Термосфера (ионосфера) и экзосфера

Термосфера (ионосфера) - слой атмосферы, следующий за мезосферой, - начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности.

Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении атомов кислорода в молекулы.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N 2 и кислорода О 2). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 км и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. Это в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.

В ионосфере выделяется несколько слоев. Ионосферные слои - это области в атмосфере, в которых достигаются максимальные значения концентрации свободных электронов (т.е. их числа в единице объема).

Таблица 2 - Основные ионосферные слои

Но в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные магнитные бури.

Экзосфера - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет с низкой концентрацией нейтральных атомов (выше 800-1000 км).

Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.

Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20000 км.

)- мезопаузой и основанием экзосферы (См. Экзосфера) (в среднем от высот около 80 км до 500 км ). Положение этих уровней изменяется в пределах ± 10-20%. Для Т. характерен положительный градиент температуры. Он равен нулю в мезопаузе, имеет максимальное значение между 100 и 200 км и вновь становится равным нулю вблизи основания экзосферы. Здесь атмосфера становится практически изотермической. От мезопаузы до экзосферы температура приблизительно изменяется от 200 К до 1000-2000 К. Особенно велики вариации температуры у основания экзосферы.

Плотность Т. в среднем изменяется от 1,8 ․10 -8 г/см 3 на высоте около 80 км до 1,8․10 -15 г/см 3 на высоте около 500 км. В мезопаузе относительный состав атмосферных компонент близок к приземному, но чем выше, тем большее количество кислорода находится в атомарном состоянии. На уровне около 120 км начинается диффузионное разделение газов. Выше уровня 200-300 км преобладающим становится более лёгкий атомарный кислород. Выше 500 км имеются значительные относительные концентрации ещё более лёгких элементов: водорода и гелия. Часть молекул и атомов Т. находится в ионизированном состоянии и сосредоточена в нескольких слоях (см. Ионосфера).

Все характеристики Т. подвержены весьма значительным вариациям в зависимости от географического положения, солнечной активности, сезона года и времени суток. Температурный и динамический режим Т. регулируется поглощаемой ею энергией. Эта энергия может вводиться как от источников, расположенных извне, так и снизу из тропосферы (См. Тропосфера). Основные источники термосферной энергии: жёсткое солнечное электромагнитное излучение, диссоциирующее и ионизирующее атмосферу; энергичные заряженные частицы (протоны и электроны), вторгающиеся в высокоширотные области атмосферы во время полярных сияний (См. Полярные сияния); диссоциированные на атомы молекулы атмосферы; акустически гравитационные волны, которые могут возникать как в тропосфере, так и в верхней атмосфере в области полярных сияний; диссипация энергии при циркуляции Т.

Молекулы азота, кислорода и атомы кислорода, преобладающие в составе термосферы, не могут излучать в больших количествах инфракрасное излучение. Поэтому из-за недостаточности излучающей способности Т. сильно разогревается, в особенности на больших высотах. При этих условиях отвод тепла может осуществляться только теплопроводностью к мезопаузе (См. Мезопауза) вследствие положительного градиента температуры. В мезопаузе содержится большое количество сложных молекул (двуокиси углерода, воды и озона), которые хорошо излучают инфракрасную радиацию и тем самым обеспечивают отвод тепла, накопленного вверху, за пределы земной атмосферы.

Т. оказывает тормозящее действие на ИСЗ. Кроме того, от её состояния сильно зависит поведение ионосферы.

Лит.: Околоземное космическое пространство, пер. с англ., М., 1966; Физика верхней атмосферы Земли, пер. с англ., под ред. Г. С. Иванова-Холодного, Л., 1971; Красовский В. И., Штили и штормы в верхней атмосфере, М., 1971.

В. И. Красовский.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Термосфера" в других словарях:

Термосфера … Орфографический словарь-справочник

термосфера - Область верхней атмосферы на высотах 100 500 км с положительным градиентом температуры. [ГОСТ 25645.113 84] термосфера Слой атмосферы планеты, лежащий над мезосферой, характеризуемый ростом температуры с высотой, постепенно замедляющимся и… … Справочник технического переводчика

Слой атмосферы над мезосферой от высот 80 90 км, температура в котором растет до высот 200 300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот … Большой Энциклопедический словарь

ТЕРМОСФЕРА, оболочка из легких газов между МЕЗОСФЕРОЙ и ЭКЗОСФЕРОЙ, на высоте от 100 км до 400 км от поверхности Земли. С ростом высоты в термосфере температура равномерно растет … Научно-технический энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 2 слой (111) сфера (36) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

ТЕРМОСФЕРА - (от термо... и греч. sphaira шар, сфера), слой верхней атмосферы (в среднем от 80 до 800 км от поверхности Земли), расположенный между верхней границей мезосферы (мезопаузой) и термопаузой промежуточным слоем между термосферой и экзосферой. В… … Экологический словарь

Каждый грамотный человек должен знать не только то, что планету окружает атмосфера из смеси всевозможных газов, но и то, что существуют различные слои атмосферы, которые располагаются на неодинаковом удалении от поверхности Земли.

Наблюдая на небом, мы совершенно не видим ни его сложного устройства, ни неоднородного состава, ни других скрытых от глаз вещей. Но именно благодаря сложному и многокомпонентному составу воздушного слоя, вокруг планеты на ней и существуют такие условия, которые позволили возникнуть здесь жизни, расцвести растительности, появиться всему тому, что здесь когда бы то ни было.

Знания про предмет разговора дает людям уже 6 класс в школе, но некоторые до него еще не доучились, а некоторые были там так давно, что уже все позабыли. Тем не менее каждый образованный человек должен знать, из чего состоит мир вокруг него, особенно та его часть, от которой непосредственно зависит сама возможность его нормальной жизни.

Как называется каждый из слоев атмосферы, на какой высоте он находится, какую роль играет? Все эти вопросы будут рассмотрены ниже.

Строение атмосферы Земли

Глядя на небо, особенно когда оно совершенно безоблачно, очень сложно даже предположить, что оно имеет такую сложную и многослойную структуру, что температура там на различных высотах очень сильно отличается, и что именно там, в высоте, происходят важнейшие процессы для всей флоры и фауны на Земле.

Если бы не такой сложный состав газового покрова планеты, то здесь бы просто не было никакой жизни и даже возможности для ее зарождения.

Первые попытки изучить эту часть окружающего мира были предприняты еще древними греками, но те не могли зайти в своих умозаключениях слишком далеко, так как не обладали необходимой технической базой. Они не видели границы разных слоев, не могли измерить их температуру, изучить компонентный состав и т. д.

В основном только погодные явления наталкивали самые прогрессивные умы на размышления о том, что видимое небо не такое простое, как кажется.

Считается, что структура современной газовой оболочки вокруг Земли образовалась в три этапа. Сначала была первичная атмосфера из водорода и гелия, захваченных из космического пространства.

Потом извержение вулканов наполнило воздух массой других частиц, и возникла вторичная атмосфера. После прохождения всех основных химических реакций и процессов релаксации частиц, возникла нынешняя ситуация.

Слои атмосферы по порядку от поверхности земли и их характеристика

Структура газовой оболочки планеты достаточно сложная и многообразная. Рассмотрим ее более подробно, постепенно дойдя на самых верхних уровней.

Тропосфера

Если не считать пограничный слой, тропосфера представляет собой самый нижний слой атмосферы. Простирается она на высоту приблизительно 8-10 км над поверхностью земли в полярных регионах, на 10-12 км в умеренном климате, а в тропических частях – на 16-18 километров.

Интересный факт: это расстояние может меняться в зависимости от времени года – зимой оно несколько меньше, нежели летом.

Воздух тропосферы содержит в себе основную живительную силу для всего живого на земле. Здесь содержится около 80% от всего имеющегося атмосферного воздуха, более 90% водяного пара, именно здесь образуются облака, циклоны и прочие атмосферные явления.

Интересно отметить постепенное снижение температуры при поднятии от поверхности планеты. Ученые подсчитали, что на каждые 100 м высоты температура убывает примерно на 0,6-0,7 градусов.

Стратосфера

Следующий важнейший слой – стратосфера. Высота стратосферы составляет примерно 45-50 километров. Начинается она с 11 км и здесь уже преобладают отрицательные температуры, достигая целых -57°С.

Чем важен этот слой для человека, всех животных и растений? Именно здесь, на высоте 20-25 километров, находится озоновый слой – он задерживает ультрафиолетовые лучи, исходящие от солнца, и уменьшает их разрушительное воздействие на флору и фауну до приемлемого значения.

Очень интересно отметить, что стратосфера поглощает многие типы излучения, которые идут на землю от солнца, других звезд и космического пространства. Полученная энергия от этих частиц идет на ионизацию находящихся здесь молекул и атомов, появляются различные химические соединения.

Все это приводит к такому известному и красочному явлению, как северное сияние.

Мезосфера

Мезосфера начинается примерно с 50 и простирается до 90 километров. Градиент, или перепад температуры с изменением высоты, здесь уже не столь большой, как в нижних слоях. В верхних границах данной оболочки температура равна около -80°С. Состав этой области включает в себя примерно 80% азота, а также 20% кислорода.

Важно отметить, что мезосфера – своего рода мертвая зона для любых летательных устройств. Самолеты не могут здесь летать, так как воздух чрезмерно разрежен, спутники же на такой низкой высоте не летают, так как для них имеющаяся плотность воздуха очень большая.

Еще одна интересная характеристика мезосферы – именно здесь сгорают налетающие на планету метеориты. Изучение таких отдаленных от земли слоев происходит с помощью специальных ракет, но эффективность процесса невелика, поэтому изученность региона оставляет желать лучшего.

Термосфера

Сразу после рассмотренного слоя идет термосфера, высота в км которой простирается на целых 800 км. В некотором роде это уже почти открытый космос. Здесь наблюдается агрессивное воздействие космического излучения, радиации, солнечного излучения.

Все это порождает такое замечательное и красивое явление, как полярное сияние.

Самый низкий слой термосферы нагревается до температуры примерно 200 К и больше. Происходит это благодаря элементарным процессам между атомами и молекулами, их рекомбинацией и излучения.

Верхние слои же нагреваются благодаря протекающим здесь магнитным бурям, электрическим токам, которые при этом генерируются. Температура слоя неравномерна и может очень существенно колебаться.

В термосфере происходит полет большинства искусственных спутников, баллистических тел, пилотируемых станций и т.д. Также здесь производятся испытания запусков разного рода оружия, ракет.

Экзосфера

Экзосфера, или как она еще называется сфера рассеяния, — это самый верхний уровень нашей атмосферы, ее предел, за которым следует межпланетное космическое пространство. Начинается экзосфера с высоты примерно в 800-1000 километров.

Плотные слои остались позади и здесь воздух предельно разрежен, любые попавшие со стороны частицы просто уносятся в космос в силу очень слабого действия силы гравитации.

Заканчивается данная оболочка на высоте приблизительно 3000-3500 км , и здесь уже почти нет никаких частиц. Данная зона называется ближнекосмическим вакуумом. Здесь преобладают не отдельные частицы в своем обычном состоянии, а плазма, чаще всего полностью ионизированная.

Значение атмосферы в жизни Земли

Вот так выглядят все основные уровни устройства атмосферы нашей планеты. Подробная ее схема может включать и другие регионы, но они имеют уже второстепенное значение.

Важно отметить, что атмосфера играет для жизни на Земле решающую роль. Много озона в ее стратосфере позволяют флоре и фауне спасаться от убийственного действия радиации и излучения из космоса.

Также именно здесь формируется погода, происходят все атмосферные явления, зарождаются и умирают циклоны, ветры, устанавливается то или иное давление. Все это имеет прямое воздействие на состояние человека, всех живых организмов и растений.

Ближайший слой, тропосфера, дает нам возможность дышать, насыщает кислородом все живое и позволяет ему жить. Даже небольшие отклонения в структуре и компонентном составе атмосферы способны самым пагубным образом повлиять на все живое.

Именно поэтому сейчас развернулась такая кампания против вредных выбросов от авто и производства, экологи бьют тревогу по поводу толщины озонного шара, партия Зелёных и ей подобные ратуют за максимальное сохранение природы. Только так можно продлить нормальную жизнь на земле и не сделать ее невыносимой в климатическом плане.

Термосфе́ра (от греч. θερμός - «тёплый» и σφαῖρα - «шар», «сфера») - слой атмосферы, следующий за мезосферой, - начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьироваться от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах 150-300 км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы (при этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного УФ-излучения, поглощённая ранее при диссоциации молекул O2). На высоких широтах важный источник теплоты в термосфере - джоулева теплота, выделяемая электрическими токами магнитосферного происхождения. Этот источник вызывает значительный, но неравномерный разогрев верхней атмосферы в приполярных широтах, особенно во время магнитных бурь.

Полёты в термосфере

Из-за крайней разреженности воздуха полёты выше линии Кармана возможны только по баллистическим траекториям. Все пилотируемые орбитальные полёты (за исключением полётов американских астронавтов к Луне) проходят в термосфере, преимущественно на высотах от 200 до 500 км - ниже 200 км сильно сказывается тормозящее действие воздуха, а выше 500 км простираются радиационные пояса, оказывающие на людей вредное действие.

Беспилотные спутники также по большей части летают в термосфере - вывод спутника на более высокую орбиту требует бо́льших затрат энергии, кроме того, для многих целей (например, для дистанционного зондирования Земли) малая высота предпочтительнее.

Высокая температура воздуха в термосфере не страшна летательным аппаратам, поскольку из-за высокой степени разреженности воздуха он практически не взаимодействует с обшивкой летательного аппарата, то есть плотности воздуха недостаточно для того, чтобы нагреть физическое тело, так как количество молекул очень мало и вероятность их столкновения с обшивкой судна (соответственно и передачи тепловой энергии) невелика. Исследования термосферы проводятся также с помощью суборбитальных геофизических ракет.

ЭКЗОСФЕРА.

Экзосфе́ра (от др.-греч. ἐξω - «снаружи», «вне» и σφαῖρα - «шар», «сфера») - самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет с низкой концентрацией нейтральных атомов (концентрация частиц n0<107см−3). Нижняя граница экзосферы - экзобаза - определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений.

Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы. Геокорона распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км, а корона Венеры - до 200 тыс.км.

Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500-3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

Мезосфера

Стратосфера

Выше тропосферы расположена стратосфера (от греческого «стратиум» - настил, слой). Её масса составляет 20% от массы атмосферы.

Верхняя граница стратосферы расположена от поверхности Земли на высоте:

В тропических широтах (экваторе) 50 – 55 км.:

В умеренных широтах до 50 км.;

В полярных широтах (полюсах) 40 – 50 км.

В стратосфере воздух по мере подъёма нагревается, при этом температура воздуха повышается с высотой в среднем на 1 – 2 градуса на 1 км. подъёма и достигает на верхней границе до +50 0 С.

Повышение температуры с высотой обусловлено главным образом озоном, который поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации. На высоте 20 – 25 км от поверхности Земли расположен очень тонкий (всего несколько сантиметров) озоновый слой.

Стратосфера очень бедна на водяной пар, здесь не бывает осадков, хотя иногда на высоте 30 км. образуются облака.

На основе наблюдений в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особо опасны для высокоскоростных летательных аппаратов.

Сильные ветры, называемые струйными течениями дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и появляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты.

Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образования озона) связано атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекается в нижние слои стратосферы.

Выше стратопаузы расположена мезосфера (от греческого «мезос» - средний).

Верхняя граница мезосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) 80 – 85 км.;

В умеренных широтах до 80 км.;

В полярных широтах (полюсах) 70 – 80 км.

В мезосфере температура понижается до – 60 0 С. – 1000 0 С. на её верхней границе.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока ещё недостаточно изучены.

Выше мезопаузы расположена термосфера (от греческого «термос» - тёплый).

Верхняя граница термосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) до 800 км.;

В умеренных широтах до 700 км.;

В полярных широтах (полюсах) до 650 км.

В термосфере температура снова повышается, достигая в верхних слоях 2000 0 С.

Необходимо заметить, что высотах 400 – 500 км. и выше температура воздуха не может быть определена ни одним из известных методов, вследствие чрезвычайного разряжения атмосферы. О температуре воздуха на таких высотах приходится судить по энергии газовых частиц, перемещающихся в газовых потоках.

Повышение температуры воздуха в термосфере связано с поглощением ультрафиолетового излучения и образованием ионов и электронов в атомах и молекулах газов содержащихся в атмосфере.

В термосфере давление и, следовательно, плотность газа с высотой постепенно уменьшается. В близи земной поверхности в 1 м 3 . воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул, на высоте около 100 км в нижних слоях термосферы в 1 м 3 воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул. На высоте 200 км., в ионосфере в 1 м 3 . воздуха содержится 5х10 15 молекул. На высоте около 850 км. в 1м. воздуха содержится 10 12 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8 - 10 9 на 1 м 3 . На высоте около 100 км. количество молекул невелико, но они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически двигающаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется её средним свободным пробегом.

При определённой температуре скорость движения молекулы зависит от массы: более лёгкие молекулы движутся быстрее тяжёлых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме этого, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атмосферный кислород приобретает всё большее значение в составе атмосферы на высоте около 200 км. становится главным компонентом.

Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км. от поверхности Земли преобладают лёгкие газы гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.

Такое расширение по весу называется диффузным расширением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.