíveis continuar, nos próximos 200-300 anos a quantidade de CO 2 na atmosfera duplicará e poderá levar a alterações climáticas globais.

A combustão de combustíveis é a principal fonte de gases poluentes (CO, SO2). O dióxido de enxofre é oxidado pelo oxigênio atmosférico em SO 3 nas camadas superiores da atmosfera, que por sua vez interage com água e vapor de amônia, e o ácido sulfúrico resultante (H 2 SO 4) e sulfato de amônio ((NH 4) 2 SO 4 ) são devolvidos à superfície da Terra na forma dos chamados. chuva ácida. O uso de motores de combustão interna leva a uma poluição atmosférica significativa com óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e compostos de chumbo (tetraetila chumbo Pb(CH 3 CH 2) 4)).

A poluição atmosférica por aerossóis deve-se a causas naturais (erupções vulcânicas, tempestade de poeira, arrastamento de gotículas água do mar e pólen de plantas, etc.), e atividade econômica pessoas (mineração de minério e materiais de construção, combustão de combustíveis, produção de cimento, etc.). A emissão intensiva em larga escala de partículas sólidas na atmosfera é uma das razões possíveis mudanças no clima do planeta.

Veja também

Jacchia (modelo de atmosfera)

Notas

Ligações

Literatura

VV Parin, FP Kosmolinsky, BA Dushkov“Biologia espacial e medicina” (2ª edição, revisada e ampliada), M.: “Prosveshcheniye”, 1975, 223 pp.
N. V. Gusakova"Química ambiente", Rostov-on-Don: Phoenix, 2004, 192 com ISBN 5-222-05386-5
Sokolov V. A. Geoquímica gases naturais, M., 1971;
McEwen M., Phillips L. Química Atmosférica, M., 1978;
Wark K., Warner S. Poluição do ar. Fontes e controle, trad. do inglês, M.. 1980;
Monitoramento da poluição de fundo ambientes naturais. V. 1, L., 1982.

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atmosfera da Terra

Atmosfera(de. Grego antigoἀτμός - vapor e σφαῖρα - bola) - gás concha ( geosfera), circundando o planeta Terra. Sua superfície interna cobre hidrosfera e parcialmente latido, o exterior faz fronteira com a parte próxima da Terra do espaço sideral.

O conjunto de ramos da física e da química que estudam a atmosfera costuma ser denominado física atmosférica. A atmosfera determina clima na superfície da Terra, estudando o clima meteorologia e variações de longo prazo clima - climatologia.

A estrutura da atmosfera

A estrutura da atmosfera

Troposfera

Seu limite superior está a uma altitude de 8-10 km nas latitudes polares, 10-12 km nas latitudes temperadas e 16-18 km nas latitudes tropicais; menor no inverno do que no verão. A camada inferior e principal da atmosfera. Contém mais de 80% da massa total do ar atmosférico e cerca de 90% de todo o vapor d’água presente na atmosfera. Na troposfera são altamente desenvolvidos turbulência E convecção, surgir nuvens, estão desenvolvendo ciclones E anticiclones. A temperatura diminui com o aumento da altitude com vertical média gradiente 0,65°/100m

São aceitas como “condições normais” na superfície da Terra: densidade 1,2 kg/m3, pressão barométrica 101,35 kPa, temperatura mais 20 °C e humidade relativa 50%. Esses indicadores condicionais têm significado puramente de engenharia.

Estratosfera

Uma camada da atmosfera localizada a uma altitude de 11 a 50 km. Caracterizado por uma ligeira mudança de temperatura na camada de 11-25 km (camada inferior da estratosfera) e um aumento na camada de 25-40 km de -56,5 para 0,8° COM(camada superior da estratosfera ou região inversões). Tendo atingido um valor de cerca de 273 K (quase 0°C) a uma altitude de cerca de 40 km, a temperatura permanece constante até uma altitude de cerca de 55 km. Esta região de temperatura constante é chamada estratopausa e é a fronteira entre a estratosfera e mesosfera.

Estratopausa

A camada limite da atmosfera entre a estratosfera e a mesosfera. Na distribuição vertical da temperatura existe um máximo (cerca de 0 °C).

Mesosfera

atmosfera da Terra

Mesosfera começa a uma altitude de 50 km e se estende até 80-90 km. A temperatura diminui com a altura com um gradiente vertical médio de (0,25-0,3)°/100 m. O principal processo energético é a transferência de calor radiante. Processos fotoquímicos complexos envolvendo radicais livres, moléculas vibracionalmente excitadas, etc., causam o brilho da atmosfera.

Mesopausa

Camada de transição entre a mesosfera e a termosfera. Existe um mínimo na distribuição vertical de temperatura (cerca de -90 °C).

Linha Karman

A altura acima do nível do mar, que é convencionalmente aceita como a fronteira entre a atmosfera da Terra e o espaço.

Termosfera

artigo principal: Termosfera

Camadas atmosféricas até uma altitude de 120 km

Exosfera (esfera de dispersão)

Exosfera- zona de dispersão, parte externa termosfera, localizada acima de 700 km. O gás na exosfera é muito rarefeito e daqui suas partículas vazam para o espaço interplanetário ( dissipação).

Até uma altitude de 100 km, a atmosfera é uma mistura homogênea e bem misturada de gases. Nas camadas superiores, a distribuição dos gases por altura depende das suas massas moleculares; a concentração de gases mais pesados diminui mais rapidamente com a distância da superfície da Terra; Devido à diminuição da densidade do gás, a temperatura cai de 0 °C na estratosfera para -110 °C na mesosfera. No entanto, a energia cinética de partículas individuais em altitudes de 200-250 km corresponde a uma temperatura de ~1500 °C. Acima de 200 km, são observadas flutuações significativas na temperatura e na densidade do gás no tempo e no espaço.

A uma altitude de cerca de 2.000-3.000 km, a exosfera gradualmente se transforma na chamada perto do vácuo do espaço, que é preenchido com partículas altamente rarefeitas de gás interplanetário, principalmente átomos de hidrogênio. Mas este gás representa apenas uma parte da matéria interplanetária. A outra parte consiste em partículas de poeira de origem cometária e meteórica. Além de partículas de poeira extremamente rarefeitas, a radiação eletromagnética e corpuscular de origem solar e galáctica penetra neste espaço.

Dependendo da composição do gás na atmosfera, eles emitem homosfera E heterosfera. Heterosfera - Esta é a área onde a gravidade afeta a separação dos gases, uma vez que a sua mistura a tal altitude é insignificante. Isto implica uma composição variável da heterosfera. Abaixo dela encontra-se uma parte bem misturada e homogênea da atmosfera, chamada homosfera. A fronteira entre essas camadas é chamada pausa turbo, fica a uma altitude de cerca de 120 km.

Propriedades físicas

A espessura da atmosfera é de aproximadamente 2.000 a 3.000 km da superfície da Terra. Massa total ar- (5,1-5,3)×10 18 kg. Massa molar ar limpo e seco é 28,966. Pressão a 0 °C ao nível do mar 101.325 kPa; temperatura critica-140,7°C; pressão crítica 3,7 MPa; C p 1,0048×10 3 J/(kg K) (a 0 °C), C v 0,7159×10 3 J/(kg K) (a 0 °C). A solubilidade do ar em água a 0 °C é 0,036%, a 25 °C - 0,22%.

Propriedades fisiológicas e outras da atmosfera

Já a uma altitude de 5 km acima do nível do mar, uma pessoa não treinada desenvolve fome de oxigênio e sem adaptação, o desempenho de uma pessoa é significativamente reduzido. A zona fisiológica da atmosfera termina aqui. A respiração humana torna-se impossível a uma altitude de 15 km, embora até aproximadamente 115 km a atmosfera contenha oxigênio.

Os pulmões humanos contêm constantemente cerca de 3 litros de ar alveolar. Pressão parcial o oxigênio no ar alveolar à pressão atmosférica normal é de 110 mm Hg. Art., pressão de dióxido de carbono - 40 mm Hg. Art., e vapor de água - 47 mm Hg. Arte. Com o aumento da altitude, a pressão do oxigênio cai e a pressão total do vapor de água e dióxido de carbono nos pulmões permanece quase constante - cerca de 87 mm Hg. Arte. O fornecimento de oxigênio aos pulmões será completamente interrompido quando a pressão do ar ambiente se tornar igual a este valor.

A uma altitude de cerca de 19-20 km, a pressão atmosférica cai para 47 mm Hg. Arte. Portanto, nesta altitude, a água e o fluido intersticial começam a ferver no corpo humano. Fora da cabine pressurizada nessas altitudes, a morte ocorre quase que instantaneamente. Assim, do ponto de vista da fisiologia humana, o “espaço” começa já a uma altitude de 15-19 km.

Densas camadas de ar - a troposfera e a estratosfera - protegem-nos dos efeitos nocivos da radiação. Com rarefação suficiente do ar, em altitudes superiores a 36 km, os agentes ionizantes têm efeito intenso no corpo. radiação- raios cósmicos primários; Em altitudes superiores a 40 km, a parte ultravioleta do espectro solar é perigosa para os humanos.

Enquanto você sobe tudo maior altura acima da superfície da Terra, enfraquecem gradualmente e depois desaparecem completamente, fenômenos familiares observados nas camadas inferiores da atmosfera como a propagação do som, o surgimento da aerodinâmica elevador e resistência, transferência de calor convecção e etc.

Em camadas rarefeitas de ar, distribuição som acaba sendo impossível. Até altitudes de 60-90 km, ainda é possível usar a resistência do ar e a sustentação para vôo aerodinâmico controlado. Mas a partir de altitudes de 100-130 km, conceitos familiares a todos os pilotos números M E barreira do som perdem o significado, há uma condicional Linha Karman além da qual começa a esfera do vôo puramente balístico, que só pode ser controlado por meio de forças reativas.

Em altitudes acima de 100 km, a atmosfera é privada de outra propriedade notável - a capacidade de absorver, conduzir e transmitir energia térmica por convecção (ou seja, pela mistura de ar). Isso significa que vários elementos do equipamento da estação espacial orbital não poderão ser resfriados externamente da mesma forma que normalmente é feito em um avião - com a ajuda de jatos de ar e radiadores de ar. A tal altura, como no espaço em geral, a única maneira de transferir calor é radiação térmica.

Composição atmosférica

Composição do ar seco

A atmosfera da Terra consiste principalmente em gases e diversas impurezas (poeira, gotículas de água, cristais de gelo, sais marinhos, produtos de combustão).

A concentração de gases que compõem a atmosfera é quase constante, com exceção da água (H 2 O) e do dióxido de carbono (CO 2).

Composição do ar seco

Azoto
Oxigênio
Argônio
Água
Dióxido de carbono
Néon
Hélio
Metano
Criptônio
Hidrogênio
Xenônio
Óxido nitroso

Além dos gases indicados na tabela, a atmosfera contém SO 2, NH 3, CO, ozônio, hidrocarbonetos, HCl, AF, casais Hg, eu 2 , e também NÃO e muitos outros gases em pequenas quantidades. A troposfera contém constantemente um grande número de partículas sólidas e líquidas em suspensão ( aerossol).

História da formação atmosférica

De acordo com a teoria mais comum, a atmosfera da Terra teve quatro composições diferentes ao longo do tempo. Inicialmente consistia em gases leves ( hidrogênio E hélio), capturado do espaço interplanetário. Este é o chamado atmosfera primária(cerca de quatro bilhões de anos atrás). Na fase seguinte, a atividade vulcânica ativa levou à saturação da atmosfera com outros gases além do hidrogênio (dióxido de carbono, amônia, vapor de água). Foi assim que foi formado atmosfera secundária(cerca de três bilhões de anos antes dos dias atuais). Essa atmosfera era restauradora. Além disso, o processo de formação da atmosfera foi determinado pelos seguintes fatores:

vazamento de gases leves (hidrogênio e hélio) em espaço interplanetário;

reações químicas que ocorrem na atmosfera sob a influência da radiação ultravioleta, descargas atmosféricas e alguns outros fatores.

Gradualmente, esses fatores levaram à formação atmosfera terciária, caracterizado por um teor muito menor de hidrogênio e um teor muito maior de nitrogênio e dióxido de carbono (formados como resultado de reações químicas de amônia e hidrocarbonetos).

Azoto

A formação de grande quantidade de N 2 se deve à oxidação da atmosfera de amônia-hidrogênio pelo O 2 molecular, que começou a sair da superfície do planeta a partir da fotossíntese, a partir de 3 bilhões de anos atrás. O N2 também é liberado na atmosfera como resultado da desnitrificação de nitratos e outros compostos contendo nitrogênio. O nitrogênio é oxidado pelo ozônio em NO na alta atmosfera.

O nitrogênio N 2 reage apenas sob condições específicas (por exemplo, durante uma descarga atmosférica). A oxidação do nitrogênio molecular pelo ozônio durante descargas elétricas é utilizada na produção industrial de fertilizantes nitrogenados. Eles podem oxidá-lo com baixo consumo de energia e convertê-lo em uma forma biologicamente ativa. cianobactérias (algas verde-azuladas) e bactérias nodulares que formam rizóbios simbiose Com leguminosas plantas, os chamados estrume verde.

Oxigênio

A composição da atmosfera começou a mudar radicalmente com o aparecimento na Terra organismos vivos, como resultado fotossíntese acompanhado pela liberação de oxigênio e absorção de dióxido de carbono. Inicialmente, o oxigênio foi gasto na oxidação de compostos reduzidos - amônia, hidrocarbonetos, forma nitrosa glândula contido nos oceanos, etc. Ao final desta etapa, o teor de oxigênio na atmosfera começou a aumentar. Gradualmente, formou-se uma atmosfera moderna com propriedades oxidantes. Como isso causou mudanças graves e abruptas em muitos processos que ocorrem em atmosfera, litosfera E biosfera, esse evento foi chamado Desastre de oxigênio.

Durante Fanerozóico a composição da atmosfera e o teor de oxigênio sofreram alterações. Eles se correlacionaram principalmente com a taxa de deposição de sedimentos orgânicos. Assim, durante os períodos de acumulação de carvão, o teor de oxigênio na atmosfera aparentemente excedeu significativamente o nível moderno.

Dióxido de carbono

O conteúdo de CO 2 na atmosfera depende da atividade vulcânica e dos processos químicos nas conchas terrestres, mas acima de tudo - da intensidade da biossíntese e decomposição da matéria orgânica em biosfera Terra. Quase toda a biomassa atual do planeta (cerca de 2,4 × 10 12 toneladas ) é formado devido ao dióxido de carbono, nitrogênio e vapor de água contidos no ar atmosférico. Enterrado em oceano, V pântanos e em florestas matéria orgânica se transforma em carvão, óleo E gás natural. (cm. Ciclo geoquímico do carbono)

gases nobres

Fonte de gases inertes - argônio, hélio E criptônio- erupções vulcânicas e decadência de elementos radioativos. A Terra em geral e a atmosfera em particular estão esgotadas de gases inertes em comparação com o espaço. Acredita-se que a razão para isso esteja no vazamento contínuo de gases para o espaço interplanetário.

Poluição do ar

Recentemente, a evolução da atmosfera começou a ser influenciada por Humano. O resultado de suas atividades foi um aumento constante e significativo no teor de dióxido de carbono na atmosfera devido à combustão de combustíveis hidrocarbonetos acumulados em eras geológicas anteriores. Enormes quantidades de CO 2 são consumidas durante a fotossíntese e absorvidas pelos oceanos do mundo. Este gás entra na atmosfera devido à decomposição de rochas carbonáticas e substâncias orgânicas de origem vegetal e animal, bem como devido ao vulcanismo e à atividade industrial humana. Nos últimos 100 anos, o conteúdo de CO 2 na atmosfera aumentou 10%, sendo a maior parte (360 mil milhões de toneladas) proveniente da combustão de combustíveis. Se a taxa de crescimento da combustão de combustíveis continuar, nos próximos 50 a 60 anos a quantidade de CO 2 na atmosfera duplicará e poderá levar a alterações climáticas globais.

A combustão de combustível é a principal fonte de gases poluentes ( CO, NÃO, ENTÃO 2 ). O dióxido de enxofre é oxidado pelo oxigênio atmosférico em ENTÃO 3 nas camadas superiores da atmosfera, que por sua vez interage com água e vapor de amônia, e o resultante ácido sulfúrico (H 2 ENTÃO 4 ) E sulfato de amônio ((NH 4 ) 2 ENTÃO 4 ) retornar à superfície da Terra na forma do chamado. chuva ácida. Uso motores de combustão interna leva a uma poluição atmosférica significativa com óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e compostos de chumbo ( chumbo tetraetila Pb (CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

A poluição atmosférica por aerossóis é causada tanto por causas naturais (erupções vulcânicas, tempestades de poeira, arrastamento de gotas de água do mar e pólen de plantas, etc.) como por actividades económicas humanas (mineração de minérios e materiais de construção, queima de combustível, produção de cimento, etc.). ). A intensa liberação em larga escala de material particulado na atmosfera é uma das possíveis causas das mudanças climáticas no planeta.

Toda pessoa alfabetizada deveria saber não apenas que o planeta está rodeado por uma atmosfera composta por uma mistura de todos os tipos de gases, mas também que existem diferentes camadas da atmosfera que estão localizadas a distâncias desiguais da superfície da Terra.

Observando o céu, não vemos de forma alguma sua estrutura complexa, sua composição heterogênea ou outras coisas escondidas da vista. Mas é precisamente graças à composição complexa e multicomponente da camada de ar que existem condições em todo o planeta que permitiram que a vida surgisse aqui, a vegetação florescesse e tudo o que já existiu aqui aparecesse.

O conhecimento sobre o tema conversação é dado às pessoas já no 6º ano da escola, mas algumas ainda não concluíram os estudos e outras já estão lá há tanto tempo que já se esqueceram de tudo. No entanto, toda pessoa educada deve saber em que consiste o mundo ao seu redor, especialmente aquela parte dele da qual depende diretamente a própria possibilidade de sua vida normal.

Qual é o nome de cada camada da atmosfera, em que altitude ela está localizada e que papel desempenha? Todas essas questões serão discutidas abaixo.

A estrutura da atmosfera da Terra

Olhando para o céu, principalmente quando está completamente sem nuvens, é muito difícil até imaginar que ele tem uma estrutura tão complexa e multicamadas, que a temperatura lá em diferentes altitudes é muito diferente, e que está ali, em altitude , que os processos mais importantes ocorrem para toda a flora e fauna do terreno.

Se não fosse por uma composição tão complexa da cobertura de gás do planeta, simplesmente não haveria vida aqui e nem mesmo a possibilidade de sua origem.

As primeiras tentativas de estudar esta parte do mundo circundante foram feitas pelos antigos gregos, mas não puderam ir muito longe nas suas conclusões, uma vez que não possuíam a base técnica necessária. Eles não viam os limites das diferentes camadas, não podiam medir sua temperatura, estudar a composição de seus componentes, etc.

Principalmente apenas condições do tempo levou as mentes mais progressistas a pensar que o céu visível não é tão simples quanto parece.

Acredita-se que a estrutura da moderna camada de gás ao redor da Terra foi formada em três estágios. Primeiro houve uma atmosfera primordial de hidrogênio e hélio capturada do espaço sideral.

Então erupções vulcânicas encheram o ar com uma massa de outras partículas e surgiu uma atmosfera secundária. Depois de passar por todas as reações químicas básicas e processos de relaxamento de partículas, surgiu a situação atual.

Camadas da atmosfera em ordem a partir da superfície da Terra e suas características

A estrutura da camada gasosa do planeta é bastante complexa e diversificada. Vejamos isso com mais detalhes, atingindo gradativamente os níveis mais elevados.

Troposfera

Além da camada limite, a troposfera é a camada mais baixa da atmosfera. Estende-se a uma altura de aproximadamente 8-10 km acima da superfície da Terra nas regiões polares, 10-12 km nas clima temperado, e em partes tropicais - por 16-18 quilômetros.

Fato interessante: essa distância pode variar dependendo da época do ano - no inverno é um pouco menor que no verão.

O ar da troposfera contém a principal força vital para toda a vida na Terra. Contém cerca de 80% de todo o ar atmosférico disponível, mais de 90% do vapor d'água, é onde se formam nuvens, ciclones e outros fenômenos atmosféricos.

É interessante notar a diminuição gradual da temperatura à medida que se sobe da superfície do planeta. Os cientistas calcularam que para cada 100 m de altitude, a temperatura diminui cerca de 0,6-0,7 graus.

Estratosfera

A próxima camada mais importante é a estratosfera. A altura da estratosfera é de aproximadamente 45-50 quilômetros. Começa a 11 km e aqui já prevalecem temperaturas negativas, chegando a -57°C.

Por que esta camada é importante para os humanos, todos os animais e plantas? É aqui, a uma altitude de 20-25 quilômetros, que se localiza a camada de ozônio - ela retém os raios ultravioleta que emanam do sol e reduz seu efeito destrutivo sobre a flora e a fauna a um nível aceitável.

É muito interessante notar que a estratosfera absorve muitos tipos de radiação que chegam à Terra vinda do Sol, de outras estrelas e do espaço sideral. A energia recebida dessas partículas é utilizada para ionizar as moléculas e átomos aqui localizados, surgindo vários compostos químicos.

Tudo isso leva a um fenômeno tão famoso e colorido como a aurora boreal.

Mesosfera

A mesosfera começa por volta de 50 e se estende até 90 quilômetros. O gradiente, ou diferença de temperatura com mudanças de altitude, não é mais tão grande aqui como nas camadas inferiores. Nos limites superiores desta camada a temperatura é de cerca de -80°C. A composição desta área inclui aproximadamente 80% de nitrogênio e 20% de oxigênio.

É importante notar que a mesosfera é uma espécie de zona morta para qualquer dispositivo voador. Os aviões não podem voar aqui, porque o ar é muito rarefeito, e os satélites não podem voar em altitudes tão baixas, porque a densidade do ar disponível para eles é muito alta.

Outro característica interessante mesosfera – É aqui que os meteoritos que atingem o planeta queimam. O estudo dessas camadas distantes da Terra ocorre com o auxílio de foguetes especiais, mas a eficiência do processo é baixa, por isso o conhecimento da região deixa muito a desejar.

Termosfera

Imediatamente após a camada considerada chegar a termosfera, cuja altitude em quilômetros se estende por até 800 km. De certa forma, é quase espaço aberto. Aqui há um impacto agressivo da radiação cósmica, da radiação, da radiação solar.

Tudo isso dá origem a um fenômeno tão maravilhoso e belo como a aurora.

A camada mais baixa da termosfera é aquecida a temperaturas de aproximadamente 200 K ou mais. Isso acontece devido a processos elementares entre átomos e moléculas, sua recombinação e radiação.

As camadas superiores são aquecidas devido ao fluxo aqui tempestades magnéticas, correntes elétricas que são geradas. A temperatura da camada é irregular e pode variar significativamente.

A maioria dos voos ocorre na termosfera satélites artificiais, corpos balísticos, estações tripuladas, etc. Além disso, são realizados testes de lançamento de vários tipos de armas e mísseis.

Exosfera

A exosfera, ou como também é chamada de esfera de dispersão, é o nível mais alto da nossa atmosfera, seu limite, seguido pelo espaço exterior interplanetário. A exosfera começa a uma altitude de aproximadamente 800-1000 quilômetros.

As camadas densas ficam para trás e aqui o ar é extremamente rarefeito; quaisquer partículas que entrem de fora são simplesmente levadas para o espaço devido ao efeito muito fraco da gravidade.

Esta concha termina a uma altitude de aproximadamente 3.000-3.500 km, e quase não há mais partículas aqui. Esta zona é chamada de vácuo próximo ao espaço. O que predomina aqui não são as partículas individuais em seu estado normal, mas o plasma, na maioria das vezes completamente ionizado.

A importância da atmosfera na vida da Terra

É assim que se parecem todos os principais níveis da atmosfera do nosso planeta. O seu esquema detalhado pode incluir outras regiões, mas são de importância secundária.

É importante notar que A atmosfera desempenha um papel decisivo para a vida na Terra. Muito ozônio em sua estratosfera permite que a flora e a fauna escapem dos efeitos mortais da radiação e da radiação do espaço.

É também aqui que se forma o clima, ocorrem todos os fenômenos atmosféricos, ciclones e ventos surgem e morrem, e esta ou aquela pressão se estabelece. Tudo isso tem um impacto direto na condição dos humanos, de todos os organismos vivos e das plantas.

A camada mais próxima, a troposfera, nos dá a oportunidade de respirar, satura todos os seres vivos com oxigênio e permite-lhes viver. Mesmo pequenos desvios na estrutura e na composição dos componentes da atmosfera podem ter o efeito mais prejudicial sobre todos os seres vivos.

É por isso que foi agora lançada uma campanha deste tipo contra as emissões nocivas dos automóveis e da produção, os ambientalistas estão a soar o alarme sobre a espessura da camada de ozono, o Partido Verde e outros como este defendem a máxima conservação da natureza. Esta é a única forma de prolongar a vida normal na Terra e não torná-la insuportável em termos climáticos.

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