Атмосферата на Земята: състав, структура и роля за живота

Най-важното нещо, което трябва да запомните за Земята и другите планети, е, че те не идват от Слънцето. Те или материалите им са взети от гравитацията на Слънцето, докато то се движи в пространството. Слънцето е съставено само от водород с малко хелий. Нищо друго. Материалът, от който са изградени планетите и техните спътници, е почти изцяло от по-тежки елементи, чийто произход е от по-ранни експлозии на свръхнови. Планетите отделят малки количества водород и хелий: те идват от разпадането на по-големи радиоактивни молекули, чийто произход също е от древни свръхнови.

Усложняващ фактор е Луната, която се е формирала от сблъсък на голямо тяло с ранната Земя. Това означава, че животът на Земята е възникнал след образуването на Луната.

Атмосферата е слоят от газове около Земята. Той се поддържа от земната гравитация. Днес тя е съставена основно от азот (78,1 %). В нея има и много кислород (20,9 %) и малки количества аргон (0,9 %), въглероден диоксид (~ 0,035 %), водни пари и други газове. Атмосферата защитава живота на Земята, като поглъща (приема) ултравиолетовите лъчи от Слънцето. Тя прави дните ни по-хладни, а нощите - по-топли.

Твърдите частици, включително пепел, прах, вулканична пепел и т.н., са малка част от атмосферата. Те са важни за образуването на облаци и мъгли.

Атмосферата не свършва на определено място. Колкото по-високо над Земята се намира атмосферата, толкова по-тънка е тя. Няма ясна граница между атмосферата и космическото пространство, въпреки че линията на Карман понякога се разглежда като граница. Още по-високо, за някои цели ръбът на магнитосферата се третира като граница. 75% от атмосферата се намира на разстояние до 11 км от повърхността на Земята.

Състав и важни следи

Основният състав по обем е: азот ~78,1%, кислород ~20,9% и аргон ~0,93%. Количеството въглероден диоксид днес е около 0,04% (приблизително няколко стотин части на милион) и варира във времето поради природни и човешки дейности. Водните пари са променлива, но силно важна съставка — в ниските слоеве могат да достигат до няколко процента по обем и управляват голяма част от времето и климата.

Освен това в атмосферата има трайни следи от други парникови газове като метан (CH4), за който е важно, че е по-мощен парников газ на маса, но присъства в по-ниска концентрация, и за който човешката дейност значително влияе. Озонът (O3) в стратосферата образува т.нар. озонов слой, който абсорбира най-опасната ултравиолетова радиация.

Слоеве на атмосферата

• Тропосфера (от повърхността до ~8–11 км): тук стават повечето атмосферни явления — облаци, дъжд, вятър. Температурата обикновено намалява с височината. Приблизително 75% от масата на въздуха и почти целият воден пар са в този слой.
• Стратосфера (≈11–50 км): температурата постепенно се повишава с височината в горната част поради абсорбцията на UV от озона. Този слой е по-стабилен и в него се намира основният озонов слой.
• Мезосфера (≈50–85 км): температурите пак спадат и това е мястото, където горят повечето метеороиди, влизайки в атмосферата.
• Термосфера (≈85–600 км): въздухът е изключително разреден, температурата може да бъде много висока при директно слънчево облъчване. Тук се намират йоносферата и полярните сияния.
• Екзосфера (над ~600 км): преход към космоса, където молекулите рядко взаимодействат. Границата към външното пространство е постепенна; линията на Карман (≈100 км) се използва често като практически ориентир.

Функции и значение за живота

Атмосферата изпълнява множество критични роли:

• Осигурява дишащия кислород и поддържа цикъла на въглерода и други елементи.
• Регулира температурата чрез парников ефект — някои газове задържат топлината и правят планетата по-подходяща за живот.
• Абсорбира вредната ултравиолетова радиация (UV) благодарение на озоновия слой.
• Защитава от повечето малки метеороиди — те изгарят в атмосферата, преди да достигнат повърхността.
• Разпространява и променя енергията от Слънцето, причинявайки ветрове, валежи и други климатични процеси.
• Разсейва слънчевата светлина (Rayleigh разсейване), което прави небето синьо и залезите червени/оранжеви.

Произход и промени във времето

Първичната атмосфера на Земята е била различна от днешната — най-вероятно богата на водород и хелий, които по-голямата част са загубени в космоса. По-късно гаси като въглероден диоксид, водна пара, азот и други са били освободени чрез вулканична дейност (известно като дегазиране) и чрез доставяне от комети и метеорити. Свободният кислород драстично нарасна едва след появата на фотосинтезиращи организми (цианобактерии и по-късно растения), което доведе до „Кислородната революция“ и позволи развитието на аеробния живот.

Аерозоли и облаци

Твърдите частици и течните капчици (аерозоли) в атмосферата играят важна рол на образуването на облаци и на баланса на радиацията. Те служат като ядра за кондензация, променят отражателната способност на планетата и могат както да охлаждат (като отразяват слънчевата светлина), така и да влияят на затоплянето.

Атмосферно налягане и плътност

Налягането на морско равнище е около 1013 hPa (≈760 mmHg). С височината налягането и плътността намаляват експоненциално — поради това въздухът е значително по-разреден дори няколко километра над нас.

Човешко въздействие

Човешката дейност промени състава и свойствата на атмосферата: емисии на въглероден диоксид и други парникови газове (изгаряне на изкопаеми горива, земеделие) водят до климатични промени; замърсяване (частици, серни и азотни оксиди) причинява смог, киселинни дъждове и рискове за здравето; синтетични химикали като CFC нарушихa озоновия слой (частично поправен благодарение на международни договори).

Кратък преглед на защитните системи

Освен самата атмосфера, има и допълнителни „щитове“: магнитосферата отклонява по-голямата част от заредените частици от Слънцето (соларния вятър), което предпазва горните слоеве на атмосферата от ерозия и намалява облъчването на повърхността.

Важно за всеки

Разбирането на състава, слоевете и функциите на атмосферата е ключово за прогнозирането на времето, за опазване на здравето и за вземането на решения относно климата. Малките промени в количеството на някои газове могат да имат голям ефект върху климата и живота — затова наблюдението, ограничаването на замърсяването и международното сътрудничество са от съществено значение.

Температура и атмосферни слоеве

Някои части на атмосферата са горещи или студени в зависимост от височината. Започвайки от повърхността и изкачвайки се право нагоре, въздухът става по-студен в тропосферата, но след това става по-топъл, по-високо в стратосферата. Тези промени в температурата са разделени на слоеве. Те са като слоевете на лука. Разликата между слоевете е начинът, по който се променя температурата.

Това са слоевете на атмосферата, като се започне от земята:

• Тропосфера - започва от земята. Завършва някъде между 0 и 18 км. (0 до 11 мили). Колкото по-високо, толкова по-студено. Времето в този слой оказва влияние върху ежедневието ни.
• Стратосфера - започва на 18 километра. Завършва на 50 км (31 мили). Колкото по-високо, толкова по-горещо. Топлината идва от озоновия слой в горната част на стратосферата. В този слой има малко водни пари и други вещества. Самолетите летят в този слой, защото обикновено е стабилен и съпротивлението на въздуха е малко.
• Мезосфера - започва на 50 км (31 мили). Завършва на 80 или 85 километра (50 или 53 мили). Колкото по-високо, толкова по-студено. Ветровете в този слой са силни, така че температурата не е стабилна.
• Термосфера - Започва на 80 или 85 километра (50 или 53 мили). Завършва на 640 км (400 мили) или по-високо. Колкото по-високо, толкова по-горещо. Този слой е много важен за радиокомуникацията, тъй като помага за отразяването на някои радиовълни.
• Екзосфера - над термосферата. Това е най-горният слой и се слива с междупланетното пространство.

Областите, в които един слой преминава в следващия, са наречени "-паузи". Така тропопаузата е мястото, където свършва тропосферата (на височина от 7 до 14 км). Стратопаузата е в края на стратосферата. Мезопаузата е в края на мезосферата. Това са граници.

Средната температура на атмосферата на повърхността на Земята е 14 °C (57 °F).

 
Температура на различни височини  

Въпроси и отговори

В: От какво е изградено Слънцето?

В: Откъде идват материалите, от които са изградени планетите и техните спътници?

В: Как атмосферата защитава живота на Земята?

В: Какво представляват твърдите частици във връзка с атмосферата?

В: Има ли ясна граница между атмосферата и космическото пространство?

Въпрос: Каква част от атмосферата на Земята се намира на разстояние до 11 км от нейната повърхност?

В: Кога се смята, че е започнал животът на Земята?

Търсене по буква