Akumulacja O 2 w atmosferze ziemskiej:
1 . (3,85-2,45 miliarda lat temu) - O 2 nie został wyprodukowany
2 . (2,45-1,85 miliarda lat temu) O 2 został wyprodukowany, ale został wchłonięty przez ocean i skały dna morskiego
3 . (1,85-0,85 miliarda lat temu) O 2 opuszcza ocean, ale jest zużywany podczas utleniania skał na lądzie i podczas tworzenia warstwy ozonowej
4 . (0,85-0,54 miliarda lat temu) wszystkie skały na lądzie ulegają utlenieniu, rozpoczyna się akumulacja O 2 w atmosferze
5 . (0,54 miliarda lat temu - obecnie) w okresie nowożytnym zawartość O 2 w atmosferze ustabilizowała się

Katastrofa tlenowa(rewolucja tlenowa) – globalna zmiana składu atmosfery ziemskiej, która nastąpiła na samym początku proterozoiku, około 2,4 miliarda lat temu (okres syderyjski). Skutkiem Katastrofy Tlenowej było pojawienie się w atmosferze wolnego tlenu i zmiana ogólnego charakteru atmosfery z redukcyjnej na utleniającą. Założenie katastrofy tlenowej przyjęto na podstawie badań gwałtownej zmiany charakteru sedymentacji.

Podstawowy skład atmosfery

Dokładny skład pierwotnej atmosfery Ziemi nie jest obecnie znany, jednak powszechnie przyjmuje się, że powstała ona w wyniku odgazowania płaszcza i miała charakter redukujący. Opierał się na dwutlenku węgla, siarkowodorze, amoniaku i metanie. Jest to obsługiwane przez:

  • na powierzchni wyraźnie tworzą się nieutlenione osady (np. kamyki rzeczne z pirytu tlenoopornego);
  • brak znanych znaczących źródeł tlenu i innych środków utleniających;
  • badanie potencjalnych źródeł atmosfery pierwotnej (gazy wulkaniczne, skład innych ciał niebieskich).

Przyczyny katastrofy tlenowej

Jedynym znaczącym źródłem tlenu cząsteczkowego jest biosfera, a dokładniej organizmy fotosyntetyzujące. Pojawiające się na samym początku istnienia biosfery fotosyntetyczne archaebakterie wytwarzały tlen, który niemal natychmiast był zużywany na utlenianie skał, rozpuszczonych związków i gazów atmosferycznych. Wysokie stężenie powstało jedynie lokalnie, w obrębie mat bakteryjnych (tzw. „kieszenie tlenowe”). Po utlenieniu powierzchni skał i gazów atmosfery, tlen zaczął gromadzić się w atmosferze w postaci wolnej.

Jednym z prawdopodobnych czynników wpływających na zmianę zbiorowisk drobnoustrojów była zmiana składu chemicznego oceanu spowodowana wygaśnięciem aktywności wulkanicznej.

Konsekwencje katastrofy tlenowej

Biosfera

Ponieważ przeważająca większość organizmów tamtych czasów była organizmami beztlenowymi, niezdolnymi do istnienia przy znacznych stężeniach tlenu, nastąpiła globalna zmiana w zbiorowiskach: zbiorowiska beztlenowe zastąpiono zbiorowiskami tlenowymi, wcześniej ograniczonymi jedynie do „kieszeni tlenowych”; Wręcz przeciwnie, społeczności beztlenowe zostały wepchnięte do „kieszeni beztlenowych” (w przenośni „biosfera wywrócona na lewą stronę”). Następnie obecność tlenu cząsteczkowego w atmosferze doprowadziła do powstania ekranu ozonowego, co w konsekwencji znacznie rozszerzyło granice biosfery i doprowadziło do rozpowszechnienia się bardziej korzystnego energetycznie (w porównaniu do beztlenowego) oddychania tlenowego.

Litosfera

W rezultacie katastrofa tlenowa praktycznie wszystkie skały metamorficzne i osadowe, które tworzą większość skorupy ziemskiej, są utlenione.

Według najczęstszej teorii atmosfera
Ziemia przyszła na czas trzy różne kompozycje.
Początkowo składał się z gazów lekkich (wodór i
hel) pobrany z przestrzeni międzyplanetarnej. To prawda
zwaną atmosferą pierwotną (około czterech miliardów
Lata temu).

W kolejnym etapie aktywna aktywność wulkaniczna
doprowadziło do nasycenia atmosfery innymi gazami, z wyjątkiem
wodór (dwutlenek węgla, amoniak, para wodna). Więc
utworzyła się atmosfera wtórna (około trzech miliardów
lat do chwili obecnej). Ta atmosfera działała regenerująco.
Następnie określono proces powstawania atmosfery w następujący sposób:
czynniki:
- wyciek gazów lekkich (wodór i hel) do przestrzeni międzyplanetarnej
przestrzeń;
- reakcje chemiczne zachodzące w atmosferze pod wpływem
łagodzenie promieniowania ultrafioletowego, wyładowań atmosferycznych i
kilka innych czynników.
Stopniowo czynniki te doprowadziły do ​​​​powstania trzeciorzędu
atmosferę, charakteryzującą się znacznie niższą zawartością
ciśnienie wodoru i znacznie większe - azotu i dwutlenku węgla
gaz (powstający w wyniku reakcje chemiczne z amoniaku
i węglowodory).
Skład atmosfery zaczął się radykalnie zmieniać wraz z pojawieniem się
Organizmy żywe na Ziemi zjadamy w wyniku fotosyntezy,
towarzyszy uwalnianie tlenu i absorpcja węgla
gaz chlorkowy.
początkowo zużywano tlen
do utleniania związków zredukowanych - amoniaku, węgla
wodór, żelazowa forma żelaza występująca w oceanach
itp. Na końcu tego etapu zawartość tlenu
zaczął rosnąć w atmosferze. Stopniowo nowoczesność
zimna atmosfera o właściwościach utleniających.
Ponieważ spowodował duże i drastyczne zmiany
wiele procesów zachodzących w atmosferze, litosferze i
biosferze zdarzenie to nazwano katalizatorem tlenowym
zwrotka.
Obecnie atmosfera ziemska składa się głównie z
gazy i różne zanieczyszczenia (kurz, krople wody, kryształy
lód, sole morskie, produkty spalania). Stężenie gazu,
składniki atmosfery są praktycznie stałe, z wyjątkiem
stężenie wody (H 2 O) i dwutlenku węgla (CO 2).

Źródło: class.rambler.ru


W związku z tym powstanie współczesnej (tlenowej) atmosfery Ziemi jest nie do pomyślenia bez systemów żywych, tj. obecność tlenu jest konsekwencją rozwoju biosfery. Coraz częściej potwierdza się genialna wizja V.I. Wernadskiego na temat roli biosfery zmieniającej oblicze Ziemi. Jednak droga powstania życia jest dla nas nadal niejasna. W. Wernadski powiedział: „Od tysięcy pokoleń stajemy przed nierozwiązaną, ale zasadniczo możliwą do rozwiązania zagadką – zagadką życia”.

Biolodzy uważają, że spontaniczne pojawienie się życia jest możliwe tylko w środowisku redukującym, jednak zgodnie z pomysłami jednego z nich, M. Ruttena, zawartość tlenu w mieszaninie gazowej do 0,02% nie przeszkadza jeszcze w występowaniu syntez abiogennych. Zatem geochemicy i biolodzy mają różne koncepcje dotyczące atmosfer redukujących i utleniających. Nazwijmy atmosferę zawierającą śladowe ilości tlenu obojętną, w której mogłyby pojawić się pierwsze nagromadzenia białek, które w zasadzie mogłyby wykorzystać (przyswoić) do swojego odżywiania aminokwasy abiogenne, być może z jakiegoś powodu tylko izomery.

Jednak pytanie nie dotyczy tego, w jaki sposób te aminoheterotrofy (organizmy wykorzystujące aminokwasy jako pokarm) odżywiają się, ale w jaki sposób może powstać samoorganizująca się materia, której ewolucja ma ujemną entropię. To drugie nie jest jednak tak rzadkie we Wszechświecie. Czy powstanie Układu Słonecznego, a w szczególności naszej Ziemi, nie jest sprzeczne z przepływem entropii? Tales z Mitzy napisał w swoim traktacie: „Woda jest pierwotną przyczyną wszystkiego”. Rzeczywiście, najpierw musiała powstać hydrosfera, aby stać się kolebką życia. V. I. Vernadsky i inni wielcy ludzie dużo o tym mówili współcześni naukowcy.


Dla V.I. Wernadskiego nie było do końca jasne, dlaczego materia żywa jest reprezentowana tylko przez izomery lewoskrętne organiczne molekuły i dlaczego w dowolnej syntezie nieorganicznej otrzymujemy w przybliżeniu równą mieszaninę izomerów lewoskrętnych i prawoskrętnych. I nawet jeśli uzyskamy wzbogacenie (na przykład w świetle spolaryzowanym) za pomocą pewnych technik, nie możemy wyizolować ich w czystej postaci.

Jak to możliwe, że jest to dość skomplikowane związki organiczne rodzaj białek, białka, kwasy nukleinowe i inne kompleksy zorganizowanych pierwiastków składające się wyłącznie z izomerów lewoskrętnych?

Źródło: pochemuha.ru

Podstawowe właściwości atmosfery ziemskiej

Atmosfera jest naszą kopułą ochronną przed wszelkiego rodzaju zagrożeniami z kosmosu. Większość meteorytów spadających na planetę spala się w niej i jej warstwa ozonowa służy jako filtr przed promieniowaniem ultrafioletowym Słońca, którego energia jest śmiertelna dla istot żywych. Ponadto to atmosfera utrzymuje komfortową temperaturę na powierzchni Ziemi – gdyby nie efekt cieplarniany, uzyskiwany poprzez wielokrotne odbijanie promieni słonecznych od chmur, Ziemia byłaby średnio o 20-30 stopni zimniejsza. Cyrkulacja wody w atmosferze i ruch mas powietrza nie tylko równoważą temperaturę i wilgotność, ale także tworzą ziemską różnorodność form krajobrazowych i minerałów - takiego bogactwa nie można znaleźć nigdzie indziej na świecie. Układ Słoneczny.


Masa atmosfery wynosi 5,2×10 18 kilogramów. Chociaż powłoki gazowe rozciągają się na wiele tysięcy kilometrów od Ziemi, za atmosferę uważa się tylko te, które obracają się wokół osi z prędkością równą prędkości obrotu planety. Zatem wysokość atmosfery ziemskiej wynosi około 1000 kilometrów, płynnie przechodząc w przestrzeń kosmiczną w górnej warstwie, egzosferę (z greckiej „sfery zewnętrznej”).

Skład atmosfery ziemskiej. Historia rozwoju

Chociaż powietrze wydaje się jednorodne, jest mieszaniną różnych gazów. Jeśli weźmiemy tylko te, które zajmują co najmniej jedną tysięczną objętości atmosfery, będzie ich już 12. Jeśli spojrzymy na ogólny obraz, to cały układ okresowy jest jednocześnie w powietrzu!

Jednak Ziemi nie udało się od razu osiągnąć takiej różnorodności. Tylko dzięki wyjątkowym zbiegom okoliczności pierwiastki chemiczne i obecność życia, atmosfera ziemska stała się niezwykle złożona. Na naszej planecie zachowały się ślady geologiczne tych procesów, dzięki czemu możemy spojrzeć wstecz na miliardy lat:

  • Pierwszymi gazami, które pokryły młodą Ziemię 4,3 miliarda lat temu, był wodór i hel, podstawowe składniki atmosfery gazowych gigantów, takich jak Jowisz.
    o najbardziej elementarnych substancjach - składały się z pozostałości mgławicy, która dała początek Słońcu i otaczającym ją planetom, i obficie osiadały wokół centrów grawitacyjnych-planet. Ich stężenie nie było bardzo wysokie, ale niskie masa atomowa pozwoliło im uciec w kosmos, co robią do dziś. Obecnie ich całkowity ciężar właściwy wynosi 0,00052% całkowitej masy atmosfery ziemskiej (0,00002% wodoru i 0,0005% helu), co jest bardzo małą wartością.
  • Jednak wewnątrz samej Ziemi znajdowało się wiele substancji, które próbowały uciec z gorących wnętrzności. Z wulkanów uwolniły się ogromne ilości gazów – przede wszystkim amoniaku, metanu i dwutlenku węgla, a także siarki. Amoniak i metan następnie rozłożyły się na azot, który obecnie zajmuje lwią część masy atmosfery ziemskiej - 78%.
  • Ale prawdziwa rewolucja w składzie atmosfery ziemskiej nastąpiła wraz z pojawieniem się tlenu. Pojawiło się to również naturalnie - gorący płaszcz młodej planety aktywnie pozbywał się gazów uwięzionych pod skorupą ziemską. Ponadto para wodna emitowana przez wulkany pod wpływem słonecznego promieniowania ultrafioletowego rozkładała się na wodór i tlen.

Jednak taki tlen nie mógł długo pozostawać w atmosferze. Reagował z tlenkiem węgla, wolnym żelazem, siarką i wieloma innymi pierwiastkami na powierzchni planety, a wysokie temperatury i promieniowanie słoneczne katalizowały procesy chemiczne. Sytuację tę zmieniło dopiero pojawienie się organizmów żywych.

  • Po pierwsze, zaczęły uwalniać tak dużo tlenu, że nie tylko utlenił wszystkie substancje na powierzchni, ale także zaczął się gromadzić - w ciągu kilku miliardów lat jego ilość wzrosła od zera do 21% całkowitej masy atmosfery.
  • Po drugie, organizmy żywe aktywnie wykorzystywały węgiel atmosferyczny do budowy własnych szkieletów. W wyniku ich działalności skorupa Ziemska został uzupełniony całymi warstwami geologicznymi materiałów organicznych i skamieniałości, a dwutlenek węgla stał się znacznie mniejszy
  • I wreszcie nadmiar tlenu utworzył warstwę ozonową, która zaczęła chronić organizmy żywe przed promieniowaniem ultrafioletowym. Życie zaczęło ewoluować aktywniej i zdobywać nowe, więcej złożone kształty- wśród bakterii i glonów zaczęły pojawiać się wysoce zorganizowane stworzenia. Obecnie ozon stanowi zaledwie 0,00001% całkowitej masy Ziemi.

Pewnie już wiecie, że błękit nieba na Ziemi tworzy także tlen – z całego tęczowego widma Słońca to on najlepiej go rozprasza krótkie faleświatła odpowiedzialne za kolor niebieski. Ten sam efekt działa w przestrzeni kosmicznej - z daleka Ziemia wydaje się spowita niebieską mgłą, a z daleka całkowicie zamienia się w niebieską kropkę.

Ponadto w atmosferze występują w znacznych ilościach gazy szlachetne. Wśród nich najwięcej jest argonu, którego udział w atmosferze wynosi 0,9–1%. Jej źródłem są procesy jądrowe zachodzące w głębi Ziemi, a na powierzchnię dociera poprzez mikropęknięcia w płytach litosfery oraz erupcje wulkanów (tak hel pojawia się w atmosferze). Gazy szlachetne ze względu na swoje właściwości fizyczne przedostają się do górnych warstw atmosfery, skąd przedostają się w przestrzeń kosmiczną.


Jak widzimy skład atmosfery ziemskiej zmieniał się niejeden raz i to bardzo mocno – ale trwało to miliony lat. Z drugiej strony zjawiska życiowe są bardzo stabilne - warstwa ozonowa będzie istnieć i funkcjonować nawet wtedy, gdy na Ziemi będzie 100 razy mniej tlenu. W tle historia ogólna planety, działalność człowieka nie pozostawiła żadnych poważnych śladów. Jednak w skali lokalnej cywilizacja jest zdolna do tworzenia problemów – przynajmniej dla siebie. Zanieczyszczenia powietrza spowodowały już zagrożenie życia mieszkańców Pekinu w Chinach – a także ogromne chmury brudnej mgły duże miasta widoczne nawet z kosmosu.

Struktura atmosfery

Jednak egzosfera nie jest jedyną specjalną warstwą naszej atmosfery. Jest ich wiele i każdy ma swój własny unikalne cechy. Przyjrzyjmy się kilku podstawowym:

Troposfera

Najniższa i najgęstsza warstwa atmosfery nazywana jest troposferą. Czytelnik artykułu znajduje się teraz właśnie w jego „dolnej” części – chyba że jest jedną z 500 tysięcy osób, które właśnie lecą samolotem. Górna granica troposfery zależy od szerokości geograficznej (pamiętaj siła odśrodkowa obrót Ziemi, dzięki czemu planeta jest szersza na równiku?) i waha się od 7 kilometrów na biegunach do 20 kilometrów na równiku. Wielkość troposfery zależy również od pory roku – im cieplejsze powietrze, tym wyższa górna granica.


Nazwa „troposfera” pochodzi od starożytności greckie słowo„tropos”, co oznacza „zwrot, zmiana”. To dość dokładnie odzwierciedla właściwości warstwy atmosferycznej - jest ona najbardziej dynamiczna i produktywna. To właśnie w troposferze gromadzą się chmury, krąży woda, powstają cyklony i antycyklony oraz powstają wiatry - zachodzą wszystkie te procesy, które nazywamy „pogodą” i „klimatem”. Ponadto jest to najbardziej masywna i gęsta warstwa - stanowi 80% masy atmosfery i prawie całą zawartość wody. Żyje tu większość organizmów żywych.

Każdy wie, że im wyżej wspinamy się, tym robi się zimniej. To prawda – co 100 metrów w górę temperatura powietrza spada o 0,5-0,7 stopnia. Zasada ta działa jednak tylko w troposferze – wtedy temperatura zaczyna rosnąć wraz ze wzrostem wysokości. Strefa pomiędzy troposferą a stratosferą, w której temperatura pozostaje stała, nazywana jest tropopauzą. A wraz z wysokością wiatr przyspiesza – o 2–3 km/s na kilometr w górę. Dlatego paralotnie i lotnie preferują do lotów podwyższone płaskowyże i góry - tam zawsze będą w stanie „złapać falę”.

Wspomniane już dno powietrza, w którym atmosfera styka się z litosferą, nazywane jest powierzchniową warstwą przyścienną. Jego rola w cyrkulacji atmosferycznej jest niezwykle duża - przenoszenie ciepła i promieniowania z powierzchni powoduje powstawanie wiatrów i różnic ciśnień, a góry i inne nierówności terenu kierują nimi i oddzielają. Wymiana wody następuje natychmiast – w ciągu 8–12 dni cała woda pobrana z oceanów i powierzchni powraca z powrotem, zamieniając troposferę w swego rodzaju filtr wody.

  • Ciekawostką jest fakt, że ważny proces w życiu roślin, jakim jest transpiracja, polega na wymianie wody z atmosferą. Z jego pomocą flora planety aktywnie wpływa na klimat - na przykład duże obszary zielone łagodzą zmiany pogody i temperatury. Rośliny na terenach nasyconych wodą odparowują 99% wody pobranej z gleby. Przykładowo hektar pszenicy wypuszcza latem do atmosfery 2-3 tys. ton wody – to znacznie więcej, niż może uwolnić martwa gleba.

Normalne ciśnienie na powierzchni Ziemi wynosi około 1000 milibarów. Za normę uważa się ciśnienie 1013 mbar, czyli jedną „atmosferę” – zapewne spotkałeś się już z tą jednostką miary. Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie gwałtownie spada: na granicach troposfery (na wysokości 12 kilometrów) wynosi już 200 mBar, a na wysokości 45 kilometrów całkowicie spada do 1 mBar. Nic więc dziwnego, że w nasyconej troposferze gromadzi się 80% całej masy ziemskiej atmosfery.

Stratosfera

Warstwa atmosfery położona pomiędzy wysokością od 8 km (na biegunie) a 50 km (na równiku) nazywana jest stratosferą. Nazwa pochodzi od innego greckiego słowa „stratos”, co oznacza „podłoga, warstwa”. Jest to niezwykle rzadka strefa atmosfery ziemskiej, w której prawie nie ma pary wodnej. Ciśnienie powietrza w dolnej części stratosfery jest 10 razy mniejsze niż ciśnienie powierzchniowe, a w górnej 100 razy mniejsze.


W naszej rozmowie o troposferze dowiedzieliśmy się już, że temperatura w niej spada w zależności od wysokości. W stratosferze wszystko dzieje się dokładnie odwrotnie – wraz ze wzrostem wysokości temperatura wzrasta z –56°C do 0–1°C. Ogrzewanie zatrzymuje się w stratopauzie, na granicy stratosfery i mezosfery.

Życie i człowiek w stratosferze

Samoloty pasażerskie i samoloty naddźwiękowe zwykle latają w dolnych warstwach stratosfery - to nie tylko chroni je przed niestabilnością przepływów powietrza w troposferze, ale także ułatwia ich poruszanie się ze względu na niski opór aerodynamiczny. A niskie temperatury i rozrzedzone powietrze pozwalają zoptymalizować zużycie paliwa, co jest szczególnie ważne w przypadku lotów długodystansowych.

Istnieje jednak techniczna granica wysokości lotu statku powietrznego – przepływ powietrza, który w stratosferze jest tak mały, jest niezbędny do pracy silników odrzutowych. W związku z tym, aby osiągnąć wymagane ciśnienie powietrza w turbinie, samolot musi poruszać się szybciej niż prędkość dźwięku. Dlatego wysoko w stratosferze (na wysokości 18–30 kilometrów) mogą poruszać się wyłącznie wozy bojowe i samoloty naddźwiękowe typu Concordes. Zatem głównymi „mieszkańcami” stratosfery są sondy pogodowe przymocowane do balonów - mogą tam pozostać przez długi czas, zbierając informacje o dynamice leżącej pod spodem troposfery.

Czytelnik zapewne już wie, że mikroorganizmy – tzw. aeroplankton – występują w atmosferze aż do warstwy ozonowej. Jednak nie tylko bakterie są w stanie przetrwać w stratosferze. Tak więc, gdy sęp afrykański uderzył w silnik samolotu na wysokości 11,5 tys. Metrów - specjalna odmiana sęp. A niektóre kaczki spokojnie przelatują nad Everestem podczas swoich migracji.

Jednak największym stworzeniem, jakie kiedykolwiek żyło w stratosferze, pozostaje człowiek. Aktualny rekord wzrostu ustanowił Alan Eustace, wiceprezes Google. W dniu skoku miał 57 lat! W specjalnym balonie wzniósł się na wysokość 41 kilometrów nad poziomem morza, a następnie zeskoczył ze spadochronem. Prędkość, jaką osiągnął w szczytowym momencie upadku, wyniosła 1342 km/h – więcej niż prędkość dźwięku! Jednocześnie Eustachy stał się pierwszą osobą, która samodzielnie przekroczyła próg prędkości dźwięku (nie licząc w całości skafandra kosmicznego do podtrzymywania życia i spadochronów do lądowania).

  • Ciekawostka - aby odłączyć się od balon na gorące powietrze, Eustachy potrzebował urządzenia wybuchowego – takiego, jakiego używają rakiety kosmiczne podczas odłączania stopni.

Warstwa ozonowa

A na granicy stratosfery i mezosfery znajduje się słynna warstwa ozonowa. Chroni powierzchnię Ziemi przed działaniem promieni ultrafioletowych, a jednocześnie służy jako górna granica rozprzestrzeniania się życia na planecie – nad nią temperatura, ciśnienie i promieniowanie kosmiczne szybko położą kres nawet najbardziej uporczywym bakteria.

Skąd wzięła się ta tarcza? Odpowiedź jest niesamowita – został stworzony przez organizmy żywe, a dokładniej przez tlen, który od niepamiętnych czasów wydzielają różne bakterie, glony i rośliny. Unoszący się wysoko w atmosferze tlen wchodzi w kontakt z promieniowaniem ultrafioletowym i wchodzi w reakcję fotochemiczną. W rezultacie zwykły tlen, którym oddychamy, O 2, wytwarza ozon – O 3.

Paradoksalnie, ozon powstający w wyniku promieniowania Słońca chroni nas przed tym samym promieniowaniem! Ozon również nie odbija, lecz pochłania promieniowanie ultrafioletowe – ogrzewając w ten sposób otaczającą go atmosferę.

Mezosfera

Wspomnieliśmy już, że nad stratosferą, a dokładniej nad stratopauzą, warstwą graniczną o stabilnej temperaturze, znajduje się mezosfera. Ta stosunkowo niewielka warstwa znajduje się na wysokości od 40–45 do 90 kilometrów nad poziomem morza i jest najzimniejszym miejscem na naszej planecie – w mezopauzie, górnej warstwie mezosfery, powietrze ochładza się do –143°C.

Mezosfera jest najmniej zbadaną częścią atmosfery ziemskiej. Ekstremalnie niskie ciśnienie gazu, które jest od tysiąca do dziesięciu tysięcy razy niższe niż ciśnienie powierzchniowe, ogranicza ruch balony- ich siła nośna sięga zera, a po prostu wiszą w miejscu. To samo dzieje się z samolotami odrzutowymi - aerodynamika skrzydła i korpusu samolotu traci znaczenie. Dlatego w mezosferze mogą latać rakiety lub samoloty z silnikami rakietowymi - samoloty rakietowe. Należą do nich samolot rakietowy X-15, który zajmuje pozycję najszybszego samolotu na świecie: wzniósł się na wysokość 108 kilometrów i osiągnął prędkość 7200 km/h – 6,72 razy większą niż prędkość dźwięku.

Jednak rekordowy lot X-15 trwał tylko 15 minut. Symbolizuje to ogólny problem pojazdów poruszających się w mezosferze - są one zbyt szybkie, aby przeprowadzić jakiekolwiek dokładne badania i nie pozostają długo na danej wysokości, ani nie latają wyżej, ani nie spadają. Również mezosfery nie można badać za pomocą satelitów ani sond suborbitalnych - choć ciśnienie w tej warstwie atmosfery jest niskie, spowalnia to (a czasami spala) statek kosmiczny. Z powodu tych trudności naukowcy często nazywają mezosferę „ignorosferą” (od angielskiego „ignorosfery”, gdzie „ignorancja” to ignorancja, brak wiedzy).

To właśnie w mezosferze spala się większość meteorów spadających na Ziemię – to tam wybucha rój meteorów Perseidów, zwany „sierpniowym rojem meteorów”. Efekt świetlny pojawia się, gdy ciało kosmiczne wchodzi w atmosferę ziemską kąt ostry przy prędkości powyżej 11 km/h – meteoryt zapala się pod wpływem siły tarcia.

Utraciwszy masę w mezosferze, pozostałości „obcych” osiadają na Ziemi w postaci kosmicznego pyłu - codziennie na planetę spada od 100 do 10 tysięcy ton materii meteorytowej. Ponieważ pojedyncze ziarna pyłu są bardzo lekkie, dotarcie na powierzchnię Ziemi zajmuje im nawet miesiąc! Dostając się do chmur, czynią je cięższymi, a nawet czasami powodują deszcz - podobnie jak popiół wulkaniczny lub cząsteczki z niego powstałe eksplozje nuklearne. Jednak wpływ pyłu kosmicznego na powstawanie opadów uważa się za niewielki - nawet 10 tysięcy ton to za mało, aby poważnie zmienić naturalną cyrkulację atmosfery ziemskiej.

Termosfera

Nad mezosferą, na wysokości 100 kilometrów nad poziomem morza, przebiega linia Karmana – umowna granica między Ziemią a kosmosem. Chociaż są tam gazy, które krążą wraz z Ziemią i technicznie dostają się do atmosfery, ich ilość powyżej linii Karmana jest niezauważalnie mała. Dlatego każdy lot przekraczający wysokość 100 kilometrów jest już uważany za kosmiczny.

Dolna granica najdłuższej warstwy atmosfery, termosfery, pokrywa się z linią Karmana. Wznosi się na wysokość 800 kilometrów i charakteryzuje się wyjątkowo wysokimi temperaturami – na wysokości 400 kilometrów osiąga maksymalnie 1800°C!

Jest gorąco, prawda? W temperaturze 1538°C żelazo zaczyna się topić – w jaki sposób zatem statek kosmiczny może pozostać nienaruszony w termosferze? Chodzi o wyjątkowo niskie stężenie gazów w górnych warstwach atmosfery – ciśnienie w środku termosfery jest 1 000 000 razy mniejsze niż stężenie powietrza na powierzchni Ziemi! Energia poszczególnych cząstek jest wysoka, ale odległość między nimi jest ogromna, a statki kosmiczne zasadniczo znajdują się w próżni. Nie pomaga im to jednak pozbyć się ciepła emitowanego przez mechanizmy – w celu odprowadzenia ciepła wszystkie statki kosmiczne wyposażane są w grzejniki emitujące nadmiar energii.

  • Na notatce. Jeśli chodzi o wysokie temperatury, zawsze warto wziąć pod uwagę gęstość gorącej materii – na przykład naukowcy ze Zderzacza Hadronów potrafią faktycznie podgrzać materię do temperatury Słońca. Wiadomo jednak, że będą to pojedyncze cząsteczki – do potężnej eksplozji wystarczyłby jeden gram materii gwiezdnej. Dlatego nie powinniśmy wierzyć żółtej prasie, która obiecuje nam rychły koniec świata z „ręk” Zderzacza, tak jak nie powinniśmy bać się upału w termosferze.

Termosfera i astronautyka

Właściwie to termosfera przestrzeń kosmiczna- w jego granicach znajdowała się orbita pierwszego radzieckiego Sputnika. Było też apocentrum - najwyższy punkt nad Ziemią - lot statku kosmicznego Wostok-1 z Jurijem Gagarinem na pokładzie. Wiele sztuczne satelity do badania powierzchni Ziemi, oceanów i atmosfery, podobnie jak satelity mapy Google, są również wystrzeliwane na tę wysokość. Dlatego jeśli mówimy o LEO (Low Reference Orbit, powszechne określenie w astronautyce), to w 99% przypadków ma on miejsce w termosferze.

Loty orbitalne ludzi i zwierząt nie odbywają się tylko w termosferze. Faktem jest, że w jego górnej części, na wysokości 500 kilometrów, rozciągają się pasy radiacyjne Ziemi. To tam znajdują się naładowane cząstki wiatr słoneczny są wychwytywane i gromadzone przez magnetosferę. Długotrwałe przebywanie w pasach radiacyjnych powoduje nieodwracalne szkody dla organizmów żywych, a nawet elektroniki - dlatego wszystkie pojazdy wysokoorbitalne są chronione przed promieniowaniem.

Zorze

Na polarnych szerokościach geograficznych często pojawia się spektakularny i wspaniały spektakl - zorze polarne. Wyglądają jak długie świecące łuki o różnych kolorach i kształtach, które mienią się na niebie. Ziemia swój wygląd zawdzięcza swojej magnetosferze - a dokładniej dziurom w pobliżu biegunów. Naładowane cząsteczki wiatru słonecznego przedostają się przez nią, powodując świecenie atmosfery. Tutaj możesz podziwiać najbardziej spektakularne światła i dowiedzieć się więcej o ich pochodzeniu.

Obecnie zorze polarne są codziennością mieszkańców krajów okołobiegunowych, takich jak Kanada czy Norwegia, a także obowiązkowym punktem programu każdego turysty – wcześniej jednak przypisywano im nadprzyrodzone właściwości. Ludzie starożytni postrzegali kolorowe światła jako bramy do nieba, mityczne stworzenia i ogniska duchów, a ich zachowanie uważano za proroctwa. I można zrozumieć naszych przodków - nawet edukacja i wiara we własne umysły czasami nie są w stanie powstrzymać ich szacunku dla sił natury.

Egzosfera

Ostatnią warstwą atmosfery ziemskiej, której dolna granica przebiega na wysokości 700 kilometrów, jest egzosfera (od drugiej greckiej odry „exo” - na zewnątrz, na zewnątrz). Jest niesamowicie rozproszony i składa się głównie z atomów najlżejszego pierwiastka - wodoru; Istnieją również pojedyncze atomy tlenu i azotu, które są silnie zjonizowane przez wszechprzenikające promieniowanie słoneczne.

Wymiary egzosfery Ziemi są niewiarygodnie duże - wyrasta ona w koronę ziemską, geokoronę, która rozciąga się do 100 tysięcy kilometrów od planety. Jest bardzo rzadka - stężenie cząstek jest miliony razy mniejsze niż gęstość zwykłego powietrza. Ale jeśli Księżyc zasłania Ziemię na odległość statek kosmiczny, wtedy korona naszej planety będzie widoczna, tak jak korona Słońca jest dla nas widoczna podczas jego zaćmienia. Zjawiska tego jednak dotychczas nie zaobserwowano.

Wietrzenie atmosfery

To także w egzosferze dochodzi do wietrzenia ziemskiej atmosfery – ze względu na dużą odległość od środka grawitacyjnego planety cząstki łatwo odrywają się od całkowitej masy gazu i wchodzą na własne orbity. Zjawisko to nazywane jest rozpraszaniem atmosferycznym. Nasza planeta co sekundę traci z atmosfery 3 kilogramy wodoru i 50 gramów helu. Tylko te cząstki są wystarczająco lekkie, aby uciec z ogólnej masy gazu.

Proste obliczenia pokazują, że Ziemia traci rocznie około 110 tysięcy ton masy atmosferycznej. Czy to jest niebezpieczne? W rzeczywistości nie - zdolność naszej planety do „produkcji” wodoru i helu przekracza tempo strat. Ponadto część utraconej materii z czasem powraca do atmosfery. A ważne gazy, takie jak tlen i dwutlenek węgla, są po prostu zbyt ciężkie, aby masowo opuścić Ziemię, więc nie ma potrzeby martwić się o ucieczkę ziemskiej atmosfery.

  • Ciekawostką jest to, że „prorocy” końca świata często mówią, że jeśli jądro Ziemi przestanie się obracać, atmosfera szybko ulegnie erozji pod naporem wiatru słonecznego. Jednak nasz czytelnik wie, że atmosfera w pobliżu Ziemi utrzymywana jest w całości przez siły grawitacyjne, które będą działać niezależnie od rotacji jądra. Wyraźnym dowodem na to jest Wenus, która ma nieruchome jądro i słabe pole magnetyczne, ale jej atmosfera jest 93 razy gęstsza i cięższa od ziemskiej. Nie oznacza to jednak, że zatrzymanie dynamiki jądra Ziemi jest bezpieczne – wówczas pole magnetyczne planety zaniknie. Jego rola polega nie tyle na powstrzymywaniu atmosfery, ile na ochronie przed naładowanymi cząsteczkami pochodzącymi z wiatru słonecznego, które z łatwością mogłyby zamienić naszą planetę w radioaktywną pustynię.

Chmury

Woda na Ziemi występuje nie tylko w rozległym oceanie i licznych rzekach. W atmosferze znajduje się około 5,2 x 10 15 kilogramów wody. Występuje niemal wszędzie – udział pary w powietrzu waha się od 0,1% do 2,5% objętości w zależności od temperatury i lokalizacji. Jednak większość wody gromadzi się w chmurach, gdzie jest magazynowana nie tylko w postaci gazu, ale także w postaci małych kropelek i kryształków lodu. Stężenie wody w chmurach sięga 10 g/m 3 - a ponieważ chmury osiągają objętość kilku kilometrów sześciennych, masa wody w nich sięga dziesiątek i setek ton.

Chmury są najbardziej widoczną formacją na Ziemi; widać je nawet z Księżyca, gdzie gołym okiem rozmywają się zarysy kontynentów. I nie jest to dziwne - w końcu ponad 50% Ziemi jest stale pokryte chmurami!

Chmury odgrywają niezwykle ważną rolę w wymianie ciepła na Ziemi. Zimą wychwytują promienie słoneczne, podwyższając temperaturę pod sobą na skutek efektu cieplarnianego, a latem osłaniają ogromną energię Słońca. Chmury równoważą także różnice temperatur pomiędzy dniem i nocą. Nawiasem mówiąc, to właśnie z powodu ich braku pustynie tak bardzo ochładzają się w nocy - całe ciepło zgromadzone przez piasek i skały swobodnie leci w górę, podczas gdy w innych regionach powstrzymują je chmury.

Zdecydowana większość chmur powstaje w pobliżu powierzchni Ziemi, w troposferze, jednak w dalszym rozwoju przyjmują one najwięcej różne formy i właściwości. Ich separacja jest bardzo przydatna – pojawienie się różnego rodzaju chmur może nie tylko pomóc przewidzieć pogodę, ale także określić obecność zanieczyszczeń w powietrzu! Przyjrzyjmy się bliżej głównym rodzajom chmur.

Niskie chmury

Chmury, które znajdują się najniżej nad ziemią, nazywane są chmurami niższego poziomu. Charakteryzują się dużą jednorodnością i małą masą – gdy opadną na ziemię, meteorolodzy nie odróżniają ich od zwykłej mgły. Jest jednak między nimi różnica – niektóre po prostu zasłaniają niebo, inne zaś mogą wybuchnąć w wyniku ulewnego deszczu i śniegu.

  • Chmury, które mogą powodować obfite opady, obejmują chmury nimbostratus. Są największe wśród chmur niższych warstw: ich grubość sięga kilku kilometrów, a wymiary liniowe przekraczają tysiące kilometrów. Stanowią jednorodną szarą masę – spójrz w niebo podczas długiego deszczu, a prawdopodobnie zobaczysz chmury nimbostratus.
  • Innym rodzajem chmur niskopoziomowych jest stratocumulus, który wznosi się 600–1500 metrów nad ziemią. Są to grupy setek szarobiałych chmur oddzielonych małymi przerwami. Takie chmury zwykle widzimy w dni częściowo pochmurne. Rzadko pada deszcz lub śnieg.
  • Ostatnim typem chmury dolnej jest chmura stratus zwyczajna; To one zakrywają niebo w pochmurne dni, kiedy z nieba spada lekka mżawka. Są bardzo cienkie i niskie – wysokość chmur stratusowych sięga maksymalnie 400–500 metrów. Ich budowa jest bardzo podobna do mgły - schodząc nocą na samą ziemię, często tworzą gęstą poranną mgłę.

Chmury rozwoju pionowego

Chmury niższego poziomu mają starszych braci - chmury rozwoju pionowego. Chociaż ich dolna granica leży na małej wysokości 800–2000 kilometrów, chmury rozwoju pionowego gwałtownie pędzą w górę - ich grubość może sięgać 12–14 kilometrów, co przesuwa ich górną granicę do granic troposfery. Takie chmury nazywane są również konwekcyjnymi: ze względu na ich duże rozmiary woda w nich osiąga różną temperaturę, co powoduje konwekcję - proces przemieszczania gorących mas w górę i zimnych mas w dół. Dlatego w chmurach rozwoju pionowego występuje jednocześnie para wodna, małe kropelki, płatki śniegu, a nawet całe kryształki lodu.

  • Głównym rodzajem chmur pionowych są chmury cumulus – ogromne białe chmury przypominające podarte kawałki waty lub góry lodowe. Ich istnienie wymaga wysokich temperatur powietrza - dlatego w środkowej Rosji pojawiają się tylko latem i topią się w nocy. Ich miąższość sięga kilku kilometrów.
  • Kiedy jednak chmury cumulus mają okazję się zebrać, tworzą znacznie bardziej imponującą formę - chmury cumulonimbus. To od nich latem przychodzą ulewne deszcze, grad i burze. Istnieją zaledwie kilka godzin, ale jednocześnie dorastają do 15 kilometrów – ich górna część osiąga temperaturę –10°C i składa się z kryształków lodu.Na szczytach największych chmur Cumulonimbus znajdują się „kowadła” uformowane - płaskie obszary przypominające grzyb lub odwrócone żelazo. Dzieje się tak w tych obszarach, gdzie chmura osiąga granicę stratosfery - fizyka nie pozwala jej na dalsze rozprzestrzenianie się, dlatego chmura cumulonimbus rozprzestrzenia się wzdłuż granicy wysokości.
  • Ciekawostką jest to, że potężne chmury cumulonimbus powstają w miejscach erupcji wulkanów, uderzeń meteorytów i wybuchów nuklearnych. Chmury te są największe - ich granice sięgają nawet stratosfery, osiągając wysokość 16 kilometrów. Nasycone odparowaną wodą i mikrocząsteczkami emitują potężne burze - w większości przypadków wystarczy to do ugaszenia pożarów związanych z kataklizmem. To taki urodzony strażak :)

Chmury średniego poziomu

W środkowej części troposfery (na wysokości 2–7 km na średnich szerokościach geograficznych) występują chmury średniego poziomu. Charakteryzują się dużymi obszarami – są mniej narażone na działanie prądów wstępujących z powierzchni ziemi i nierównym krajobrazem – oraz małą, kilkusetmetrową miąższością. Są to chmury, które „winą się” wokół ostrych szczytów górskich i unoszą się w ich pobliżu.

Same chmury średniego poziomu dzielą się na dwa główne typy - altostratus i altocumulus.

  • Chmury Altostratus są jednym ze składników złożonych mas atmosferycznych. Przedstawiają jednolitą, szaro-niebieską zasłonę, przez którą widoczne jest Słońce i Księżyc – choć chmury altostratus mają tysiące kilometrów długości, to mają zaledwie kilka kilometrów grubości. Szara, gęsta zasłona widoczna z okna samolotu lecącego na dużej wysokości to właśnie chmury altostratus. Często pada deszcz lub śnieg przez długi czas.
  • Chmury Altocumulus, przypominające małe kawałki podartej waty lub cienkie równoległe paski, występują w ciepłym sezonie - powstają, gdy ciepłe masy powietrza wznoszą się na wysokość 2–6 kilometrów. Chmury Altocumulus służą jako pewny wskaźnik nadchodzącej zmiany pogody i zbliżania się deszczu - mogą powstać nie tylko w wyniku naturalnej konwekcji atmosfery, ale także nadejścia mas zimnego powietrza. Rzadko kiedy pada deszcz - jednakże chmury mogą się zbiegać i tworzyć jedną dużą chmurę deszczową.

A skoro mowa o chmurach w pobliżu gór, na zdjęciach (a może nawet w prawdziwym życiu) zapewne widziałeś okrągłe chmury przypominające waciki, które wielokrotnie wisiały warstwami nad szczytem góry. Faktem jest, że chmury średniego poziomu często mają kształt soczewkowaty lub soczewkowaty – podzielone na kilka równoległych warstw. Tworzą je fale powietrza powstające, gdy wiatr opływa strome szczyty. Chmury soczewkowe wyróżniają się także tym, że wiszą na miejscu nawet przy najsilniejszym wietrze. Umożliwia to ich natura – ponieważ takie chmury powstają w miejscach styku kilku prądów powietrza, znajdują się one w stosunkowo stabilnym położeniu.

Górne chmury

Ostatni poziom zwykłych chmur, które wznoszą się do dolnych warstw stratosfery, nazywany jest górnym poziomem. Wysokość takich chmur sięga 6–13 kilometrów - jest tam bardzo zimno, dlatego chmury na górnej warstwie składają się z małych kry lodowych. Ze względu na ich włóknisty, rozciągnięty, przypominający pióro kształt, wysokie chmury nazywane są również cirrusami, chociaż kaprysy atmosfery często nadają im kształt pazurów, płatków, a nawet szkieletów ryb. Wytwarzane przez nie opady nigdy nie docierają do ziemi, ale sama obecność chmur cirrus jest starożytnym sposobem przewidywania pogody.

  • Chmury czyste cirrus są najdłuższe wśród chmur górnych warstw - długość pojedynczego włókna może sięgać kilkudziesięciu kilometrów. Ponieważ kryształki lodu w chmurach są wystarczająco duże, aby wyczuć grawitację Ziemi, chmury cirrus „opadają” całymi kaskadami - odległość między górnym i dolnym punktem pojedynczej chmury może sięgać 3-4 kilometrów! W rzeczywistości chmury cirrus są ogromnymi „lodami”. To właśnie różnice w kształcie kryształków wody tworzą ich włóknisty, strumieniowy kształt.
  • W tej klasie znajdują się także chmury praktycznie niewidoczne – chmury cirrostratus. Tworzą się, gdy duże masy powietrza przypowierzchniowego unoszą się w górę – na dużych wysokościach ich wilgotność jest wystarczająca, aby utworzyć chmurę. Gdy prześwieca przez nie Słońce lub Księżyc, pojawia się aureola – świecący tęczowy dysk rozproszonych promieni.

nocne chmury

Chmury nocne – najwyższe chmury na Ziemi – należy umieścić w osobnej klasie. Wspinają się na wysokość 80 kilometrów, czyli nawet wyżej niż stratosfera! Ponadto mają nietypowy skład – w odróżnieniu od innych chmur składają się z pyłu meteorytowego i metanu, a nie z wody. Chmury te widoczne są dopiero po zachodzie słońca lub przed świtem – promienie słoneczne przenikające zza horyzontu oświetlają nocne chmury, które w ciągu dnia pozostają niewidoczne na wysokościach.

Nocne chmury to niesamowicie piękny widok - ale żeby je zobaczyć na półkuli północnej, trzeba specjalne warunki. A ich zagadka nie była tak łatwa do rozwiązania - bezsilni naukowcy nie chcieli w nie wierzyć, deklarując srebrne chmury złudzenie optyczne. Z naszego specjalnego artykułu możesz przyjrzeć się niezwykłym chmurom i poznać ich tajemnice.

Tworzenie atmosfery. Obecnie atmosfera ziemska jest mieszaniną gazów – 78% azotu, 21% tlenu i niewielkich ilości innych gazów, np. dwutlenku węgla. Ale kiedy planeta pojawiła się po raz pierwszy, w atmosferze nie było tlenu – składała się z gazów, które pierwotnie istniały w Układzie Słonecznym.

Ziemia powstała, gdy małe skaliste ciała utworzone z pyłu i gazu z mgławicy słonecznej, zwane planetoidami, zderzyły się ze sobą i stopniowo przybrały kształt planety. W miarę wzrostu gazy zawarte w planetoidach wybuchły i otoczyły kulę ziemską. Po pewnym czasie pierwsze rośliny zaczęły wydzielać tlen, a pierwotna atmosfera rozwinęła się w obecną gęstą otoczkę powietrzną.

Pochodzenie atmosfery

  1. Deszcz małych planetoid spadł na rodzącą się Ziemię 4,6 miliarda lat temu. Gazy z mgławicy słonecznej uwięzione wewnątrz planety wybuchły podczas zderzenia i utworzyły prymitywną atmosferę ziemską, składającą się z azotu, dwutlenku węgla i pary wodnej.
  2. Ciepło uwolnione podczas formowania się planety jest zatrzymywane przez warstwę gęstych chmur w pierwotnej atmosferze. „Gazy cieplarniane”, takie jak dwutlenek węgla i para wodna, zatrzymują promieniowanie ciepła w przestrzeń kosmiczną. Powierzchnia Ziemi zalana jest wrzącym morzem stopionej magmy.
  3. Kiedy zderzenia planetoid stały się rzadsze, Ziemia zaczęła się ochładzać i pojawiły się oceany. Z gęstych chmur skrapla się para wodna, a trwające kilka eonów deszcze stopniowo zalewają niziny. W ten sposób pojawiają się pierwsze morza.
  4. Powietrze jest oczyszczane w wyniku kondensacji pary wodnej, tworząc oceany. Z biegiem czasu rozpuszcza się w nich dwutlenek węgla, a w atmosferze dominuje obecnie azot. Z powodu braku tlenu nie tworzy się ochronna warstwa ozonowa, a promienie ultrafioletowe ze słońca docierają bez przeszkód do powierzchni ziemi.
  5. Życie pojawia się w starożytnych oceanach w ciągu pierwszego miliarda lat. Najprostsze niebiesko-zielone algi są chronione przed promieniowaniem ultrafioletowym woda morska. Do produkcji energii wykorzystują światło słoneczne i dwutlenek węgla, uwalniając jako produkt uboczny tlen, który stopniowo zaczyna gromadzić się w atmosferze.
  6. Miliardy lat później tworzy się atmosfera bogata w tlen. Reakcje fotochemiczne w górnych warstwach atmosfery tworzą cienką warstwę ozonu, która rozprasza szkodliwe światło ultrafioletowe. Życie może teraz wydostać się z oceanów na ląd, gdzie ewolucja doprowadziła do powstania wielu złożonych organizmów.

Miliardy lat temu gruba warstwa prymitywnych glonów zaczęła uwalniać tlen do atmosfery. Przeżyli do Dzisiaj w postaci skamieniałości zwanych stromatolitami.

Pochodzenie wulkaniczne

1. Starożytna, pozbawiona powietrza Ziemia. 2. Erupcja gazów.

Według tej teorii na powierzchni młodej planety Ziemia aktywnie wybuchały wulkany. Wczesna atmosfera prawdopodobnie powstała, gdy gazy uwięzione w krzemowej powłoce planety wydostały się przez wulkany.