Výška hornej atmosféry. Biely pruh na oblohe

ATMOSFÉRA
plynný obal obklopujúci nebeské teleso. Jeho charakteristiky závisia od veľkosti, hmotnosti, teploty, rýchlosti rotácie a chemického zloženia daného nebeského telesa a sú určené aj históriou jeho vzniku od okamihu jeho vzniku. Atmosféru Zeme tvorí zmes plynov nazývaná vzduch. Jeho hlavnými zložkami sú dusík a kyslík v pomere približne 4:1. Na človeka vplýva najmä stav dolných 15-25 km atmosféry, keďže práve v tejto spodnej vrstve sa sústreďuje väčšina vzduchu. Veda, ktorá skúma atmosféru, sa nazýva meteorológia, hoci predmetom tejto vedy je aj počasie a jeho vplyv na človeka. Mení sa aj stav horných vrstiev atmosféry, ktoré sa nachádzajú vo výškach od 60 do 300 a dokonca 1000 km od povrchu Zeme. Rozvíjajú sa tu silné vetry, búrky a vyskytujú sa úžasné elektrické javy ako polárna žiara. Mnohé z uvedených javov sú spojené s tokom slnečného žiarenia, kozmického žiarenia a magnetického poľa Zeme. Vysoké vrstvy atmosféry sú tiež chemickým laboratóriom, pretože tam, v podmienkach blízkych vákuu, vstupujú niektoré atmosférické plyny pod vplyvom silného toku slnečnej energie do chemických reakcií. Veda, ktorá študuje tieto vzájomne súvisiace javy a procesy, sa nazýva fyzika vysokej atmosféry.
VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY ATMOSFÉRY ZEME
Rozmery. Kým sondážne rakety a umelé družice nepreskúmali vonkajšie vrstvy atmosféry vo vzdialenosti niekoľkonásobne väčšej ako je polomer Zeme, verilo sa, že keď sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atmosféra sa postupne stáva redšie a plynule prechádza do medziplanetárneho priestoru. . Teraz sa zistilo, že toky energie z hlbokých vrstiev Slnka prenikajú do vesmíru ďaleko za obežnú dráhu Zeme, až po vonkajšie hranice Slnečnej sústavy. Tento tzv Slnečný vietor obteká magnetické pole Zeme a vytvára podlhovastú „dutinu“, v ktorej je sústredená zemská atmosféra. Magnetické pole Zeme je na dennej strane privrátenej k Slnku citeľne zúžené a na opačnej, nočnej strane tvorí dlhý jazyk, siahajúci pravdepodobne až za obežnú dráhu Mesiaca. Hranica magnetického poľa Zeme sa nazýva magnetopauza. Na dennej strane táto hranica prebieha vo vzdialenosti asi siedmich polomerov Zeme od povrchu, ale v obdobiach zvýšenej slnečnej aktivity sa ukazuje, že je ešte bližšie k zemskému povrchu. Magnetopauza je aj hranicou zemskej atmosféry, ktorej vonkajší obal sa nazýva aj magnetosféra, keďže sa v nej sústreďujú nabité častice (ióny), ktorých pohyb určuje magnetické pole Zeme. Celková hmotnosť atmosférických plynov je približne 4,5 x 1015 ton.Takže „hmotnosť“ atmosféry na jednotku plochy alebo atmosférický tlak je približne 11 ton/m2 na úrovni mora.
Zmysel pre život. Z uvedeného vyplýva, že Zem je oddelená od medziplanetárneho priestoru mocnou ochrannou vrstvou. Vesmír je preniknutý silným ultrafialovým a röntgenovým žiarením zo Slnka a ešte tvrdším kozmickým žiarením a tieto typy žiarenia sú deštruktívne pre všetko živé. Na vonkajšom okraji atmosféry je intenzita žiarenia smrteľná, no veľkú časť z nej zadrží atmosféra ďaleko od zemského povrchu. Absorpcia tohto žiarenia vysvetľuje mnohé vlastnosti vysokých vrstiev atmosféry a najmä elektrické javy, ktoré sa tam vyskytujú. Najnižšia, prízemná vrstva atmosféry je dôležitá najmä pre ľudí, ktorí žijú v mieste kontaktu medzi pevnými, kvapalnými a plynnými obalmi Zeme. Horná vrstva „pevnej“ Zeme sa nazýva litosféra. Asi 72 % povrchu Zeme je pokrytých oceánskymi vodami, ktoré tvoria väčšinu hydrosféry. Atmosféra hraničí s litosférou aj hydrosférou. Človek žije na dne oceánu vzduchu a blízko alebo nad hladinou oceánu vody. Vzájomné pôsobenie týchto oceánov je jedným z dôležitých faktorov určujúcich stav atmosféry.
Zlúčenina. Spodné vrstvy atmosféry pozostávajú zo zmesi plynov (pozri tabuľku). Okrem tých, ktoré sú uvedené v tabuľke, sú vo vzduchu vo forme malých nečistôt prítomné aj ďalšie plyny: ozón, metán, látky ako oxid uhoľnatý (CO), oxidy dusíka a síry, amoniak.

ZLOŽENIE ATMOSFÉRY

Vo vysokých vrstvách atmosféry sa vplyvom tvrdého žiarenia Slnka mení zloženie vzduchu, čo vedie k rozpadu molekúl kyslíka na atómy. Atómový kyslík je hlavnou zložkou vysokých vrstiev atmosféry. Napokon vo vrstvách atmosféry najvzdialenejších od zemského povrchu sú hlavnými zložkami najľahšie plyny – vodík a hélium. Keďže prevažná časť látky je sústredená v dolných 30 km, zmeny v zložení ovzdušia vo výškach nad 100 km nemajú badateľný vplyv na celkové zloženie atmosféry.
Výmena energie. Slnko je hlavným zdrojom energie dodávanej na Zem. Vo vzdialenosti cca. 150 miliónov km od Slnka dostáva Zem približne dve miliardy energie, ktorú vyžaruje, najmä vo viditeľnej časti spektra, ktorú ľudia nazývajú „svetlo“. Väčšina tejto energie je absorbovaná atmosférou a litosférou. Aj Zem vyžaruje energiu, hlavne vo forme dlhovlnného infračerveného žiarenia. Týmto spôsobom sa vytvorí rovnováha medzi energiou prijatou zo Slnka, zahrievaním Zeme a atmosféry a spätným tokom tepelnej energie emitovanej do vesmíru. Mechanizmus tejto rovnováhy je mimoriadne zložitý. Molekuly prachu a plynu rozptyľujú svetlo a čiastočne ho odrážajú do vesmíru. Ešte viac prichádzajúcej radiácie sa odráža v oblakoch. Časť energie je absorbovaná priamo molekulami plynu, ale hlavne horninami, vegetáciou a povrchovou vodou. Vodná para a oxid uhličitý prítomné v atmosfére prepúšťajú viditeľné žiarenie, ale absorbujú infračervené žiarenie. Tepelná energia sa akumuluje najmä v nižších vrstvách atmosféry. Podobný efekt nastáva v skleníku, keď sklo prepúšťa svetlo a pôda sa zahrieva. Keďže sklo je pre infračervené žiarenie relatívne nepriepustné, v skleníku sa hromadí teplo. Zahrievanie spodnej atmosféry v dôsledku prítomnosti vodnej pary a oxidu uhličitého sa často nazýva skleníkový efekt. Oblačnosť zohráva významnú úlohu pri udržiavaní tepla v nižších vrstvách atmosféry. Ak sa oblaky vyjasnia alebo sa vzduch stane priehľadnejším, teplota nevyhnutne klesne, pretože zemský povrch voľne vyžaruje tepelnú energiu do okolitého priestoru. Voda na povrchu Zeme pohlcuje slnečnú energiu a vyparuje sa, pričom sa mení na plyn – vodnú paru, ktorá prenáša obrovské množstvo energie do spodných vrstiev atmosféry. Keď vodná para kondenzuje a tvoria sa oblaky alebo hmla, táto energia sa uvoľňuje ako teplo. Približne polovica slnečnej energie, ktorá sa dostane na zemský povrch, sa minie na odparovanie vody a dostáva sa do spodných vrstiev atmosféry. Atmosféra sa teda v dôsledku skleníkového efektu a vyparovania vody zospodu otepľuje. To čiastočne vysvetľuje vysokú aktivitu jeho cirkulácie v porovnaní s cirkuláciou Svetového oceánu, ktorý je ohrievaný iba zhora, a preto je oveľa stabilnejší ako atmosféra.
Pozri tiež METEOROLÓGIA A KLIMATOLÓGIA. Okrem všeobecného zahrievania atmosféry slnečným žiarením dochádza k výraznému zahrievaniu niektorých jej vrstiev vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. Štruktúra. V porovnaní s kvapalinami a pevnými látkami je v plynných látkach príťažlivá sila medzi molekulami minimálna. Keď sa vzdialenosť medzi molekulami zväčšuje, plyny sú schopné neobmedzene expandovať, ak im nič nebráni. Spodná hranica atmosféry je povrch Zeme. Presne povedané, táto bariéra je nepreniknuteľná, pretože výmena plynov prebieha medzi vzduchom a vodou a dokonca aj medzi vzduchom a horninami, ale v tomto prípade možno tieto faktory zanedbať. Keďže atmosféra je guľovitý obal, nemá žiadne bočné hranice, ale iba spodnú hranicu a hornú (vonkajšiu) hranicu, otvorenú zo strany medziplanetárneho priestoru. Niektoré neutrálne plyny unikajú cez vonkajšiu hranicu, rovnako ako hmota vstupuje z okolitého vesmíru. Väčšinu nabitých častíc, s výnimkou vysokoenergetického kozmického žiarenia, magnetosféra buď zachytí, alebo ju odpudí. Atmosféru ovplyvňuje aj gravitačná sila, ktorá drží vzduchový obal na povrchu Zeme. Atmosférické plyny sa stláčajú vlastnou hmotnosťou. Toto stlačenie je maximálne na spodnej hranici atmosféry, preto je tu najväčšia hustota vzduchu. V akejkoľvek výške nad zemským povrchom závisí stupeň stlačenia vzduchu od hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca, preto s výškou hustota vzduchu klesá. Tlak, ktorý sa rovná hmotnosti nadložného vzduchového stĺpca na jednotku plochy, je priamo závislý od hustoty, a preto tiež klesá s výškou. Ak by bola atmosféra „ideálnym plynom“ s konštantným zložením nezávislým od nadmorskej výšky, konštantnou teplotou a konštantnou gravitačnou silou pôsobiacou na ňu, potom by sa tlak znížil 10-krát na každých 20 km výšky. Skutočná atmosféra sa mierne líši od ideálneho plynu do výšky asi 100 km a potom tlak klesá s výškou pomalšie, ako sa mení zloženie vzduchu. Malé zmeny do opísaného modelu prináša aj pokles gravitačnej sily so vzdialenosťou od stredu Zeme, ktorá je cca. 3 % na každých 100 km nadmorskej výšky. Na rozdiel od atmosférického tlaku teplota neklesá plynule s nadmorskou výškou. Ako je znázornené na obr. 1 klesá približne do výšky 10 km a potom sa opäť začína zvyšovať. K tomu dochádza, keď je ultrafialové slnečné žiarenie absorbované kyslíkom. Vzniká tak plynný ozón, ktorého molekuly pozostávajú z troch atómov kyslíka (O3). Pohlcuje aj ultrafialové žiarenie, a tak sa táto vrstva atmosféry, nazývaná ozonosféra, zohrieva. Vyššie teplota opäť klesá, pretože tam je oveľa menej molekúl plynu a absorpcia energie je zodpovedajúcim spôsobom znížená. V ešte vyšších vrstvách teplota opäť stúpa v dôsledku absorpcie ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka s najkratšou vlnovou dĺžkou atmosférou. Pod vplyvom tohto mohutného žiarenia dochádza k ionizácii atmosféry, t.j. molekula plynu stráca elektrón a získava kladný elektrický náboj. Takéto molekuly sa stávajú kladne nabitými iónmi. Vďaka prítomnosti voľných elektrónov a iónov získava táto vrstva atmosféry vlastnosti elektrického vodiča. Predpokladá sa, že teplota naďalej stúpa do výšok, kde riedka atmosféra prechádza do medziplanetárneho priestoru. Vo vzdialenosti niekoľkých tisíc kilometrov od zemského povrchu budú pravdepodobne prevládať teploty od 5 000° do 10 000° C. Hoci molekuly a atómy majú veľmi vysoké rýchlosti pohybu, a teda aj vysoké teploty, tento riedky plyn nie je „horúci“ v obvyklom zmysle. Vzhľadom na malý počet molekúl vo vysokých nadmorských výškach je ich celková tepelná energia veľmi malá. Atmosféra sa teda skladá zo samostatných vrstiev (t. j. série sústredných škrupín alebo gúľ), ktorých oddelenie závisí od toho, o ktorú vlastnosť je najväčší záujem. Meteorológovia na základe rozloženia priemerných teplôt vypracovali diagram štruktúry ideálnej „priemernej atmosféry“ (pozri obr. 1).

Troposféra je spodná vrstva atmosféry, siahajúca po prvé tepelné minimum (tzv. tropopauza). Horná hranica troposféry závisí od zemepisnej šírky (v trópoch - 18-20 km, v miernych zemepisných šírkach - asi 10 km) a ročného obdobia. Americká národná meteorologická služba vykonala sondy v blízkosti južného pólu a odhalila sezónne zmeny vo výške tropopauzy. V marci je tropopauza vo výške cca. 7,5 km. Od marca do augusta alebo septembra dochádza k neustálemu ochladzovaniu troposféry a jej hranica sa na krátky čas v auguste alebo septembri dvíha do výšky približne 11,5 km. Potom od septembra do decembra rapídne klesá a dosahuje najnižšiu polohu - 7,5 km, kde zostáva až do marca, kolíše v rozmedzí len 0,5 km. Práve v troposfére sa tvorí najmä počasie, ktoré určuje podmienky pre existenciu človeka. Väčšina atmosférickej vodnej pary sa sústreďuje v troposfére a tu sa primárne tvoria oblaky, hoci niektoré, zložené z ľadových kryštálikov, sa nachádzajú vo vyšších vrstvách. Troposféru charakterizujú turbulencie a silné vzdušné prúdy (vietor) a búrky. V hornej troposfére sú silné vzdušné prúdy v presne vymedzenom smere. Turbulentné víry, podobné malým vírom, vznikajú vplyvom trenia a dynamickej interakcie medzi pomaly a rýchlo sa pohybujúcimi vzduchovými hmotami. Pretože na týchto vysokých úrovniach zvyčajne nie je žiadna oblačnosť, táto turbulencia sa nazýva „turbulencia čistého vzduchu“.
Stratosféra. Horná vrstva atmosféry je často mylne označovaná ako vrstva s relatívne stálymi teplotami, kde vetry fúkajú viac-menej rovnomerne a kde sa meteorologické prvky menia len málo. Horné vrstvy stratosféry sa zahrievajú, keď kyslík a ozón absorbujú ultrafialové žiarenie zo slnka. Horná hranica stratosféry (stratopauza) je miesto, kde teplota mierne stúpa a dosahuje stredné maximum, ktoré je často porovnateľné s teplotou povrchovej vrstvy vzduchu. Na základe pozorovaní uskutočnených pomocou lietadiel a balónov určených na lietanie v konštantných výškach boli v stratosfére zistené turbulentné poruchy a silné vetry fúkajúce rôznymi smermi. Rovnako ako v troposfére, aj tu existujú silné vzdušné víry, ktoré sú nebezpečné najmä pre vysokorýchlostné lietadlá. Silné vetry, nazývané tryskové prúdy, fúkajú v úzkych zónach pozdĺž pólových hraníc miernych zemepisných šírok. Tieto zóny sa však môžu posunúť, zmiznúť a znovu sa objaviť. Tryskové prúdy typicky prenikajú cez tropopauzu a objavujú sa v hornej troposfére, ale ich rýchlosť rýchlo klesá s klesajúcou výškou. Je možné, že časť energie vstupujúcej do stratosféry (hlavne vynaložená na tvorbu ozónu) ovplyvňuje procesy v troposfére. Obzvlášť aktívne miešanie je spojené s atmosférickými frontami, kde boli hlboko pod tropopauzou zaznamenané rozsiahle prúdy stratosférického vzduchu a troposférický vzduch bol vťahovaný do spodných vrstiev stratosféry. Významný pokrok sa dosiahol v štúdiu vertikálnej štruktúry spodných vrstiev atmosféry vďaka zdokonaleniu technológie vypúšťania rádiosond do výšok 25-30 km. Mezosféra, ktorá sa nachádza nad stratosférou, je škrupina, v ktorej až do výšky 80-85 km klesá teplota na minimálne hodnoty pre atmosféru ako celok. Rekordne nízke teploty až do -110 °C zaznamenali meteorologické rakety vypustené z americko-kanadského zariadenia vo Fort Churchill (Kanada). Horná hranica mezosféry (mezopauza) sa približne zhoduje so spodnou hranicou oblasti aktívnej absorpcie röntgenového a krátkovlnného ultrafialového žiarenia zo Slnka, ktoré je sprevádzané zahrievaním a ionizáciou plynu. V polárnych oblastiach sa počas mezopauzy v lete často objavujú oblačné systémy, ktoré zaberajú veľkú plochu, ale majú malý vertikálny vývoj. Takéto nočné žiariace oblaky často odhaľujú veľké vlnové pohyby vzduchu v mezosfére. Zloženie týchto oblakov, zdroje vlhkosti a kondenzačných jadier, dynamika a vzťahy s meteorologickými faktormi ešte nie sú dostatočne prebádané. Termosféra je vrstva atmosféry, v ktorej teplota neustále stúpa. Jeho výkon môže dosiahnuť 600 km. Tlak a teda aj hustota plynu s nadmorskou výškou neustále klesá. V blízkosti zemského povrchu obsahuje 1 m3 vzduchu cca. 2,5 x 1025 molekúl, vo výške cca. 100 km, v spodných vrstvách termosféry - približne 1019, vo výške 200 km, v ionosfére - 5 * 10 15 a podľa výpočtov vo výške cca. 850 km - približne 1012 molekúl. V medziplanetárnom priestore je koncentrácia molekúl 10 8-10 9 na 1 m3. V nadmorskej výške cca. 100 km je počet molekúl malý a zriedka sa navzájom zrážajú. Priemerná vzdialenosť, ktorú chaoticky sa pohybujúca molekula prejde pred zrážkou s inou podobnou molekulou, sa nazýva jej stredná voľná dráha. Vrstva, v ktorej sa táto hodnota zväčší natoľko, že možno zanedbať pravdepodobnosť medzimolekulových alebo medziatómových zrážok, sa nachádza na hranici medzi termosférou a nadložnou škrupinou (exosférou) a nazýva sa termopauza. Termopauza je približne 650 km od zemského povrchu. Pri určitej teplote závisí rýchlosť molekuly od jej hmotnosti: ľahšie molekuly sa pohybujú rýchlejšie ako ťažšie. V spodnej atmosfére, kde je voľná dráha veľmi krátka, nie je badateľná separácia plynov podľa ich molekulovej hmotnosti, ale vyjadruje sa nad 100 km. Navyše vplyvom ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka sa molekuly kyslíka rozpadajú na atómy, ktorých hmotnosť je polovičná ako hmotnosť molekuly. Preto, ako sa vzďaľujeme od zemského povrchu, atómový kyslík nadobúda čoraz väčší význam v zložení atmosféry a vo výške cca. Jeho hlavnou zložkou sa stáva 200 km. Vyššie, vo vzdialenosti približne 1200 km od povrchu Zeme, prevládajú ľahké plyny – hélium a vodík. Vonkajší obal atmosféry sa skladá z nich. Táto separácia podľa hmotnosti, nazývaná difúzna stratifikácia, je podobná separácii zmesí pomocou centrifúgy. Exosféra je vonkajšia vrstva atmosféry, ktorá vzniká na základe zmien teploty a vlastností neutrálneho plynu. Molekuly a atómy v exosfére rotujú okolo Zeme po balistických dráhach pod vplyvom gravitácie. Niektoré z týchto dráh sú parabolické a pripomínajú trajektórie projektilov. Molekuly sa môžu otáčať okolo Zeme a na eliptických dráhach, ako sú satelity. Niektoré molekuly, hlavne vodík a hélium, majú otvorené trajektórie a smerujú do vesmíru (obr. 2).

SLNEČNÉ POZEMSKÉ PREPOJENIA A ICH VPLYV NA ATMOSFÉRU
Atmosférické prílivy a odlivy. Príťažlivosť Slnka a Mesiaca spôsobuje príliv a odliv v atmosfére, podobný zemskému a morskému prílivu. Atmosférické prílivy a odlivy majú však významný rozdiel: atmosféra reaguje najsilnejšie na príťažlivosť Slnka, zatiaľ čo zemská kôra a oceán reagujú najsilnejšie na príťažlivosť Mesiaca. Vysvetľuje to skutočnosť, že atmosféra je ohrievaná Slnkom a okrem gravitácie dochádza k silnému tepelnému prílivu. Vo všeobecnosti sú mechanizmy vzniku atmosférického a morského prílivu a odlivu podobné, s tým rozdielom, že na predpovedanie reakcie vzduchu na gravitačné a tepelné vplyvy je potrebné brať do úvahy jeho stlačiteľnosť a rozloženie teplôt. Nie je celkom jasné, prečo polodenné (12-hodinové) slnečné prílivy v atmosfére prevládajú nad dennými slnečnými a poldennými mesačnými prílivmi, hoci hnacie sily posledných dvoch procesov sú oveľa silnejšie. Predtým sa verilo, že v atmosfére vzniká rezonancia, ktorá zosilňuje oscilácie s periódou 12 hodín. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet však naznačujú absenciu teplotných dôvodov pre takúto rezonanciu. Pri riešení tohto problému je pravdepodobne potrebné vziať do úvahy všetky hydrodynamické a tepelné vlastnosti atmosféry. Na zemskom povrchu v blízkosti rovníka, kde je vplyv slapových výkyvov maximálny, poskytuje zmenu atmosférického tlaku o 0,1 %. Rýchlosť prílivového vetra je cca. 0,3 km/h. Zložitou tepelnou štruktúrou atmosféry (najmä prítomnosťou minimálnej teploty v mezopauze) dochádza k zosilneniu prílivových prúdov vzduchu a napríklad vo výške 70 km je ich rýchlosť približne 160-krát vyššia ako rýchlosť prúdenia vzduchu. zemského povrchu, čo má dôležité geofyzikálne dôsledky. Predpokladá sa, že v spodnej časti ionosféry (vrstva E) slapové výkyvy posúvajú ionizovaný plyn vertikálne v magnetickom poli Zeme, a preto tu vznikajú elektrické prúdy. Tieto neustále vznikajúce sústavy prúdov na zemskom povrchu vznikajú poruchami v magnetickom poli. Denné zmeny magnetického poľa sú v pomerne dobrej zhode s vypočítanými hodnotami, čo poskytuje presvedčivý dôkaz v prospech teórie slapových mechanizmov „atmosférického dynama“. Elektrické prúdy vznikajúce v spodnej časti ionosféry (vrstva E) musia niekam putovať, a preto je potrebné okruh doplniť. Analógia s dynamom je úplná, ak nadchádzajúci pohyb považujeme za prácu motora. Predpokladá sa, že k spätnej cirkulácii elektrického prúdu dochádza vo vyššej vrstve ionosféry (F) a tento protiprúd môže vysvetľovať niektoré zvláštne črty tejto vrstvy. Nakoniec, prílivový efekt by mal generovať aj horizontálne toky vo vrstve E a teda vo vrstve F.
Ionosféra. Pokúšajú sa vysvetliť mechanizmus výskytu polárnej žiary vedci 19. storočia. navrhol, že v atmosfére existuje zóna s elektricky nabitými časticami. V 20. storočí boli experimentálne získané presvedčivé dôkazy o existencii vrstvy, ktorá odráža rádiové vlny, vo výškach 85 až 400 km. Dnes je známe, že jeho elektrické vlastnosti sú výsledkom ionizácie atmosférického plynu. Preto sa táto vrstva zvyčajne nazýva ionosféra. Účinok na rádiové vlny nastáva najmä v dôsledku prítomnosti voľných elektrónov v ionosfére, aj keď mechanizmus šírenia rádiových vĺn je spojený s prítomnosťou veľkých iónov. Posledne menované sú tiež zaujímavé pri štúdiu chemických vlastností atmosféry, pretože sú aktívnejšie ako neutrálne atómy a molekuly. Chemické reakcie prebiehajúce v ionosfére hrajú dôležitú úlohu v jej energetickej a elektrickej rovnováhe.
Normálna ionosféra. Pozorovania uskutočnené pomocou geofyzikálnych rakiet a satelitov poskytli množstvo nových informácií, ktoré naznačujú, že k ionizácii atmosféry dochádza pod vplyvom širokého spektra slnečného žiarenia. Jeho hlavná časť (viac ako 90 %) je sústredená vo viditeľnej časti spektra. Ultrafialové žiarenie, ktoré má kratšiu vlnovú dĺžku a vyššiu energiu ako fialové svetelné lúče, je emitované vodíkom vo vnútornej atmosfére Slnka (chromosféra) a röntgenové žiarenie, ktoré má ešte vyššiu energiu, je emitované plynmi vo vonkajšom obale Slnka. (koróna). Normálny (priemerný) stav ionosféry je spôsobený konštantným silným žiarením. V normálnej ionosfére dochádza v dôsledku dennej rotácie Zeme a sezónnych rozdielov v uhle dopadu slnečných lúčov na poludnie k pravidelným zmenám, ale dochádza aj k nepredvídateľným a náhlym zmenám stavu ionosféry.
Poruchy v ionosfére. Ako je známe, na Slnku sa vyskytujú silné cyklicky sa opakujúce poruchy, ktoré dosahujú maximum každých 11 rokov. Pozorovania v rámci programu International Geophysical Year (IGY) sa zhodovali s obdobím najvyššej slnečnej aktivity za celé obdobie systematických meteorologických pozorovaní, t.j. zo začiatku 18. storočia. Počas obdobia vysokej aktivity sa jas niektorých oblastí na Slnku niekoľkonásobne zvýši a tie vysielajú silné impulzy ultrafialového a röntgenového žiarenia. Takéto javy sa nazývajú slnečné erupcie. Trvajú od niekoľkých minút do jednej až dvoch hodín. Počas erupcie dochádza k erupcii slnečného plynu (väčšinou protónov a elektrónov) a elementárne častice sa rútia do vesmíru. Elektromagnetické a korpuskulárne žiarenie zo Slnka počas takýchto erupcií má silný vplyv na zemskú atmosféru. Počiatočná reakcia sa pozoruje 8 minút po vzplanutí, keď Zem dosiahne intenzívne ultrafialové a röntgenové žiarenie. V dôsledku toho sa ionizácia prudko zvyšuje; Röntgenové lúče prenikajú atmosférou až k spodnej hranici ionosféry; počet elektrónov v týchto vrstvách narastá natoľko, že rádiové signály sú takmer úplne absorbované („zhasnuté“). Dodatočná absorpcia žiarenia spôsobuje zahrievanie plynu, čo prispieva k rozvoju vetrov. Ionizovaný plyn je elektrický vodič a pri jeho pohybe v magnetickom poli Zeme dochádza k dynamoefektu a vzniká elektrický prúd. Takéto prúdy môžu zase spôsobiť citeľné poruchy v magnetickom poli a prejaviť sa vo forme magnetických búrok. Táto počiatočná fáza trvá len krátky čas, ktorý zodpovedá trvaniu slnečnej erupcie. Počas silných erupcií na Slnku sa prúd zrýchlených častíc rúti do vesmíru. Keď je nasmerovaný k Zemi, začína sa druhá fáza, ktorá má veľký vplyv na stav atmosféry. Mnohé prírodné javy, z ktorých najznámejšie sú polárne žiary, naznačujú, že na Zem dopadá značný počet nabitých častíc (pozri tiež AURORAURAL). Procesy oddeľovania týchto častíc od Slnka, ich trajektórie v medziplanetárnom priestore a mechanizmy interakcie s magnetickým poľom Zeme a magnetosférou však ešte nie sú dostatočne preštudované. Problém sa skomplikoval po tom, čo v roku 1958 objavil James Van Allen škrupiny pozostávajúce z nabitých častíc, ktoré drží geomagnetické pole. Tieto častice sa pohybujú z jednej pologule na druhú a otáčajú sa v špirálach okolo magnetických siločiar. V blízkosti Zeme sa vo výške závislej od tvaru siločiar a energie častíc nachádzajú „body odrazu“, v ktorých častice menia smer pohybu na opačný (obr. 3). Pretože sila magnetického poľa so vzdialenosťou od Zeme klesá, dráhy, po ktorých sa tieto častice pohybujú, sú trochu skreslené: elektróny sú vychyľované na východ a protóny na západ. Preto sú distribuované vo forme pásov po celej zemeguli.

Niektoré dôsledky zahrievania atmosféry Slnkom. Slnečná energia ovplyvňuje celú atmosféru. Pásy tvorené nabitými časticami v magnetickom poli Zeme a rotujúce okolo neho už boli spomenuté vyššie. Najbližšie k zemskému povrchu sa tieto pásy približujú v subpolárnych oblastiach (pozri obr. 3), kde sú pozorované polárne žiary. Obrázok 1 ukazuje, že v aurorálnych oblastiach v Kanade sú teploty termosféry výrazne vyššie ako v juhozápadných Spojených štátoch. Je pravdepodobné, že zachytené častice uvoľnia časť svojej energie do atmosféry, najmä pri zrážke s molekulami plynu v blízkosti bodov odrazu, a opustia svoje predchádzajúce dráhy. Takto sa zahrievajú vysoké vrstvy atmosféry v polárnej zóne. Ďalší dôležitý objav sa podaril pri štúdiu obežných dráh umelých satelitov. Luigi Iacchia, astronóm zo Smithsonian Astrophysical Observatory, sa domnieva, že mierne odchýlky na týchto dráhach sú spôsobené zmenami v hustote atmosféry, keď ju ohrieva Slnko. Navrhol existenciu maximálnej hustoty elektrónov vo výške viac ako 200 km v ionosfére, ktorá nezodpovedá slnečnému poludniu, ale vplyvom trecích síl sa oproti nej oneskorí asi o dve hodiny. V tomto čase sú hodnoty hustoty atmosféry typické pre nadmorskú výšku 600 km na úrovni cca. 950 km. Okrem toho maximálna hustota elektrónov podlieha nepravidelným výkyvom v dôsledku krátkodobých zábleskov ultrafialového a röntgenového žiarenia zo Slnka. L. Iacchia tiež objavil krátkodobé kolísanie hustoty vzduchu, zodpovedajúce slnečným erupciám a poruchám magnetického poľa. Tieto javy sa vysvetľujú vnikaním častíc slnečného pôvodu do zemskej atmosféry a zahrievaním tých vrstiev, kde obiehajú satelity.
ATMOSFÉRICKÁ ELEKTRINA
V povrchovej vrstve atmosféry je malá časť molekúl vystavená ionizácii pod vplyvom kozmického žiarenia, žiarenia z rádioaktívnych hornín a produktov rozpadu rádia (hlavne radónu) v samotnom vzduchu. Počas ionizácie atóm stráca elektrón a získava kladný náboj. Voľný elektrón sa rýchlo spojí s iným atómom a vytvorí záporne nabitý ión. Takéto spárované pozitívne a negatívne ióny majú molekulovú veľkosť. Molekuly v atmosfére majú tendenciu sa zhlukovať okolo týchto iónov. Niekoľko molekúl kombinovaných s iónom tvorí komplex, ktorý sa zvyčajne nazýva „ľahký ión“. Atmosféra obsahuje aj komplexy molekúl, v meteorológii známe ako kondenzačné jadrá, okolo ktorých, keď je vzduch nasýtený vlhkosťou, začína proces kondenzácie. Tieto jadrá sú častice soli a prachu, ako aj znečisťujúce látky uvoľňované do ovzdušia z priemyselných a iných zdrojov. Ľahké ióny sa často viažu na takéto jadrá a vytvárajú „ťažké ióny“. Pod vplyvom elektrického poľa sa ľahké a ťažké ióny presúvajú z jednej oblasti atmosféry do druhej a prenášajú elektrické náboje. Hoci atmosféra nie je všeobecne považovaná za elektricky vodivú, má určitú vodivosť. Preto nabité teleso ponechané vo vzduchu pomaly stráca svoj náboj. Atmosférická vodivosť sa zvyšuje s nadmorskou výškou v dôsledku zvýšenej intenzity kozmického žiarenia, zníženej straty iónov pri nižšom tlaku (a teda dlhšej strednej voľnej dráhy) a menšieho počtu ťažkých jadier. Atmosférická vodivosť dosahuje maximálnu hodnotu vo výške cca. 50 km, tzv „úroveň kompenzácie“. Je známe, že medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je konštantný potenciálny rozdiel niekoľko stoviek kilovoltov, t.j. konštantné elektrické pole. Ukázalo sa, že potenciálny rozdiel medzi určitým bodom nachádzajúcim sa vo vzduchu vo výške niekoľkých metrov a povrchom Zeme je veľmi veľký – viac ako 100 V. Atmosféra má kladný náboj a zemský povrch je nabitý záporne. . Keďže elektrické pole je oblasť, v ktorej každom bode je určitá hodnota potenciálu, môžeme hovoriť o potenciálnom gradiente. Za jasného počasia je intenzita elektrického poľa atmosféry takmer konštantná. V dôsledku rozdielov v elektrickej vodivosti vzduchu v povrchovej vrstve podlieha potenciálový gradient denným výkyvom, ktorých priebeh sa v jednotlivých miestach výrazne líši. Pri absencii miestnych zdrojov znečistenia ovzdušia – nad oceánmi, vysoko v horách alebo v polárnych oblastiach – je denná variácia gradientu potenciálu za jasného počasia rovnaká. Veľkosť gradientu závisí od univerzálneho alebo greenwichského priemeru času (UT) a dosahuje maximum o 19 hodinách. E. Appleton naznačil, že táto maximálna elektrická vodivosť sa pravdepodobne zhoduje s najväčšou búrkovou aktivitou na planetárnom meradle. Údery bleskov počas búrok nesú na zemský povrch záporný náboj, keďže základne najaktívnejších oblakov typu cumulonimbus majú výrazný záporný náboj. Vrcholy búrkových oblakov majú kladný náboj, ktorý podľa výpočtov Holzera a Saxona pri búrkach odteká z ich vrchov. Bez neustáleho dopĺňania by bol náboj na zemskom povrchu neutralizovaný atmosférickou vodivosťou. Predpoklad, že potenciálny rozdiel medzi zemským povrchom a „kompenzačnou úrovňou“ je udržiavaný búrkami, je podporený štatistickými údajmi. Napríklad maximálny počet búrok sa pozoruje v údolí rieky. Amazonky. Najčastejšie sa tam búrky vyskytujú na konci dňa, t.j. OK. 19:00 Greenwichský čas, kedy je potenciálny gradient kdekoľvek na svete maximálny. Okrem toho sezónne variácie v tvare denných variačných kriviek potenciálneho gradientu sú tiež v úplnom súlade s údajmi o globálnom rozložení búrok. Niektorí vedci tvrdia, že zdroj elektrického poľa Zeme môže byť vonkajšieho pôvodu, pretože sa predpokladá, že elektrické polia existujú v ionosfére a magnetosfére. Táto okolnosť pravdepodobne vysvetľuje výskyt veľmi úzkych pretiahnutých foriem polárnych žiaroviek, podobných kulisám a oblúkom
(pozri tiež SVETLÁ AURORA). V dôsledku prítomnosti potenciálneho gradientu a vodivosti atmosféry sa nabité častice začínajú pohybovať medzi „kompenzačnou úrovňou“ a zemským povrchom: kladne nabité ióny smerom k zemskému povrchu a záporne nabité smerom nahor. Sila tohto prúdu je cca. 1800 A. Hoci sa táto hodnota zdá byť veľká, treba mať na pamäti, že je rozložená po celom povrchu Zeme. Sila prúdu v stĺpci vzduchu so základnou plochou 1 m2 je len 4 * 10 -12 A. Na druhej strane sila prúdu pri výboji blesku môže dosiahnuť niekoľko ampérov, aj keď, samozrejme, napr. výboj má krátke trvanie - od zlomku sekundy po celú sekundu alebo o niečo viac s opakovanými výbojmi. Blesk je veľmi zaujímavý nielen ako svojrázny prírodný úkaz. Umožňuje pozorovať elektrický výboj v plynnom prostredí pri napätí niekoľko stoviek miliónov voltov a vzdialenosti medzi elektródami niekoľko kilometrov. V roku 1750 B. Franklin navrhol Kráľovskej spoločnosti v Londýne uskutočniť experiment so železnou tyčou namontovanou na izolačnom podstavci a namontovanou na vysokej veži. Očakával, že keď sa búrkový mrak približuje k veži, náboj opačného znamenia sa sústredí na hornom konci pôvodne neutrálnej tyče a náboj rovnakého znamenia ako na základni oblaku sa koncentruje na spodnom konci. . Ak sa intenzita elektrického poľa pri výboji blesku dostatočne zvýši, náboj z horného konca tyče bude čiastočne prúdiť do vzduchu a tyč získa náboj rovnakého znamienka ako základňa oblaku. Franklinom navrhovaný experiment sa neuskutočnil v Anglicku, ale uskutočnil ho v roku 1752 v Marly pri Paríži francúzsky fyzik Jean d'Alembert Použil železnú tyč dlhú 12 m vloženú do sklenenej fľaše (ktorá slúžila ako izolátor), ale neumiestnil ho na vežu. 10. mája jeho asistent oznámil, že keď bol búrkový mrak nad činkou, vytvárali sa iskry, keď sa k nej priviedol uzemnený drôt. Franklin sám nevedel o úspešnom experimente vykonanom vo Francúzsku , v júni toho istého roku uskutočnil svoj slávny pokus s drakom a pozoroval elektrické iskry na konci drôtu, ktorý je k nemu priviazaný. Nasledujúci rok pri štúdiu nábojov zozbieraných z tyče Franklin zistil, že základne mrakov sú zvyčajne negatívne nabité. Podrobnejšie štúdium blesku bolo možné koncom 19. storočia vďaka zdokonaleniu fotografickej techniky, najmä po vynájdení prístroja s rotačnými šošovkami, ktorý umožnil zaznamenávať rýchlo sa rozvíjajúce procesy. Tento typ kamery bol široko používaný pri štúdiu iskrových výbojov. Zistilo sa, že existuje niekoľko druhov bleskov, pričom najbežnejšie sú čiarové, rovinné (v oblakoch) a guľové (vzduchové výboje). Lineárny blesk je iskrový výboj medzi oblakom a zemským povrchom, ktorý sleduje kanál s vetvami smerujúcimi nadol. Ploché blesky sa vyskytujú v búrkovom oblaku a objavujú sa ako záblesky rozptýleného svetla. Vzduchové výboje guľového blesku, vychádzajúce z búrkového mraku, sú často smerované horizontálne a nedosahujú zemský povrch.

Výboj blesku zvyčajne pozostáva z troch alebo viacerých opakovaných výbojov - impulzov sledujúcich rovnakú dráhu. Intervaly medzi po sebe nasledujúcimi impulzmi sú veľmi krátke, od 1/100 do 1/10 s (to spôsobuje blikanie blesku). Vo všeobecnosti trvá blesk približne sekundu alebo menej. Typický proces vývoja blesku možno opísať nasledovne. Najprv sa zhora na zemský povrch vyrúti slabo svietiaci vodiaci výboj. Keď ho dosiahne, jasne žiariaci spätný alebo hlavný výboj prechádza zo zeme nahor cez kanál, ktorý položil vodca. Vedúci výboj sa spravidla pohybuje cik-cak. Rýchlosť jeho šírenia sa pohybuje od sto do niekoľkých stoviek kilometrov za sekundu. Na svojej ceste ionizuje molekuly vzduchu a vytvára kanál so zvýšenou vodivosťou, cez ktorý sa spätný výboj pohybuje nahor rýchlosťou približne stokrát väčšou ako je rýchlosť vedúceho výboja. Veľkosť kanála je ťažké určiť, ale priemer vodiaceho výboja sa odhaduje na 1-10 m a priemer spätného výboja je niekoľko centimetrov. Výboje blesku vytvárajú rádiové rušenie vyžarovaním rádiových vĺn v širokom rozsahu – od 30 kHz po ultra nízke frekvencie. Najväčšia emisia rádiových vĺn je pravdepodobne v rozsahu od 5 do 10 kHz. Takéto nízkofrekvenčné rádiové rušenie sa „koncentruje“ v priestore medzi spodnou hranicou ionosféry a zemským povrchom a môže sa šíriť do vzdialeností tisícok kilometrov od zdroja.
ZMENY V ATMOSFÉRE
Vplyv meteorov a meteoritov. Hoci meteorické roje niekedy vytvárajú dramatické zobrazenie svetla, jednotlivé meteory vidno len zriedka. Oveľa početnejšie sú neviditeľné meteory, príliš malé na to, aby boli viditeľné, keď sa absorbujú do atmosféry. Niektoré z najmenších meteorov sa pravdepodobne vôbec nezohrievajú, ale sú zachytené iba atmosférou. Tieto malé častice s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do desať tisícin milimetra sa nazývajú mikrometeority. Množstvo meteorického materiálu vstupujúceho do atmosféry každý deň sa pohybuje od 100 do 10 000 ton, pričom väčšina tohto materiálu pochádza z mikrometeoritov. Keďže meteorická hmota čiastočne horí v atmosfére, jej zloženie plynu je doplnené stopami rôznych chemických prvkov. Napríklad skalné meteory vnášajú do atmosféry lítium. Spaľovanie kovových meteorov vedie k tvorbe drobných guľovitých železných, železo-niklových a iných kvapôčok, ktoré prechádzajú atmosférou a usadzujú sa na zemskom povrchu. Možno ich nájsť v Grónsku a Antarktíde, kde ľadové štíty zostávajú roky takmer nezmenené. Oceánológovia ich nachádzajú v sedimentoch dna oceánov. Väčšina meteorických častíc vstupujúcich do atmosféry sa usadí približne do 30 dní. Niektorí vedci sa domnievajú, že tento kozmický prach hrá dôležitú úlohu pri vytváraní atmosférických javov, ako je dážď, pretože slúži ako kondenzačné jadrá pre vodnú paru. Preto sa predpokladá, že zrážky štatisticky súvisia s veľkými meteorickými rojmi. Niektorí odborníci sa však domnievajú, že vzhľadom na to, že celková zásoba meteorického materiálu je mnohonásobne väčšia ako pri najväčšom meteorickom roji, možno zanedbať zmenu celkového množstva tohto materiálu v dôsledku jedného takéhoto dažďa. Niet však pochýb o tom, že najväčšie mikrometeority a samozrejme viditeľné meteority zanechávajú dlhé stopy po ionizácii vo vysokých vrstvách atmosféry, najmä v ionosfére. Takéto stopy sa môžu použiť na rádiovú komunikáciu na veľké vzdialenosti, pretože odrážajú vysokofrekvenčné rádiové vlny. Energia meteorov vstupujúcich do atmosféry sa vynakladá hlavne a možno úplne na jej zahrievanie. Toto je jedna z vedľajších zložiek tepelnej rovnováhy atmosféry.
Oxid uhličitý priemyselného pôvodu. V období karbónu bola na Zemi rozšírená drevinová vegetácia. Väčšina oxidu uhličitého absorbovaného rastlinami sa v tom čase nahromadila v uhoľných ložiskách a ropných sedimentoch. Človek sa naučil využívať obrovské zásoby týchto minerálov ako zdroj energie a teraz rýchlo vracia oxid uhličitý do kolobehu látok. Fosílny stav je pravdepodobne cca. 4*10 13 ton uhlíka. Za posledné storočie ľudstvo spálilo toľko fosílnych palív, že približne 4*10 11 ton uhlíka sa znovu dostalo do atmosféry. V súčasnosti je cca. 2 * 10 12 ton uhlíka a v najbližších sto rokoch v dôsledku spaľovania fosílnych palív sa toto číslo môže zdvojnásobiť. Nie všetok uhlík však zostane v atmosfére: časť sa rozpustí vo vodách oceánu, časť pohltí rastliny a časť sa viaže v procese zvetrávania hornín. Zatiaľ nie je možné predpovedať, koľko oxidu uhličitého bude obsiahnutých v atmosfére, ani aký presne to bude mať vplyv na globálnu klímu. Predpokladá sa však, že akékoľvek zvýšenie jeho obsahu spôsobí otepľovanie, aj keď vôbec nie je potrebné, aby akékoľvek oteplenie výrazne ovplyvňovalo klímu. Koncentrácia oxidu uhličitého v atmosfére podľa výsledkov meraní citeľne stúpa, aj keď pomalým tempom. Klimatické údaje pre Svalbard a stanicu Little America na Rossovom ľadovom šelfe v Antarktíde naznačujú nárast priemerných ročných teplôt o 5 °C a 2,5 °C, v uvedenom poradí, za približne 50-ročné obdobie.
Vystavenie kozmickému žiareniu. Pri interakcii vysokoenergetického kozmického žiarenia s jednotlivými zložkami atmosféry vznikajú rádioaktívne izotopy. Medzi nimi vyniká izotop uhlíka 14C, ktorý sa hromadí v rastlinných a živočíšnych tkanivách. Meraním rádioaktivity organických látok, ktoré si dlho nevymieňali uhlík s okolím, možno určiť ich vek. Rádiokarbónová metóda sa etablovala ako najspoľahlivejšia metóda datovania fosílnych organizmov a predmetov hmotnej kultúry, ktorých vek nepresahuje 50 tisíc rokov. Iné rádioaktívne izotopy s dlhým polčasom rozpadu možno použiť na datovanie materiálov starých stovky tisíc rokov, ak sa podarí vyriešiť základnú výzvu merania extrémne nízkych úrovní rádioaktivity.
(pozri aj RÁDIOuhlíková zoznamka).
VZNIK ATMOSFÉRY ZEME
História vzniku atmosféry ešte nie je úplne spoľahlivo zrekonštruovaná. Napriek tomu boli identifikované niektoré pravdepodobné zmeny v jeho zložení. Tvorba atmosféry začala hneď po sformovaní Zeme. Existujú celkom dobré dôvody domnievať sa, že v procese vývoja Zeme a jej nadobúdania rozmerov a hmotnosti blízkych moderným takmer úplne stratila svoju pôvodnú atmosféru. Predpokladá sa, že v ranom štádiu bola Zem v roztavenom stave a cca. Pred 4,5 miliardami rokov sa sformoval do pevného telesa. Tento míľnik sa považuje za začiatok geologickej chronológie. Odvtedy došlo k pomalému vývoju atmosféry. Niektoré geologické procesy, ako napríklad vylievanie lávy pri sopečných erupciách, boli sprevádzané uvoľňovaním plynov z útrob Zeme. Pravdepodobne medzi ne patril dusík, čpavok, metán, vodná para, oxid uhoľnatý a oxid. Vplyvom slnečného ultrafialového žiarenia sa vodná para rozložila na vodík a kyslík, no uvoľnený kyslík reagoval s oxidom uhoľnatým za vzniku oxidu uhličitého. Amoniak sa rozkladá na dusík a vodík. Počas procesu difúzie vodík stúpal a opúšťal atmosféru a ťažší dusík sa nedokázal odparovať a postupne sa hromadil, stal sa jeho hlavnou zložkou, hoci časť z neho bola viazaná pri chemických reakciách. Vplyvom ultrafialových lúčov a elektrických výbojov vstúpila zmes plynov, ktoré sa pravdepodobne nachádzali v pôvodnej atmosfére Zeme, do chemických reakcií, ktoré viedli k tvorbe organických látok, najmä aminokyselín. V dôsledku toho mohol život vzniknúť v atmosfére zásadne odlišnej od tej modernej. S príchodom primitívnych rastlín sa začal proces fotosyntézy (pozri aj FOTOSYNTÉZA), sprevádzaný uvoľňovaním voľného kyslíka. Tento plyn, najmä po difúzii do vyšších vrstiev atmosféry, začal chrániť jej spodné vrstvy a povrch Zeme pred životu nebezpečným ultrafialovým a röntgenovým žiarením. Odhaduje sa, že prítomnosť iba 0,00004 moderného objemu kyslíka by mohla viesť k vytvoreniu vrstvy s polovičnou koncentráciou ozónu, ktorá napriek tomu poskytovala veľmi významnú ochranu pred ultrafialovým žiarením. Je tiež pravdepodobné, že primárna atmosféra obsahovala veľa oxidu uhličitého. Spotreboval sa pri fotosyntéze a jeho koncentrácia musela klesať s vývojom sveta rastlín a tiež v dôsledku absorpcie počas určitých geologických procesov. Keďže skleníkový efekt súvisí s prítomnosťou oxidu uhličitého v atmosfére, niektorí vedci sa domnievajú, že kolísanie jeho koncentrácie je jednou z dôležitých príčin rozsiahlych klimatických zmien v histórii Zeme, akými boli napríklad doby ľadové. Hélium prítomné v modernej atmosfére je pravdepodobne z veľkej časti produktom rádioaktívneho rozpadu uránu, tória a rádia. Tieto rádioaktívne prvky emitujú častice alfa, ktoré sú jadrami atómov hélia. Keďže počas rádioaktívneho rozpadu nevzniká ani nestráca žiadny elektrický náboj, na každú alfa časticu pripadajú dva elektróny. V dôsledku toho sa s nimi spája a vytvára neutrálne atómy hélia. Rádioaktívne prvky obsahujú minerály rozptýlené v horninách, takže značná časť hélia vzniknutého v dôsledku rádioaktívneho rozpadu sa v nich zadržiava a veľmi pomaly uniká do atmosféry. Určité množstvo hélia stúpa v dôsledku difúzie smerom nahor do exosféry, ale vďaka neustálemu prílevu zo zemského povrchu je objem tohto plynu v atmosfére konštantný. Na základe spektrálnej analýzy hviezdneho svetla a štúdia meteoritov je možné odhadnúť relatívne zastúpenie rôznych chemických prvkov vo vesmíre. Koncentrácia neónu vo vesmíre je asi desaťmiliardkrát vyššia ako na Zemi, kryptónu desaťmiliónkrát a xenónu miliónkrát. Z toho vyplýva, že koncentrácia týchto inertných plynov, ktoré sa pôvodne nachádzali v zemskej atmosfére a počas chemických reakcií sa nedopĺňali, výrazne klesla, pravdepodobne aj v štádiu straty primárnej atmosféry Zeme. Výnimkou je inertný plyn argón, keďže vo forme izotopu 40Ar vzniká ešte pri rádioaktívnom rozpade izotopu draslíka.
OPTICKÉ JAMY
Rozmanitosť optických javov v atmosfére je spôsobená rôznymi dôvodmi. Medzi najbežnejšie javy patria blesky (pozri vyššie) a veľmi efektné severné a južné polárne žiary (pozri tiež AURORA). Okrem toho sú zaujímavé najmä dúha, gal, parhelium (falošné slnko) a oblúky, koróna, halo a Brockenovci, fatamorgány, ohne svätého Elma, svetelné oblaky, zelené a súmračné lúče. Dúha je najkrajší atmosférický úkaz. Zvyčajne ide o obrovský oblúk pozostávajúci z viacfarebných pruhov, ktorý sa pozoruje, keď Slnko osvetľuje iba časť oblohy a vzduch je nasýtený kvapkami vody, napríklad počas dažďa. Viacfarebné oblúky sú usporiadané v spektrálnej sekvencii (červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová), ale farby nie sú takmer nikdy čisté, pretože pruhy sa navzájom prekrývajú. Fyzikálne vlastnosti dúh sa spravidla výrazne líšia, a preto majú veľmi rôznorodý vzhľad. Ich spoločným znakom je, že stred oblúka sa vždy nachádza na priamke vedenej od Slnka k pozorovateľovi. Hlavná dúha je oblúk pozostávajúci z najjasnejších farieb - červenej zvonka a fialovej zvnútra. Niekedy je viditeľný iba jeden oblúk, ale často sa na vonkajšej strane hlavnej dúhy objaví sekundárny. Nemá také jasné farby ako prvý a červené a fialové pruhy v ňom menia miesta: červený sa nachádza zvnútra. Vznik hlavnej dúhy sa vysvetľuje dvojitým lomom (pozri aj OPTIKA) a jednoduchým vnútorným odrazom slnečných lúčov (pozri obr. 5). Vniknutím do kvapky vody (A) sa lúč svetla láme a rozkladá, ako keby prechádzal hranolom. Potom dosiahne protiľahlý povrch kvapky (B), odrazí sa od nej a kvapku opustí vonku (C). V tomto prípade sa svetelný lúč druhýkrát láme, kým sa dostane k pozorovateľovi. Počiatočný biely lúč sa rozloží na lúče rôznych farieb s uhlom divergencie 2°. Pri vzniku sekundárnej dúhy dochádza k dvojitému lomu a dvojitému odrazu slnečných lúčov (pozri obr. 6). V tomto prípade sa svetlo láme, preniká do kvapky jej spodnou časťou (A) a odráža sa od vnútorného povrchu kvapky najskôr v bode B, potom v bode C. V bode D sa svetlo láme, ponechanie kvapky smerom k pozorovateľovi.

Pri východe a západe slnka pozorovateľ vidí dúhu vo forme oblúka rovnajúceho sa polovici kruhu, pretože os dúhy je rovnobežná s horizontom. Ak je Slnko vyššie nad obzorom, oblúk dúhy je menší ako polovica obvodu. Keď Slnko vystúpi nad 42° nad obzor, dúha zmizne. Všade, okrem vysokých zemepisných šírok, sa dúha nemôže objaviť na poludnie, keď je Slnko príliš vysoko. Je zaujímavé odhadnúť vzdialenosť k dúhe. Hoci sa viacfarebný oblúk zdá byť umiestnený v rovnakej rovine, je to ilúzia. V skutočnosti má dúha obrovskú hĺbku a možno si ju predstaviť ako povrch dutého kužeľa, na vrchole ktorého sa nachádza pozorovateľ. Os kužeľa spája Slnko, pozorovateľa a stred dúhy. Pozorovateľ vyzerá akoby pozdĺž povrchu tohto kužeľa. Žiadni dvaja ľudia nikdy nemôžu vidieť presne tú istú dúhu. Samozrejme, môžete pozorovať v podstate rovnaký efekt, ale dve dúhy zaberajú rôzne polohy a sú tvorené rôznymi kvapôčkami vody. Keď dážď alebo spŕška vytvorí dúhu, úplný optický efekt sa dosiahne kombinovaným účinkom všetkých kvapiek vody prechádzajúcich povrchom dúhového kužeľa s pozorovateľom na vrchole. Úloha každej kvapky je pominuteľná. Povrch dúhového kužeľa pozostáva z niekoľkých vrstiev. Keď ich rýchlo prekročíte a prejdete cez sériu kritických bodov, každá kvapka okamžite rozloží slnečný lúč na celé spektrum v presne definovanom poradí – od červenej po fialovú. Mnoho kvapiek pretína povrch kužeľa rovnakým spôsobom, takže dúha sa pozorovateľovi javí ako súvislá pozdĺž aj naprieč jeho oblúka. Halo sú biele alebo dúhové svetelné oblúky a kruhy okolo disku Slnka alebo Mesiaca. Vznikajú v dôsledku lomu alebo odrazu svetla ľadovými alebo snehovými kryštálmi v atmosfére. Kryštály, ktoré tvoria halo, sa nachádzajú na povrchu imaginárneho kužeľa s osou smerujúcou od pozorovateľa (z vrcholu kužeľa) k Slnku. Za určitých podmienok môže byť atmosféra nasýtená malými kryštálmi, ktorých mnohé tváre zvierajú pravý uhol s rovinou prechádzajúcou Slnkom, pozorovateľom a týmito kryštálmi. Takéto tváre odrážajú prichádzajúce svetelné lúče s odchýlkou ​​22° a vytvárajú halo, ktoré je zvnútra červenkasté, ale môže pozostávať aj zo všetkých farieb spektra. Menej časté je halo s uhlovým polomerom 46°, umiestnené sústredne okolo 22° halo. Jeho vnútorná strana má tiež červenkastý odtieň. Dôvodom je aj lom svetla, ktorý sa v tomto prípade vyskytuje na hranách kryštálov zvierajúcich pravé uhly. Šírka prstenca takéhoto halo presahuje 2,5°. 46-stupňové aj 22-stupňové halo majú tendenciu byť najjasnejšie v hornej a dolnej časti prstenca. Zriedkavé 90-stupňové halo je slabo svietiaci, takmer bezfarebný prstenec, ktorý má spoločný stred s dvoma ďalšími halo. Ak je farebný, bude mať na vonkajšej strane prsteňa červenú farbu. Mechanizmus výskytu tohto typu halo nie je úplne objasnený (obr. 7).

Parhelia a oblúky. Parhelický kruh (alebo kruh falošných sĺnk) je biely prstenec so stredom v zenitovom bode, ktorý prechádza cez Slnko rovnobežne s horizontom. Dôvodom jeho vzniku je odraz slnečného žiarenia od okrajov povrchov ľadových kryštálikov. Ak sú kryštály dostatočne rovnomerne rozložené vo vzduchu, je viditeľný celý kruh. Parhelia alebo falošné slnká sú jasne svietiace škvrny pripomínajúce Slnko, ktoré sa tvoria v priesečníkoch parhelického kruhu so svätožiarmi s uhlovými polomermi 22°, 46° a 90°. Najčastejšie sa vyskytujúce a najjasnejšie parhélium sa tvorí na priesečníku s 22-stupňovým halo, zvyčajne zafarbené takmer v každej farbe dúhy. Falošné slnká na priesečníkoch so 46- a 90-stupňovými haló sú pozorované oveľa menej často. Parheliá, ktoré sa vyskytujú na priesečníkoch s 90-stupňovými halo, sa nazývajú parantélia alebo falošné protislnká. Niekedy je viditeľné aj antelium (proti slnku) - jasná škvrna umiestnená na prstenci parhelia presne oproti Slnku. Predpokladá sa, že príčinou tohto javu je dvojitý vnútorný odraz slnečného svetla. Odrazený lúč sleduje rovnakú dráhu ako dopadajúci lúč, ale v opačnom smere. Oblúk blízko zenitu, niekedy nesprávne nazývaný horný tangentový oblúk 46-stupňového halo, je oblúk 90° alebo menej so stredom v zenite, ktorý sa nachádza približne 46° nad Slnkom. Je zriedka viditeľná a len na niekoľko minút, má jasné farby, pričom červená farba je obmedzená na vonkajšiu stranu oblúka. Oblúk blízko zenitu je pozoruhodný svojou farbou, jasom a jasnými obrysmi. Ďalším zaujímavým a veľmi zriedkavým optickým efektom typu halo je Lowitzov oblúk. Vznikajú ako pokračovanie parhélia v priesečníku s 22-stupňovým halo, vybiehajú z vonkajšej strany halo a sú mierne konkávne smerom k Slnku. Stĺpce belavého svetla, ako rôzne kríže, sú niekedy viditeľné za úsvitu alebo súmraku, najmä v polárnych oblastiach a môžu sprevádzať Slnko aj Mesiac. Občas sú pozorované lunárne halo a iné efekty podobné tým, ktoré sú opísané vyššie, pričom najbežnejšie mesačné halo (prstenec okolo Mesiaca) má uhlový polomer 22°. Rovnako ako falošné slnká môžu vzniknúť falošné mesiace. Koróny alebo koruny sú malé sústredné farebné prstence okolo Slnka, Mesiaca alebo iných jasných objektov, ktoré sa z času na čas pozorujú, keď je zdroj svetla za priesvitnými mrakmi. Polomer koróny je menší ako polomer halo a je cca. 1-5° je modrý alebo fialový prstenec najbližšie k Slnku. Koróna nastane, keď sa svetlo rozptýli malými kvapôčkami vody a vytvorí sa oblak. Niekedy sa koróna javí ako svetelná škvrna (alebo halo) obklopujúca Slnko (alebo Mesiac), ktorá končí červenkastým prstencom. V iných prípadoch sú mimo halo viditeľné aspoň dva sústredné krúžky väčšieho priemeru, veľmi slabo sfarbené. Tento jav sprevádzajú dúhové mraky. Niekedy majú okraje veľmi vysokých oblakov jasné farby.
Gloria (svätožiara). Za zvláštnych podmienok dochádza k neobvyklým atmosférickým javom. Ak je Slnko za pozorovateľom a jeho tieň sa premieta na blízke oblaky alebo clonu hmly, pri určitom stave atmosféry okolo tieňa hlavy človeka môžete vidieť farebný svetelný kruh - halo. Typicky sa takéto halo vytvára odrazom svetla z kvapiek rosy na trávnatom trávniku. Glórie sa tiež pomerne často nachádzajú okolo tieňa vrhaného lietadlom na oblaky pod nimi.
Ghosts of Brocken. V niektorých oblastiach zemegule, keď tieň pozorovateľa nachádzajúceho sa na kopci pri východe alebo západe slnka za ním dopadne na oblaky nachádzajúce sa v krátkej vzdialenosti, odhalí sa pozoruhodný efekt: tieň nadobudne kolosálne rozmery. K tomu dochádza v dôsledku odrazu a lomu svetla malými kvapôčkami vody v hmle. Opísaný jav sa nazýva „Ghost of Brocken“ podľa vrcholu v pohorí Harz v Nemecku.
Mirages- optický efekt spôsobený lomom svetla pri prechode vrstvami vzduchu rôznej hustoty a vyjadrený vo vzhľade virtuálneho obrazu. V tomto prípade sa vzdialené predmety môžu javiť ako zdvihnuté alebo znížené vzhľadom na ich skutočnú polohu a môžu byť tiež zdeformované a nadobúdať nepravidelné fantastické tvary. Zázraky sú často pozorované v horúcom podnebí, napríklad nad piesočnatými pláňami. Nižšie fatamorgány sú bežné, keď vzdialená, takmer plochá púštna hladina nadobúda vzhľad otvorenej vody, najmä pri pohľade z miernej nadmorskej výšky alebo jednoducho umiestnenej nad vrstvou ohriateho vzduchu. Táto ilúzia sa zvyčajne vyskytuje na vyhriatej asfaltovej ceste, ktorá ďaleko vpredu vyzerá ako vodná plocha. V skutočnosti je tento povrch odrazom oblohy. Pod úrovňou očí sa v tejto „vode“ môžu objaviť predmety, zvyčajne hore nohami. Nad zohriatym zemským povrchom sa vytvára „koláč vzduchovej vrstvy“, pričom vrstva najbližšie k zemi je najhorúcejšia a taká riedka, že svetelné vlny, ktoré cez ňu prechádzajú, sú skreslené, pretože rýchlosť ich šírenia sa mení v závislosti od hustoty prostredia. . Horné fatamorgány sú menej bežné a malebnejšie ako spodné. Vzdialené objekty (často sa nachádzajú za morským horizontom) sa na oblohe objavujú hore nohami a niekedy sa hore objaví aj vzpriamený obraz toho istého objektu. Tento jav je typický v chladných oblastiach, najmä pri výraznej teplotnej inverzii, keď je nad chladnejšou vrstvou teplejšia vrstva vzduchu. Tento optický efekt sa prejavuje ako výsledok zložitých vzorov šírenia čela svetelných vĺn vo vrstvách vzduchu s nehomogénnou hustotou. Najmä v polárnych oblastiach sa z času na čas vyskytujú veľmi nezvyčajné fatamorgány. Keď sa fatamorgány vyskytnú na súši, stromy a iné zložky krajiny sú hore nohami. Vo všetkých prípadoch sú objekty viditeľné jasnejšie v horných fatamorgánach ako v dolných. Keď je hranicou dvoch vzduchových hmôt vertikálna rovina, niekedy sa pozorujú bočné fatamorgány.
Oheň svätého Elma. Niektoré optické javy v atmosfére (napríklad žiara a najbežnejší meteorologický jav – blesky) majú elektrický charakter. Oveľa menej bežné sú svetlá sv. Elma - svietiace svetlomodré alebo fialové kefy s dĺžkou od 30 cm do 1 m alebo viac, zvyčajne na vrcholoch stožiarov alebo na koncoch lodeníc na mori. Niekedy sa zdá, že celá takeláž lode je pokrytá fosforom a žiari. Oheň svätého Elma sa niekedy objavuje na vrcholkoch hôr, ako aj na vežiach a ostrých rohoch vysokých budov. Tento jav predstavuje kefové elektrické výboje na koncoch elektrických vodičov, keď sa intenzita elektrického poľa v atmosfére okolo nich výrazne zvyšuje. Will-o'-the-wisps sú slabo modrastá alebo zelenkavá žiara, ktorá sa niekedy pozoruje v močiaroch, cintorínoch a kryptách. Často vyzerajú ako plameň sviečky zdvihnutý asi 30 cm nad zemou, ticho horí, nevydáva žiadne teplo a chvíľu sa vznáša nad predmetom. Svetlo sa zdá byť úplne nepolapiteľné a keď sa pozorovateľ priblíži, zdá sa, že sa presunie na iné miesto. Dôvodom tohto javu je rozklad organických zvyškov a samovznietenie močiarneho plynu metánu (CH4) alebo fosfínu (PH3). Will-o'-the-wisps majú rôzne tvary, niekedy dokonca guľovité. Zelený lúč - záblesk smaragdovo zeleného slnečného svetla v momente, keď posledný lúč Slnka zmizne za obzorom. Červená zložka slnečného svetla zmizne ako prvá, všetky ostatné nasledujú v poradí a posledná zostáva smaragdovo zelená. K tomuto javu dochádza až vtedy, keď nad horizontom zostane len samotný okraj slnečného disku, inak dochádza k miešaniu farieb. Súmračné lúče sú rozbiehajúce sa lúče slnečného svetla, ktoré sa stávajú viditeľnými vďaka osvetleniu prachu vo vysokých vrstvách atmosféry. Tiene oblakov tvoria tmavé pruhy a medzi nimi sa šíria lúče. Tento efekt nastáva, keď je Slnko nízko nad obzorom pred úsvitom alebo po západe slnka.

Modrá planéta...

Táto téma sa mala na stránke objaviť ako jedna z prvých. Vrtuľníky sú predsa atmosférické lietadlá. Zemská atmosféra– takpovediac ich biotop:-). A fyzikálne vlastnosti vzduchu To je presne to, čo určuje kvalitu tohto biotopu :-). To znamená, že toto je jeden zo základných. A vždy najprv píšu o základe. Ale to som si uvedomil až teraz. Ako však viete, je lepšie neskoro ako nikdy... Dotknime sa tohto problému bez toho, aby sme sa dostali do buriny a zbytočných komplikácií :-).

Takže… Zemská atmosféra. Toto je plynný obal našej modrej planéty. Toto meno pozná každý. Prečo modrá? Jednoducho preto, že „modrá“ (rovnako ako modrá a fialová) zložka slnečného svetla (spektrum) sa najlepšie rozptýli v atmosfére, čím ju zafarbí do modrasto-modra, niekedy s nádychom do fialova (samozrejme za slnečného dňa :-)) .

Zloženie zemskej atmosféry.

Zloženie atmosféry je pomerne široké. Nebudem v texte uvádzať všetky zložky, je na to dobrá ilustrácia.Zloženie všetkých týchto plynov je takmer konštantné, s výnimkou oxidu uhličitého (CO 2 ). Okrem toho atmosféra nevyhnutne obsahuje vodu vo forme pary, suspendovaných kvapiek alebo ľadových kryštálikov. Množstvo vody nie je konštantné a závisí od teploty a v menšej miere od tlaku vzduchu. Navyše zemská atmosféra (najmä tá súčasná) obsahuje určité množstvo, povedal by som, „všelijakých nepekných vecí“ :-). Ide o SO 2, NH 3, CO, HCl, NO, okrem toho sú tu ortuťové pary Hg. Pravda, toto všetko je tam chvalabohu v malom množstve :-).

Zemská atmosféra Je zvykom rozdeliť ho do niekoľkých po sebe nasledujúcich zón vo výške nad povrchom.

Prvá, najbližšie k Zemi, je troposféra. Ide o najnižšiu a takpovediac hlavnú vrstvu pre životné aktivity rôzneho typu. Obsahuje 80 % hmotnosti všetkého atmosférického vzduchu (hoci objemovo je to len asi 1 % celej atmosféry) a asi 90 % všetkej atmosférickej vody. Odtiaľ pochádza väčšina všetkých vetrov, oblakov, dažďa a snehu. Troposféra siaha do výšok okolo 18 km v tropických zemepisných šírkach a do 10 km v polárnych šírkach. Teplota vzduchu v ňom klesá s nárastom výšky približne o 0,65º na každých 100 m.

Atmosférické zóny.

Zóna dva – stratosféra. Treba povedať, že medzi troposférou a stratosférou je ďalšia úzka zóna – tropopauza. Zastaví pokles teploty s výškou. Tropopauza má priemernú hrúbku 1,5-2 km, no jej hranice sú nejasné a troposféra často prekrýva stratosféru.

Stratosféra má teda priemernú výšku 12 km až 50 km. Teplota v ňom zostáva nezmenená do 25 km (asi -57ºС), potom niekde do 40 km stúpne na približne 0ºС a potom zostáva nezmenená až do 50 km. Stratosféra je relatívne pokojná časť zemskej atmosféry. Nenachádzajú sa v ňom prakticky žiadne nepriaznivé poveternostné podmienky. Práve v stratosfére sa známa ozónová vrstva nachádza vo výškach od 15-20 km do 55-60 km.

Potom nasleduje malá hraničná vrstva, stratopauza, v ktorej teplota zostáva okolo 0 °C, a ďalšou zónou je mezosféra. Rozprestiera sa do nadmorských výšok 80-90 km a teplota v ňom klesá na približne 80ºC. V mezosfére sa zvyčajne zviditeľnia malé meteory, ktoré v nej začnú žiariť a zhoria tam.

Ďalším úzkym intervalom je mezopauza a za ňou zóna termosféry. Jeho výška je až 700-800 km. Tu teplota začína opäť stúpať a vo výškach okolo 300 km môže dosiahnuť hodnoty rádovo 1200ºС. Potom zostáva konštantný. Vo vnútri termosféry sa do nadmorskej výšky asi 400 km nachádza ionosféra. Vzduch je tu vysoko ionizovaný vplyvom slnečného žiarenia a má vysokú elektrickú vodivosť.

Ďalšou a vo všeobecnosti poslednou zónou je exosféra. Ide o takzvanú rozptylovú zónu. Nachádza sa tu hlavne veľmi riedky vodík a hélium (s prevahou vodíka). Vo výškach okolo 3000 km prechádza exosféra do vákua blízkeho vesmíru.

Niečo také. Prečo približne? Pretože tieto vrstvy sú dosť konvenčné. Možné sú rôzne zmeny nadmorskej výšky, zloženia plynov, vody, teploty, ionizácie atď. Okrem toho existuje mnoho ďalších pojmov, ktoré definujú štruktúru a stav zemskej atmosféry.

Napríklad homosféra a heterosféra. V prvom sú atmosférické plyny dobre premiešané a ich zloženie je celkom homogénne. Druhý je umiestnený nad prvým a prakticky tam nedochádza k takému miešaniu. Plyny v ňom sú oddelené gravitáciou. Hranica medzi týmito vrstvami sa nachádza v nadmorskej výške 120 km a nazýva sa turbopauza.

Skončíme s pojmami, ale určite dodám, že sa bežne uznáva, že hranica atmosféry sa nachádza vo výške 100 km nad morom. Táto hranica sa nazýva Karmanova línia.

Pre ilustráciu štruktúry atmosféry pridám ešte dva obrázky. Prvá je však v nemčine, ale je kompletná a celkom zrozumiteľná :-). Dá sa zväčšiť a jasne vidieť. Druhý ukazuje zmenu atmosférickej teploty s nadmorskou výškou.

Štruktúra zemskej atmosféry.

Teplota vzduchu sa mení s nadmorskou výškou.

Moderné orbitálne kozmické lode s ľudskou posádkou lietajú vo výškach okolo 300-400 km. To už však nie je letectvo, aj keď oblasť, samozrejme, v istom zmysle úzko súvisí a určite si o nej povieme neskôr :-).

Letecká zóna je troposféra. Moderné atmosférické lietadlá môžu lietať aj v nižších vrstvách stratosféry. Napríklad praktický strop MIG-25RB je 23 000 m.

Let v stratosfére.

A presne tak fyzikálne vlastnosti vzduchu Troposféra určuje, aký bude let, ako efektívny bude riadiaci systém lietadla, ako ho ovplyvnia turbulencie v atmosfére a ako budú fungovať motory.

Prvou hlavnou vlastnosťou je teplota vzduchu. V dynamike plynu sa dá určiť na Celziovej stupnici alebo na Kelvinovej stupnici.

Teplota t 1 v danej výške N na stupnici Celzia je určená:

ti = t - 6,5 N, Kde t– teplota vzduchu pri zemi.

Teplota na Kelvinovej stupnici je tzv absolútna teplota, nula na tejto stupnici je absolútna nula. Pri absolútnej nule sa tepelný pohyb molekúl zastaví. Absolútna nula na Kelvinovej stupnici zodpovedá -273º na stupnici Celzia.

Podľa toho aj teplota T na vysokej N na Kelvinovej stupnici je určená:

T = 273 K+ t - 6,5H

Tlak vzduchu. Atmosférický tlak sa meria v pascaloch (N/m2), v starom systéme merania v atmosférách (atm.). Existuje aj niečo ako barometrický tlak. Toto je tlak meraný v milimetroch ortuti pomocou ortuťového barometra. Barometrický tlak (tlak na hladine mora) rovný 760 mmHg. čl. nazývaný štandardný. Vo fyzike 1 atm. presne rovná 760 mm Hg.

Hustota vzduchu. V aerodynamike sa najčastejšie používa pojem hmotnostná hustota vzduchu. Toto je hmotnosť vzduchu v 1 m3 objemu. Hustota vzduchu sa mení s nadmorskou výškou, vzduch sa stáva redším.

Vlhkosť vzduchu. Ukazuje množstvo vody vo vzduchu. Existuje koncept" relatívna vlhkosť" Ide o pomer hmotnosti vodnej pary k maximu možnému pri danej teplote. Pojem 0 %, teda keď je vzduch úplne suchý, môže existovať len v laboratóriu. Na druhej strane, 100% vlhkosť je celkom možná. To znamená, že vzduch absorboval všetku vodu, ktorú mohol absorbovať. Niečo ako absolútne „plná špongia“. Vysoká relatívna vlhkosť znižuje hustotu vzduchu, zatiaľ čo nízka relatívna vlhkosť ju zvyšuje.

Vzhľadom na to, že lety lietadiel prebiehajú za rôznych atmosférických podmienok, ich letové a aerodynamické parametre v rovnakom režime letu môžu byť odlišné. Preto, aby sme správne odhadli tieto parametre, zaviedli sme Medzinárodná štandardná atmosféra (ISA). Ukazuje zmenu skupenstva vzduchu s rastúcou nadmorskou výškou.

Základné parametre klimatizácie pri nulovej vlhkosti sa berú takto:

tlak P = 760 mm Hg. čl. (101,3 kPa);

teplota t = +15 °C (288 K);

hustota hmotnosti ρ = ​​1,225 kg/m3;

Pre ISA je akceptované (ako je uvedené vyššie :-)), že teplota v troposfére klesá o 0,65º na každých 100 metrov nadmorskej výšky.

Štandardná atmosféra (príklad do 10 000 m).

Tabuľky MSA sa používajú na kalibráciu prístrojov, ako aj na navigačné a inžinierske výpočty.

Fyzikálne vlastnosti vzduchu zahŕňajú aj také pojmy ako zotrvačnosť, viskozita a stlačiteľnosť.

Zotrvačnosť je vlastnosť vzduchu, ktorá charakterizuje jeho schopnosť odolávať zmenám v stave pokoja alebo rovnomernému lineárnemu pohybu. . Mierou zotrvačnosti je hustota hmotnosti vzduchu. Čím je vyššia, tým väčšia je zotrvačná a odporová sila média, keď sa v ňom lietadlo pohybuje.

Viskozita Určuje odpor trenia vzduchu pri pohybe lietadla.

Stlačiteľnosť určuje zmenu hustoty vzduchu so zmenami tlaku. Pri nízkych rýchlostiach lietadla (do 450 km/h) pri prúdení vzduchu okolo neho nedochádza k zmene tlaku, ale pri vysokých rýchlostiach sa začína prejavovať efekt stlačiteľnosti. Jeho vplyv je badateľný najmä pri nadzvukových rýchlostiach. Toto je samostatná oblasť aerodynamiky a téma na samostatný článok :-).

No, zdá sa, že je to nateraz všetko... Je načase dokončiť tento trochu únavný výčet, ktorému sa však nedá vyhnúť :-). Zemská atmosféra, jeho parametre, fyzikálne vlastnosti vzduchu sú pre lietadlo rovnako dôležité ako parametre samotného zariadenia a nemožno ich ignorovať.

Čaute, do ďalších stretnutí a ďalších zaujímavých tém :) ...

P.S. Ako dezert navrhujem pozrieť si video natočené z kokpitu dvojičky MIG-25PU počas letu do stratosféry. Vraj to natáčal turista, ktorý má na takéto úlety peniaze :-). Väčšinou sa všetko natáčalo cez čelné sklo. Pozor na farbu oblohy...

Atmosféra

Atmosféra je plynný obal obklopujúci Zem. Na mieste ho drží gravitačná sila Zeme, pod vplyvom ktorej sa väčšina plynov hromadí nad povrchom zeme – v najnižšej vrstve atmosféry – troposfére.

Žijeme v najnižšej vrstve atmosféry. Lietadlá lietajú vo vrstve nazývanej atmosféra. V termosfére sa vyskytujú javy ako polárna žiara na severnej a južnej pologuli. Hore je priestor.

Vrstvy atmosféry

Koľko vrstiev je v atmosfére?

Existuje päť hlavných vrstiev atmosféry. Najnižšia vrstva je troposféra, 18 km vysoká od zemského povrchu. Ďalšou vrstvou je stratosféra, ktorá siaha do výšky 50 km a vyššie je mezosféra, asi 80 km nad zemou. Najvyššia vrstva sa nazýva termosféra. Čím vyššie stúpate, tým je atmosféra menej hustá; nad 1000 km zemská atmosféra takmer zmizne a exosféra (veľmi riedka piata vrstva) prechádza do priestoru bez vzduchu.

Ako nás chráni atmosféra?

V stratosfére sa nachádza vrstva ozónu (zlúčenina troch atómov kyslíka), ktorá tvorí ochranný štít, ktorý blokuje väčšinu škodlivého ultrafialového žiarenia. Na okraji atmosféry sú dve radiačné zóny, známe ako Van Allenove pásy, ktoré tiež fungujú ako štít na odrážanie kozmického žiarenia.

Prečo je nebo modré?

Svetlo zo slnka prechádza atmosférou a je rozptýlené odrazom od malých častíc prachu a vodnej pary vo vzduchu. Takto sa delí biele slnečné svetlo na spektrálne časti - farby dúhy Modré lúče sa rozptyľujú rýchlejšie ako ostatné. V dôsledku toho vidíme viac modrej ako ktorákoľvek iná farba v slnečnom spektre, a preto sa obloha javí ako modrá.

Oblaky neustále menia tvar. Dôvodom je vietor. Niektoré stúpajú v obrovských hmotách, iné pripomínajú ľahké perie. Občas oblohu nad nami úplne zakryjú mraky.

- vzduchový obal zemegule, rotujúci spolu so Zemou. Horná hranica atmosféry sa bežne kreslí vo výškach 150-200 km. Spodná hranica je zemský povrch.

Atmosférický vzduch je zmes plynov. Väčšinu jeho objemu v povrchovej vrstve vzduchu tvorí dusík (78 %) a kyslík (21 %). Okrem toho vzduch obsahuje inertné plyny (argón, hélium, neón atď.), oxid uhličitý (0,03), vodnú paru a rôzne pevné častice (prach, sadze, kryštály soli).

Vzduch je bezfarebný a farba oblohy sa vysvetľuje charakteristikami rozptylu svetelných vĺn.

Atmosféra pozostáva z niekoľkých vrstiev: troposféra, stratosféra, mezosféra a termosféra.

Spodná prízemná vrstva vzduchu je tzv troposféra. V rôznych zemepisných šírkach nie je jeho sila rovnaká. Troposféra sleduje tvar planéty a podieľa sa spolu so Zemou na axiálnej rotácii. Na rovníku sa hrúbka atmosféry pohybuje od 10 do 20 km. Na rovníku je väčšia a na póloch menšia. Troposféra sa vyznačuje maximálnou hustotou vzduchu, sú v nej sústredené 4/5 hmoty celej atmosféry. Troposféra určuje poveternostné podmienky: tvoria sa tu rôzne vzduchové hmoty, tvoria sa oblaky a zrážky, dochádza k intenzívnemu horizontálnemu a vertikálnemu pohybu vzduchu.

Nad troposférou, do nadmorskej výšky 50 km, sa nachádza stratosféra. Vyznačuje sa nižšou hustotou vzduchu a chýba mu vodná para. V spodnej časti stratosféry vo výškach okolo 25 km. existuje „ozónová clona“ - vrstva atmosféry s vysokou koncentráciou ozónu, ktorá absorbuje ultrafialové žiarenie, ktoré je pre organizmy smrteľné.

V nadmorskej výške 50 až 80-90 km sa rozprestiera mezosféra. S pribúdajúcou nadmorskou výškou klesá teplota s priemerným vertikálnym gradientom (0,25-0,3)°/100 m a hustota vzduchu klesá. Hlavným energetickým procesom je prenos tepla sálaním. Atmosférická žiara je spôsobená zložitými fotochemickými procesmi zahŕňajúcimi radikály a vibračne excitované molekuly.

Termosféra nachádza sa v nadmorskej výške 80-90 až 800 km. Hustota vzduchu je tu minimálna a stupeň ionizácie vzduchu je veľmi vysoký. Teplota sa mení v závislosti od aktivity Slnka. Kvôli veľkému počtu nabitých častíc sa tu pozorujú polárne žiary a magnetické búrky.

Atmosféra má veľký význam pre prírodu Zeme. Bez kyslíka nemôžu živé organizmy dýchať. Jeho ozónová vrstva chráni všetky živé veci pred škodlivými ultrafialovými lúčmi. Atmosféra vyrovnáva teplotné výkyvy: povrch Zeme sa v noci neprechladzuje a cez deň sa neprehrieva. V hustých vrstvách atmosférického vzduchu pred dosiahnutím povrchu planéty horia meteority z tŕňov.

Atmosféra interaguje so všetkými vrstvami zeme. S jeho pomocou dochádza k výmene tepla a vlhkosti medzi oceánom a pevninou. Bez atmosféry by neboli mraky, zrážky ani vietor.

Ľudské ekonomické aktivity majú výrazný nepriaznivý vplyv na ovzdušie. Dochádza k znečisteniu ovzdušia, čo vedie k zvýšeniu koncentrácie oxidu uhoľnatého (CO 2). A to prispieva ku globálnemu otepľovaniu a zvyšuje „skleníkový efekt“. Ozónová vrstva Zeme je zničená v dôsledku priemyselného odpadu a dopravy.

Atmosféra potrebuje ochranu. Vo vyspelých krajinách sa zavádza súbor opatrení na ochranu ovzdušia pred znečistením.

Stále máte otázky? Chcete sa dozvedieť viac o atmosfére?
Ak chcete získať pomoc od tútora -.

blog.site, pri kopírovaní celého materiálu alebo jeho časti je potrebný odkaz na pôvodný zdroj.

Zloženie atmosféry. Vzdušný obal našej planéty - atmosféru chráni zemský povrch pred škodlivými účinkami ultrafialového žiarenia zo Slnka na živé organizmy. Tiež chráni Zem pred kozmickými časticami - prachom a meteoritmi.

Atmosféru tvorí mechanická zmes plynov: 78 % jej objemu tvorí dusík, 21 % kyslík a menej ako 1 % hélium, argón, kryptón a iné inertné plyny. Množstvo kyslíka a dusíka vo vzduchu sa prakticky nemení, pretože dusík sa takmer nespája s inými látkami, a kyslík, ktorý je síce veľmi aktívny a vynakladá sa na dýchanie, oxidáciu a spaľovanie, ale rastliny ho neustále dopĺňajú.

Až do nadmorskej výšky približne 100 km zostáva percento týchto plynov prakticky nezmenené. Je to spôsobené tým, že vzduch sa neustále mieša.

Okrem spomínaných plynov obsahuje atmosféra asi 0,03 % oxidu uhličitého, ktorý sa zvyčajne sústreďuje v blízkosti zemského povrchu a je rozmiestnený nerovnomerne: v mestách, priemyselných centrách a oblastiach sopečnej činnosti sa jeho množstvo zvyšuje.

V atmosfére je vždy určité množstvo nečistôt – vodnej pary a prachu. Obsah vodnej pary závisí od teploty vzduchu: čím vyššia je teplota, tým viac pary vzduch dokáže zadržať. V dôsledku prítomnosti parnej vody vo vzduchu sú možné atmosférické javy ako dúha, lom slnečného svetla atď.

Prach sa do atmosféry dostáva pri sopečných erupciách, pieskových a prachových búrkach, pri nedokonalom spaľovaní paliva v tepelných elektrárňach a pod.

Štruktúra atmosféry. Hustota atmosféry sa mení s nadmorskou výškou: je najvyššia na povrchu Zeme a klesá, keď stúpa. Vo výške 5,5 km je teda hustota atmosféry 2-krát a vo výške 11 km je 4-krát menšia ako v povrchovej vrstve.

V závislosti od hustoty, zloženia a vlastností plynov sa atmosféra delí na päť sústredných vrstiev (obr. 34).

Ryža. 34. Vertikálny rez atmosféry (stratifikácia atmosféry)

1. Spodná vrstva je tzv troposféra. Jeho horná hranica prechádza v nadmorskej výške 8-10 km na póloch a 16-18 km na rovníku. Troposféra obsahuje až 80 % celkovej hmotnosti atmosféry a takmer všetku vodnú paru.

Teplota vzduchu v troposfére klesá s výškou o 0,6 °C každých 100 m a na jej hornej hranici je -45-55 °C.

Vzduch v troposfére sa neustále mieša a pohybuje sa rôznymi smermi. Iba tu sú pozorované hmly, dažde, snehové zrážky, búrky, búrky a iné poveternostné javy.

2. Nachádza sa vyššie stratosféra, ktorá siaha do nadmorskej výšky 50-55 km. Hustota vzduchu a tlak v stratosfére sú zanedbateľné. Riedky vzduch pozostáva z rovnakých plynov ako v troposfére, obsahuje však viac ozónu. Najvyššia koncentrácia ozónu je pozorovaná v nadmorskej výške 15-30 km. Teplota v stratosfére stúpa s nadmorskou výškou a na jej hornej hranici dosahuje 0 °C a viac. Ozón totiž pohlcuje krátkovlnnú energiu zo slnka, čím sa vzduch ohrieva.

3. Leží nad stratosférou mezosféra, siaha do nadmorskej výšky 80 km. Tam teplota opäť klesá a dosahuje -90 °C. Hustota vzduchu je tam 200-krát menšia ako na povrchu Zeme.

4. Nad mezosférou sa nachádza termosféra(od 80 do 800 km). Teplota v tejto vrstve stúpa: vo výške 150 km na 220 °C; vo výške 600 km až 1500 °C. Atmosférické plyny (dusík a kyslík) sú v ionizovanom stave. Vplyvom krátkovlnného slnečného žiarenia sa jednotlivé elektróny oddeľujú od obalov atómov. Výsledkom je, že v tejto vrstve - ionosféra objavujú sa vrstvy nabitých častíc. Ich najhustejšia vrstva sa nachádza v nadmorskej výške 300-400 km. Vďaka nízkej hustote sa tam slnečné lúče nerozptyľujú, takže obloha je čierna, jasne na nej žiaria hviezdy a planéty.

V ionosfére sú polárne svetlá, Vznikajú silné elektrické prúdy, ktoré spôsobujú poruchy v magnetickom poli Zeme.

5. Nad 800 km je vonkajší plášť - exosféra. Rýchlosť pohybu jednotlivých častíc v exosfére sa blíži ku kritickej - 11,2 mm/s, takže jednotlivé častice môžu prekonať gravitáciu a uniknúť do vesmíru.

Význam atmosféry.Úloha atmosféry v živote našej planéty je mimoriadne veľká. Bez nej by bola Zem mŕtva. Atmosféra chráni povrch Zeme pred extrémnym zahrievaním a ochladzovaním. Jeho účinok možno prirovnať k úlohe skla v skleníkoch: prepúšťa slnečné lúče a bráni tepelným stratám.

Atmosféra chráni živé organizmy pred krátkovlnným a korpuskulárnym žiarením zo Slnka. Atmosféra je prostredie, kde sa vyskytujú poveternostné javy, s ktorými je spojená všetka ľudská činnosť. Štúdium tejto škrupiny sa vykonáva na meteorologických staniciach. Vo dne aj v noci za každého počasia meteorológovia sledujú stav spodnej vrstvy atmosféry. Štyrikrát denne a na mnohých staniciach každú hodinu merajú teplotu, tlak, vlhkosť vzduchu, zaznamenávajú oblačnosť, smer a rýchlosť vetra, množstvo zrážok, elektrické a zvukové javy v atmosfére. Meteorologické stanice sa nachádzajú všade: v Antarktíde av tropických dažďových pralesoch, na vysokých horách a v obrovských oblastiach tundry. Pozorovania oceánov sa vykonávajú aj zo špeciálne postavených lodí.

Od 30-tych rokov. XX storočia pozorovania začali vo voľnej atmosfére. Začali vypúšťať rádiosondy, ktoré stúpajú do výšky 25-35 km a pomocou rádiových zariadení prenášajú na Zem informácie o teplote, tlaku, vlhkosti vzduchu a rýchlosti vetra. V súčasnosti sú široko používané aj meteorologické rakety a satelity. Tí druhí majú televízne inštalácie, ktoré prenášajú obraz zemského povrchu a oblakov.

| |
5. Vzduchová škrupina zeme§ 31. Ohrievanie atmosféry