Атмосфера. 
Концепции современного естествознания

Атмосферой (от греч. atmos — пар) называется газовая геооболочка Земли. Состоит она из естественной смеси газов, которая называется воздухом. Условно считается, что верхняя граница атмосферы, отделяющая ее от космоса (ионосферы), расположена на высоте 120 км от уровня моря. Ниже этого уровня в маневрировании летательных аппаратов существенной становится опора на воздушные массы. У поверхности Земли нормальными считаются следующие параметры воздуха: плотность — 1,2 г/см³, давление — 1 атм, температура — 20 °C, относительная влажность — 50%. Основными объемными составляющими воздуха являются азот (Л/) — 78,1% и кислород (0₂) — 20,9%. На все остальные газы, включая взвешенные (аэрозольные частицы), приходится всего 1% объема воздуха (1,4% от общей массы воздуха).

Строение атмосферы представлено в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Строение атмосферы.

Окончание табл. 4.8

Строение атмосферы постоянно уточняется. Всего различают четыре атмосферные оболочки — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Термосфера, высота которой достигает 690 км, лишь своей нижней частью входит в атмосферу. Экзосфера, высота которой оценивается в 10 тыс. км, также не относится к атмосфере. Переходные слои разделяют атмосферные оболочки, их называют паузами постольку, поскольку в них почти прекращается изменение температуры с высотой. Наиболее строго это условие выполняется для тропопаузы. Все эти особенности отображает рис. 4.6.^[1]

Рис. 4.6. Температуры и высоты атмосферных оболочек^1.

Тропосфера (от греч. trope — поворот) представляет 80% всей массы воздуха. При подъеме температура понижается на 6,5°С на каждые 10 м. В яркой форме представлены турбулентные и конвективные явления. Именно в составе тропосферы развиваются процессы, определяющие погоду и климат на Земле. Выше тропопаузы облака обычно отсутствуют. Поэтому там идеальные условия для полетов воздушных судов.

В стратосфере по сравнению с тропосферой резко меняется температурная динамика. В тропосфере она определяется в основном конвективными потоками. Теперь же на первый план выходит излучение, принимаемое от Солнца. По мере подъема температура стратосферы повышается. В верхних ее слоях она выше, чем в верхних слоях тропосферы, на 50—55°С и составляет около 0 °C.

В стратосфере расположен озоновый слой. Озон 0₃ образуется в результате воздействия на 0₂ фотонов. Толщина озонового слоя, как правило, не превышает 5 км. Озон рассеивает ульрафиолетовое излучение, губительное для многих живых организмов. Именно поглощение озоном солнечных лучей ответственно за повышение температуры в стратосфере.

В мезосфере (от греч. meso — середина) постепенно перестает работать тот механизм повышения температуры, который характерен для стратосферы. В итоге в ее верхних слоях устанавливается температура -90°С. Это самое холодное место на Земле. Название рассматриваемой атмосферной оболочки определяется ее серединным расположением в атмосфере.

В термосфере (от греч. themos — горячий) температура вследствие ионизации атмосферного кислорода посредством поглощения ультафиолетового излучения вновь начинает возрастать и достигает 1700 °C. Впрочем, необходимо учитывать, что термосфера является крайне разряженной средой. Столкновения молекул происходят редко. В этих условиях привычное понятие температуры оказывается неприменимым. Строго говоря, состоятельно сравнение температурных режимов только тропосферы, стратосферы и мезосферы. Термосфера в этот список не входит. Если космонавт выйдет в открытый космос в термосфере, то он не испарится. Но его скафандру придется испытать столкновения с очень быстро движущимися отдельными молекулами.

Итак, атмосфера представляет собой сложный системно организованный динамический объект, который тесно связан с гидрои литосферой и, как известно, имеющий актуальное значение для всего живого на Земле.

В своей эволюции атмосфера прошла множество этапов развития. На первом этапе своей эволюции атмосфера состояла в основном из легких текучих соединений, среди которых доминировали водород и гелий, основные формы вещества того исходного газопылевого облака, из которого образовалась Земля. Атмосфера была чрезвычайно разряженной средой. В таком состоянии она пребывала вплоть до 4 млрд лет тому назад.

Второй этап эволюции атмосферы определяется активными процессами дегазации. Атмосфера энергично насыщается водяным паром, аммиаком и углекислым газом. Около 3 млрд лет назад Земля была окутана плотной атмосферой с давлением около 4 атм.

Третий этап эволюции атмосферы отмечен достижением ею температуры ниже точки кипения воды. Энергичный процесс выделения осадков приводит к образованию первичного океана. Плотность атмосферы падает. Из нее постепенно улетучиваются легкие газы. К тому же в результате химических реакций, происходящих в атмосфере под воздействием ультрафиолетового излучения и грозовых разрядов, в ней возрастает доля азота и углекислого газа. Третий этап эволюции атмосферы составлял около 0,5 млрд лет.

Четвертый этап эволюции атмосферы в основном связан с извлечением из атмосферы углекислого газа и ее обогащением кислородом. Эти эффекты стали результатом деятельности зеленых растений и фотосинтезирующих микроорганизмов. Именно биогенез ответствен за постепенное насыщение атмосферы кислородом. Однако на протяжении около 2 млрд лет производимый кислород расходовался на окисление горных пород и океанических веществ.

Лишь около 300 млн лет тому назад кислород в атмосфере достиг своей современной концентрации. Начался пятый этап эволюции атмосферы, продолжающийся вплоть до сегодняшнего дня.

Будущее атмосферы, видимо, будет определяться двумя главными обстоятельствами. Во-первых, кислород будет все в большей степени поступать в атмосферу из мантии Земли, в которой падает содержание железа, опускающегося в ядро. Выделение кислорода приведет к росту давления и температуры атмосферы. Весьма вероятно, что уже через 600 млн лет условия жизни на земле станут невыносимыми для всех живых организмов. Постепенное нагревание Солнца также будет способствовать росту температуры атмосферы. Приблизительно через 2 млрд лет она окажется в зоне катастрофических изменений. Наконец, превращение Солнца в красный гигант, видимо, насильно закончит процесс эволюции атмосферы Земли.

Выводы

• • Возраст атмосферы Земли такой же, как и у самой планеты. Прежде чем достигнуть современного состояния, она прошла несколько этапов эволюции, которая, видимо, будет закончена превращением Солнца в красный гигант.
• • Для каждой атмосферной оболочки, а именно тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы, характерны определенные закономерности, связанные, в частности, с существованием определенных температурных режимов.
• • Будучи относительно самостоятельным объектом, атмосфера связана системными отношениями с другими геооболочками, в частности с гидросферой.

• [1] Строение атмосферы Земли. URL: http://www.meteoweb.ru/phen058.php/