Дипломная работа: Земля - планета Солнечной системы

Принятое деление атмосферы на слои основано главным образом на изменении в ней температуры с высотой, поскольку оно отражает баланс основных энергетических процессов в атмосфере.

Нижняя часть атмосферы, содержащая около 80% всей её массы, называется тропосферой. Она распространяется до высоты 16—18 км в экваториальном поясе и до 8—10 км в полярных широтах. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 0,6. К на каждые 100 м. Над тропосферой до высоты 55 км расположена стратосфера, в которой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным слоем — тропопаузой, с температурой 190—220 К. До высоты ~25 км температура стратосферы несколько падает, но дальше начинает расти, достигая максимума (~270К) на высоте 50—55 км. Этот рост связан главным образом с увеличением в верхних слоях стратосферы концентрации озона, интенсивно поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Над стратосферой расположены мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 км до 800—1000 км) и экзосфера (выше 800—1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере, отделённой от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, температура вновь падает до 180—200К. вблизи её верхней границы (мезопаузы). В термосфере происходит быстрый рост температуры, связанный главным образом с поглощением в ней солнечного коротковолнового излучения. Рост температуры наблюдается до высоты 200—300 км. Выше, примерно до 800—1000 км, температура остаётся постоянной (~1000К), т.к. здесь разреженная атмосфера слабо поглощает солнечное излучение.

Верхний слой атмосферы — экзосфера — крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1 м³ составляет ~ 10¹¹ ) и столкновения частиц в нём происходят редко. Скорости отдельных частиц экзосферы могут превышать критическую скорость ускользания (вторую космическую скорость). Эти частицы, если им не помешают столкновения, могут, преодолев притяжение Земли, покинуть атмосферу и уйти в межпланетное пространство. Так происходит рассеяние (диссипация) атмосферы. Поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния. Ускользают из атмосферы в межпланетное пространство главным образом атомы водорода и гелия.

Приведённые характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усреднённые. В зависимости от географической широты, времени года, суток и др. они могут заметно меняться.

Химический состав земной атмосферы неоднороден. Сухой атмосферный воздух у поверхности Земли содержит по объёму 78,08% азота,20,95% кислорода (~ 10^-6 % озона), 0,93% аргона и около 0,03% углекислого газа. Не более 0,1% составляют вместе водород, неон, гелий, метан, криптон и др. газы. В слое атмосферы до высот 90—100 км, в котором происходит интенсивное перемешивание атмосферы, относительный состав её основных компонентов не меняется, этот слой называется гомосферой. В атмосфере содержится (1,3—1,5)*10¹⁶ кг воды. Главная масса атмосферной воды (в виде пара, взвешенных капель и кристалликов льда) сосредоточена в тропосфере, причём с высотой её содержание резко убывает. Во влажном воздухе содержание водяного пара у земной поверхности колеблется от 3—4% в тропиках до 2*10^-5 % в Антарктиде. Очень изменчивы аэрозольные компоненты воздуха, включающие пыль почвенного, органического и космического происхождения, частички сажи, пепла и минеральных солей.

У верхней границы тропосферы и в стратосфере наблюдается повышенное содержание озона. Слой максимальной концентрации озона расположен на высотах ~21—25 км. Начиная с высоты ~ 40 км увеличивается содержание атомарного кислорода. Диссоциация молекулярного азота начинается на высоте около 200 км. Наряду с диссоциацией молекул под действием коротковолнового и корпускулярного излучений Солнца на высотах от 50 до 400 км происходит ионизация атмосферных газов. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. На высоте 250—300 км, где расположен максимум ионизации, электропроводность атмосферы в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности. Для верхних слоев атмосферы характерен также процесс диффузионного разделения газов под действием силы тяжести (гравитационное разделение): газы распределяются с высотой в соответствии с их молекулярной массой. Верхние слои атмосферы в результате оказываются обогащенными более лёгкими газами. Совокупность процессов диссоциации, ионизации и гравитационного разделения определяет химическую неоднородность верхних слоев атмосферы. Примерно до 200 км основным компонентом воздуха является азот N₂ . Выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте более 600 км преобладающим компонентом становится гелий, а в слое от 2 тыс. км и выше — водород, который образует вокруг Земли так называемую водородную корону.

Через атмосферу к поверхности Земли поступает электромагнитное излучение Солнца — главный источник энергии физических, химических и биологических процессов. В географической оболочке Земли атмосфера прозрачна для электромагнитного излучения в диапазоне длин волн  от 0,3 мкм (3000 Å) до 5,2 мкм (в котором заключено около 88% всей энергии солнечного излучения) и радиодиапазоне — от 1 мм до 30 м. Излучение инфракрасного диапазона (>5,2мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газом тропосферы и стратосферы. Непрозрачность атмосферы в радиодиапазоне обусловлена отражением радиоволн от её ионизованных слоев (ионосферы). Излучение ультрафиолетового диапазона ( от 3000 до 1800 Å) поглощается озоном на высотах 15—60 км, а волны длиной 1800—1000 Å и короче — азотом, молекулярным и атомарным кислородом (на высоте от нескольких десятков до нескольких сот км над поверхностью З.). Жёсткое коротковолновое излучение (рентгеновское и гамма-излучение) поглощается всей толщей атмосферы, до поверхности Земли оно не доходит. Таким образом, биосфера оказывается защищенной от губительного воздействия коротковолнового излучения Солнца. В виде прямой и рассеянной радиации поверхности Земли достигает лишь 48% энергии солнечного излучения, падающего на внешнюю границу атмосферы. В то же время атмосфера почти непрозрачна для теплового излучения Земли (за счёт присутствия в атмосфере углекислого газа и паров воды. Если бы Земля была лишена атмосферы, то средняя температура её поверхности была бы —23°С, в действительности средняя годовая температура поверхности Земли составляет 14,8°С. Атмосфера задерживает также часть космических лучей и служит бронёй против разрушительного действия метеоритов. Насколько велико защитное значение земной атмосферы, показывает испещрённая метеоритными кратерами поверхность Луны, лишённая атмосферной защиты. Между атмосферой и подстилающей поверхностью происходит непрерывный обмен энергией (теплооборот) и веществом (влагооборот, обмен кислородом и др. газами). Теплооборот включает перенос теплоты излучением (лучистый теплообмен), передачу теплоты за счёт теплопроводности, конвекции и фазовых переходов воды (испарения, конденсации, кристаллизации).

Неравномерный нагрев атмосферы над сушей, морем на разных высотах и в разных широтах приводит к неравномерному распределению атмосферного давления. Возникающие в атмосфере устойчивые перепады давления вызывают общую циркуляцию атмосферы, с которой связан влагооборот, включающий процессы испарения воды с поверхности гидросферы, переноса водяного пара воздушными потоками, выпадение осадков и их сток. Теплооборот, влагооборот и циркуляция атмосферы являются основными климато-образующими процессами. Атмосфера является активным агентом в различных процессах, происходящих на поверхности суши и в верхних слоях водоёмов. Важнейшую роль играет атмосфера в развитии жизни на Земле.

в) Гидросфера

Вода образует прерывистую оболочку Земли. Около 94% общего объёма гидросферы сосредоточено в океанах и морях; 4% заключено в подземных водах; около 2% — в льдах и снегах (главным образом Арктики, Антарктики и Гренландии); 0,4% — в поверхностных водах суши (реки, озёра, болота). Незначительное количество воды содержится в атмосфере и организмах. Все формы водных масс переходят одна в другую в процессе обращения. Ежегодное количество осадков, выпадающих на земную поверхность, равно количеству воды, испарившейся в сумме с поверхности суши и океанов. В общем круговороте влаги наиболее подвижны воды атмосферы.

Вода гидросферы содержит почти все химические элементы. Средний химический состав её близок к составу океанической воды, в которой преобладают кислород, водород, хлор и натрий. В водах суши преобладающими являются карбонаты. Содержание минеральных веществ в водах суши (солёность) подвержено большим колебаниям в зависимости от местных условий и, прежде всего от климата. Обычно воды суши слабо минерализованы — пресные (солёность рек и пресных озёр от 50 до 1000 мг/кг). Средняя солёность океанической воды около 35 г/кг (35^о /_оо ), солёность морской воды колеблется от 1—2°/_оо (Финский залив Балтийского моря) до 41,5°/_оо (Красное море). Наибольшая концентрация солей — в солёных озёрах (Мёртвое море до 260°/_оо ) и подземных водах (до 600°/_оо ). Современный солевой состав вод гидросферы сформировался за счёт продуктов химического выветривания изверженных пород и приноса на поверхность Земли продуктов дегазации мантии: в океанической воде катионы натрия, магния, кальция, калия, стронция присутствуют главным образом за счёт речного стока. Хлор, сера, фтор, бром, йод, бор и др. элементы, играющие в океанической воде роль анионов, являются преимущественно продуктами подводных вулканических извержений. Содержащиеся в гидросфере углерод, азот, свободный кислород и др. элементы поступают из атмосферы и из живого вещества суши и океана. Благодаря большому содержанию в океане биогенных химических элементов океаническая вода служит весьма благоприятной средой для развития растительных и животных организмов. Мировой океан образует самое большое скопление вод на земной поверхности. Морские течения связывают отдельные его части в единое целое, вследствие чего воды океанов и морей обладают общими физико-химическими свойствами. Поверхностный слой воды в океанах (до глубины 200—300 м) имеет непостоянную температуру, меняющуюся по сезонам года и в зависимости от температурного режима соответствующего климатического пояса. Средняя годовая температура этого слоя постепенно убывает от 25 °С у экватора до 0 °С и ниже в полярных областях. Характер вертикального изменения температур океанических вод сильно варьирует в зависимости от географической широты, что объясняется главным образом неодинаковым нагреванием и охлаждением поверхностных вод. С др. стороны, имеются существенные различия в изменении температуры воды по глубине на одних и тех же широтах в связи с течениями. Однако для огромных экваториальных и тропических пространств океана в изменении температур по вертикали имеется много общего. До глубины 300—500 м температура воды здесь быстро понижается, затем до 1200— 1500 м понижение температуры происходит медленнее, глубже 1500 м она почти не изменяется. В придонных слоях температура держится обычно между 2°С и 0 °С. В умеренных областях изменение температуры с глубиной менее значительно, что связано с меньшим прогревом поверх?