Wie sich die Atmosphäre verändert. Die Atmosphäre der Erde und die physikalischen Eigenschaften der Luft

Die Erdatmosphäre ist die gasförmige Hülle unseres Planeten. Seine untere Grenze verläuft auf der Ebene der Erdkruste und Hydrosphäre, die obere in den erdnahen Bereich des Weltraums. Die Atmosphäre enthält etwa 78 % Stickstoff, 20 % Sauerstoff, bis zu 1 % Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Helium, Neon und einige andere Gase.

Diese Erdhülle zeichnet sich durch eine klar definierte Schichtung aus. Die Schichten der Atmosphäre werden durch die vertikale Temperaturverteilung und die unterschiedliche Dichte der Gase auf ihren verschiedenen Ebenen bestimmt. Es gibt solche Schichten der Erdatmosphäre: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, Exosphäre. Die Ionosphäre wird separat unterschieden.

Bis zu 80 % der Gesamtmasse der Atmosphäre macht die Troposphäre aus – die untere Oberflächenschicht der Atmosphäre. Die Troposphäre in den Polarzonen liegt auf einer Höhe von bis zu 8–10 km über der Erdoberfläche, in der tropischen Zone – maximal 16–18 km. Zwischen der Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre liegt die Tropopause – die Übergangsschicht. In der Troposphäre nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe ab und der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab. Der durchschnittliche Temperaturgradient in der Troposphäre beträgt 0,6°C pro 100 m. Die Temperatur auf verschiedenen Ebenen dieser Hülle wird durch die Absorption der Sonnenstrahlung und die Effizienz der Konvektion bestimmt. Fast alle menschlichen Aktivitäten finden in der Troposphäre statt. Am meisten hohe Berge Gehen Sie nicht über die Troposphäre hinaus, nur der Lufttransport kann die obere Grenze dieser Schale bis in eine geringe Höhe überschreiten und in die Stratosphäre gelangen. In der Troposphäre ist ein großer Anteil an Wasserdampf enthalten, der die Entstehung fast aller Wolken bestimmt. Außerdem konzentrieren sich fast alle Aerosole (Staub, Rauch etc.), die sich auf der Erdoberfläche bilden, in der Troposphäre. In der unteren Grenzschicht der Troposphäre äußern sich tägliche Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen, die Windgeschwindigkeit nimmt meist ab (sie nimmt mit der Höhe zu). In der Troposphäre kommt es in horizontaler Richtung zu einer variablen Aufteilung der Luftsäule in Luftmassen, die sich je nach Zone und Entstehungsgebiet in einer Reihe von Eigenschaften unterscheiden. An atmosphärischen Fronten – den Grenzen zwischen Luftmassen – bilden sich Zyklone und Antizyklone, die für einen bestimmten Zeitraum das Wetter in einem bestimmten Gebiet bestimmen.

Die Stratosphäre ist die Schicht der Atmosphäre zwischen der Troposphäre und der Mesosphäre. Die Grenzen dieser Schicht reichen von 8–16 km bis 50–55 km über der Erdoberfläche. In der Stratosphäre ist die Gaszusammensetzung der Luft ungefähr dieselbe wie in der Troposphäre. Besonderheit– eine Abnahme der Wasserdampfkonzentration und eine Erhöhung des Ozongehalts. Die Ozonschicht der Atmosphäre, die die Biosphäre vor der aggressiven Wirkung des ultravioletten Lichts schützt, liegt in einer Höhe von 20 bis 30 km. In der Stratosphäre steigt die Temperatur mit der Höhe und die Temperaturwerte werden durch die Sonneneinstrahlung bestimmt und nicht wie in der Troposphäre durch Konvektion (Bewegungen der Luftmassen). Die Erwärmung der Luft in der Stratosphäre ist auf die Absorption ultravioletter Strahlung durch Ozon zurückzuführen.

Die Mesosphäre erstreckt sich über der Stratosphäre bis zu einer Höhe von 80 km. Diese Schicht der Atmosphäre zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperatur mit zunehmender Höhe von 0 °C auf - 90 °C abnimmt. Dies ist der kälteste Bereich der Atmosphäre.

Oberhalb der Mesosphäre befindet sich bis zu einer Höhe von 500 km die Thermosphäre. Von der Grenze zur Mesosphäre bis zur Exosphäre schwankt die Temperatur zwischen etwa 200 K und 2000 K. Bis zu einer Höhe von 500 km nimmt die Luftdichte um das Hunderttausendfache ab. Die relative Zusammensetzung der atmosphärischen Bestandteile der Thermosphäre ähnelt der Oberflächenschicht der Troposphäre, allerdings geht mit zunehmender Höhe mehr Sauerstoff in den atomaren Zustand über. Ein bestimmter Anteil der Moleküle und Atome der Thermosphäre befindet sich in einem ionisierten Zustand und ist in mehreren Schichten verteilt. Sie werden durch das Konzept der Ionosphäre vereint. Die Eigenschaften der Thermosphäre variieren in weiten Grenzen je nach geografischer Breite, der Menge der Sonneneinstrahlung, der Jahres- und Tageszeit.

Die obere Schicht der Atmosphäre ist die Exosphäre. Dies ist die dünnste Schicht der Atmosphäre. In der Exosphäre sind die mittleren freien Weglängen der Teilchen so groß, dass Teilchen ungehindert in den interplanetaren Raum entweichen können. Die Masse der Exosphäre beträgt ein Zehnmillionstel der Gesamtmasse der Atmosphäre. Die untere Grenze der Exosphäre liegt in einer Höhe von 450–800 km und die obere Grenze ist der Bereich, in dem die Partikelkonzentration die gleiche ist wie im Weltraum – mehrere tausend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Die Exosphäre besteht aus Plasma, einem ionisierten Gas. Auch in der Exosphäre liegen die Strahlungsgürtel unseres Planeten.

Videopräsentation - Schichten der Erdatmosphäre:

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Die Atmosphäre ist die gasförmige Hülle unseres Planeten, die sich mit der Erde dreht. Das Gas in der Atmosphäre wird Luft genannt. Die Atmosphäre steht in Kontakt mit der Hydrosphäre und bedeckt teilweise die Lithosphäre. Es ist jedoch schwierig, die Obergrenzen festzulegen. Herkömmlicherweise geht man davon aus, dass sich die Atmosphäre etwa dreitausend Kilometer nach oben erstreckt. Dort fließt es sanft in den luftleeren Raum.

Die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Die Bildung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre begann vor etwa vier Milliarden Jahren. Anfangs bestand die Atmosphäre nur aus leichten Gasen – Helium und Wasserstoff. Wissenschaftlern zufolge waren die ersten Voraussetzungen für die Entstehung einer Gashülle um die Erde Vulkanausbrüche, die zusammen mit Lava große Mengen an Gasen ausstießen. Anschließend begann der Gasaustausch mit Wasserräumen, mit lebenden Organismen und den Produkten ihrer Aktivität. Die Zusammensetzung der Luft veränderte sich nach und nach und wurde in ihrer heutigen Form vor mehreren Millionen Jahren festgelegt.

Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Stickstoff (ca. 79 %) und Sauerstoff (20 %). Der verbleibende Anteil (1 %) entfällt auf folgende Gase: Argon, Neon, Helium, Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff, Krypton, Xenon, Ozon, Ammoniak, Schwefeldioxid und Stickstoff, Lachgas und Kohlenmonoxid, darin enthalten ein Prozent.

Darüber hinaus enthält die Luft Wasserdampf und Feinstaub (Pflanzenpollen, Staub, Salzkristalle, Aerosolverunreinigungen).

IN In letzter Zeit Wissenschaftler stellen fest, nicht qualitativ, sondern quantitative Veränderung einige luftige Zutaten. Und der Grund dafür ist der Mensch und sein Handeln. Erst in den letzten 100 Jahren ist der Kohlendioxidgehalt deutlich gestiegen! Dies ist mit vielen Problemen behaftet, von denen der Klimawandel das globalste ist.

Entstehung von Wetter und Klima

Die Atmosphäre spielt eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Klimas und Wetters auf der Erde. Viel hängt von der Menge des Sonnenlichts, von der Beschaffenheit des Untergrunds und der atmosphärischen Zirkulation ab.

Schauen wir uns die Faktoren der Reihe nach an.

1. Die Atmosphäre überträgt die Wärme der Sonnenstrahlen und absorbiert schädliche Strahlung. Die alten Griechen wussten, dass die Sonnenstrahlen in unterschiedlichen Winkeln auf verschiedene Teile der Erde fallen. Das Wort „Klima“ selbst bedeutet in der Übersetzung aus dem Altgriechischen „Hang“. Am Äquator fallen die Sonnenstrahlen also fast senkrecht ein, weil es hier sehr heiß ist. Je näher an den Polen, desto mehr Winkel Neigung. Und die Temperatur sinkt.

2. Durch die ungleichmäßige Erwärmung der Erde bilden sich Luftströmungen in der Atmosphäre. Sie werden nach ihrer Größe klassifiziert. Die kleinsten (Zehner und Hunderte Meter) sind lokale Winde. Es folgen Monsune und Passatwinde, Zyklone und Antizyklone sowie planetare Frontalzonen.

Alle diese Luftmassen sind ständig in Bewegung. Einige von ihnen sind ziemlich statisch. Zum Beispiel die Passatwinde, die von den Subtropen in Richtung Äquator wehen. Die Bewegung anderer hängt weitgehend vom atmosphärischen Druck ab.

3. Der Atmosphärendruck ist ein weiterer Einflussfaktor auf die Klimabildung. Dies ist der Luftdruck auf der Erdoberfläche. Wie Sie wissen, bewegen sich Luftmassen von einem Gebiet mit hohem Luftdruck in ein Gebiet mit niedrigerem Luftdruck.

Insgesamt gibt es 7 Zonen. Der Äquator ist eine Tiefdruckzone. Darüber hinaus gibt es auf beiden Seiten des Äquators bis zum dreißigsten Breitengrad ein Hochdruckgebiet. Von 30° bis 60° – wieder niedriger Druck. Und von 60° bis zu den Polen – eine Hochdruckzone. Zwischen diesen Zonen zirkulieren Luftmassen. Diejenigen, die vom Meer an Land wehen, bringen Regen und schlechtes Wetter, und diejenigen, die von den Kontinenten wehen, bringen klares und trockenes Wetter. An Orten, an denen Luftströmungen kollidieren, bilden sich atmosphärische Frontzonen, die durch Niederschläge und schlechtes, windiges Wetter gekennzeichnet sind.

Wissenschaftler haben bewiesen, dass sogar das Wohlbefinden eines Menschen vom Luftdruck abhängt. Von internationale Standards normaler Atmosphärendruck - 760 mm Hg. Kunst. Säule bei 0°C. Dieser Wert wird für die Landflächen berechnet, die nahezu auf Meereshöhe liegen. Der Druck nimmt mit der Höhe ab. Daher beispielsweise für St. Petersburg 760 mm Hg. Kunst. - ist die Norm. Aber für Moskau, das höher liegt, normaler Druck- 748 mm Hg

Der Druck ändert sich nicht nur vertikal, sondern auch horizontal. Dies ist besonders beim Durchzug von Wirbelstürmen zu spüren.

Die Struktur der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist wie eine Schichttorte. Und jede Schicht hat ihre eigenen Eigenschaften.

. Troposphäre ist die der Erde am nächsten gelegene Schicht. Die „Dicke“ dieser Schicht ändert sich, wenn man sich vom Äquator entfernt. Oberhalb des Äquators erstreckt sich die Schicht 16–18 km nach oben, in gemäßigten Zonen 10–12 km und an den Polen 8–10 km.

Hier sind 80 % der gesamten Luftmasse und 90 % des Wasserdampfs enthalten. Hier bilden sich Wolken, es entstehen Zyklone und Hochdruckgebiete. Die Lufttemperatur hängt von der Höhe des Gebiets ab. Im Durchschnitt sinkt sie alle 100 Meter um 0,65°C.

. Tropopause- Übergangsschicht der Atmosphäre. Seine Höhe beträgt mehrere hundert Meter bis 1-2 km. Die Lufttemperatur ist im Sommer höher als im Winter. So zum Beispiel über den Polen im Winter -65 °C. Und über dem Äquator sind es zu jeder Jahreszeit -70 °C.

. Stratosphäre- Dies ist eine Schicht, deren obere Grenze in einer Höhe von 50-55 Kilometern verläuft. Die Turbulenzen sind hier gering, der Wasserdampfgehalt der Luft ist vernachlässigbar. Aber viel Ozon. Seine maximale Konzentration liegt in einer Höhe von 20-25 km. In der Stratosphäre beginnt die Lufttemperatur zu steigen und erreicht +0,8 °C. Dies liegt daran, dass die Ozonschicht mit ultravioletter Strahlung interagiert.

. Stratopause- eine niedrige Zwischenschicht zwischen der Stratosphäre und der darauf folgenden Mesosphäre.

. Mesosphäre- Die Obergrenze dieser Schicht beträgt 80-85 Kilometer. Hier finden komplexe photochemische Prozesse unter Beteiligung freier Radikale statt. Sie sorgen für den sanften blauen Glanz unseres Planeten, der vom Weltraum aus zu sehen ist.

Die meisten Kometen und Meteoriten verglühen in der Mesosphäre.

. Mesopause- die nächste Zwischenschicht, deren Lufttemperatur mindestens -90 ° beträgt.

. Thermosphäre- Die untere Grenze beginnt in einer Höhe von 80 - 90 km und die obere Grenze der Schicht verläuft ungefähr bei 800 km. Die Lufttemperatur steigt. Sie kann zwischen +500° C und +1000° C schwanken. Tagsüber betragen die Temperaturschwankungen Hunderte von Grad! Aber die Luft ist hier so dünn, dass das Verständnis des Begriffs „Temperatur“, wie wir es uns vorstellen, hier nicht angemessen ist.

. Ionosphäre- vereint Mesosphäre, Mesopause und Thermosphäre. Die Luft besteht hier hauptsächlich aus Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen sowie quasi neutralem Plasma. Die Sonnenstrahlen, die in die Ionosphäre fallen, ionisieren Luftmoleküle stark. In der unteren Schicht (bis 90 km) ist der Ionisationsgrad gering. Je höher, desto mehr Ionisierung. In einer Höhe von 100–110 km sind die Elektronen also konzentriert. Dies trägt zur Reflexion kurzer und mittlerer Radiowellen bei.

Die wichtigste Schicht der Ionosphäre ist die obere, die sich in einer Höhe von 150-400 km befindet. Seine Besonderheit besteht darin, dass es Funkwellen reflektiert, was zur Übertragung von Funksignalen über große Entfernungen beiträgt.

In der Ionosphäre tritt ein Phänomen wie Aurora auf.

. Exosphäre- besteht aus Sauerstoff-, Helium- und Wasserstoffatomen. Das Gas in dieser Schicht ist sehr verdünnt und häufig entweichen Wasserstoffatome in den Weltraum. Daher wird diese Schicht „Streuzone“ genannt.

Der erste Wissenschaftler, der darauf hinwies, dass unsere Atmosphäre Gewicht hat, war der Italiener E. Torricelli. Ostap Bender zum Beispiel beklagte im Roman „Das goldene Kalb“, dass jede Person von einer 14 kg schweren Luftsäule gedrückt wurde! Aber großer Intrigant war ein wenig falsch. Ein erwachsener Mensch erfährt einen Druck von 13-15 Tonnen! Aber wir spüren diese Schwere nicht, denn der atmosphärische Druck wird durch den Innendruck eines Menschen ausgeglichen. Das Gewicht unserer Atmosphäre beträgt 5.300.000.000.000.000 Tonnen. Die Zahl ist kolossal, obwohl sie nur ein Millionstel des Gewichts unseres Planeten ausmacht.

Atmosphäre (aus dem Griechischen ατμός – „Dampf“ und σφαῖρα – „Kugel“) – Gashülle Himmelskörper durch die Schwerkraft herumgehalten. Atmosphäre – die gasförmige Hülle des Planeten, bestehend aus einer Mischung verschiedener Gase, Wasserdampf und Staub. Der Stoffaustausch zwischen der Erde und dem Kosmos erfolgt über die Atmosphäre. Die Erde nimmt kosmischen Staub und Meteoritenmaterial auf, verliert die leichtesten Gase: Wasserstoff und Helium. Die Erdatmosphäre wird durch und durch von der starken Strahlung der Sonne durchdrungen, die das thermische Regime der Planetenoberfläche bestimmt und die Dissoziation atmosphärischer Gasmoleküle und die Ionisierung von Atomen verursacht.

Die Erdatmosphäre enthält Sauerstoff, der von den meisten Lebewesen zur Atmung genutzt wird, und Kohlendioxid, das von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien bei der Photosynthese verbraucht wird. Die Atmosphäre ist auch Schutzschicht Planet und schützt seine Bewohner vor der ultravioletten Sonnenstrahlung.

Alle massiven Körper haben eine Atmosphäre – terrestrische Planeten, Gasriesen.

Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist ein Gasgemisch bestehend aus Stickstoff (78,08 %), Sauerstoff (20,95 %), Kohlendioxid (0,03 %), Argon (0,93 %), einer kleinen Menge Helium, Neon, Xenon, Krypton (0,01 %). 0,038 % Kohlendioxid und geringe Mengen Wasserstoff, Helium, andere Edelgase und Schadstoffe.

Moderne Komposition Die Luft der Erde entstand vor mehr als hundert Millionen Jahren, doch die stark gestiegene Produktionstätigkeit des Menschen führte dennoch zu ihrer Veränderung. Derzeit steigt der CO 2 -Gehalt um etwa 10-12 %. Die Gase, aus denen die Atmosphäre besteht, erfüllen verschiedene funktionelle Rollen. Die Hauptbedeutung dieser Gase liegt jedoch vor allem darin begründet, dass sie Strahlungsenergie sehr stark absorbieren und damit einen erheblichen Einfluss auf das Temperaturregime der Erdoberfläche und Atmosphäre haben.

Die anfängliche Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten hängt normalerweise von den chemischen und thermischen Eigenschaften der Sonne während der Planetenbildung und der anschließenden Freisetzung externer Gase ab. Dann entwickelt sich die Zusammensetzung der Gashülle unter dem Einfluss verschiedener Faktoren.

Die Atmosphären von Venus und Mars bestehen hauptsächlich aus Kohlendioxid mit geringen Zusätzen von Stickstoff, Argon, Sauerstoff und anderen Gasen. Die Erdatmosphäre ist größtenteils ein Produkt der darin lebenden Organismen. Niedrigtemperatur-Gasriesen – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – können hauptsächlich Gase mit niedrigem Molekulargewicht enthalten – Wasserstoff und Helium. Hochtemperatur-Gasriesen wie Osiris oder 51 Pegasi b hingegen können es nicht halten und die Moleküle ihrer Atmosphäre werden im Weltraum verstreut. Dieser Prozess ist langsam und kontinuierlich.

Stickstoff, das häufigste Gas in der Atmosphäre, chemisch wenig aktiv.

Sauerstoff ist im Gegensatz zu Stickstoff ein chemisch sehr aktives Element. Die spezifische Funktion von Sauerstoff ist die Oxidation von organischem Material heterotropher Organismen, Gesteinen und unteroxidierten Gasen, die von Vulkanen in die Atmosphäre abgegeben werden. Ohne Sauerstoff gäbe es keine Zersetzung abgestorbener organischer Stoffe.

Atmosphärische Struktur

Die Struktur der Atmosphäre besteht aus zwei Teilen: dem Inneren – Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre oder Ionosphäre – und dem Äußeren – der Magnetosphäre (Exosphäre).

1) Troposphäre- das ist der untere Teil der Atmosphäre, in dem 3/4 konzentriert sind, d.h. ~ 80 % der gesamten Erdatmosphäre. Seine Höhe wird durch die Intensität vertikaler (aufsteigender oder absteigender) Luftströmungen bestimmt, die durch die Erwärmung der Erdoberfläche und des Ozeans verursacht werden. Daher beträgt die Dicke der Troposphäre am Äquator 16 bis 18 km, in gemäßigten Breiten 10 bis 11 km und an den Polen - bis zu 8 km. Die Lufttemperatur in der Troposphäre in der Höhe nimmt alle 100 m um 0,6 °C ab und liegt zwischen +40 und -50 °C.

2) Stratosphäre liegt oberhalb der Troposphäre und hat eine Höhe von bis zu 50 km über der Planetenoberfläche. Die Temperatur beträgt in einer Höhe von bis zu 30 km konstant -50 °C. Dann beginnt es zu steigen und erreicht in einer Höhe von 50 km +10 °C.

Die obere Grenze der Biosphäre ist der Ozonschirm.

Der Ozonschirm ist eine Schicht der Atmosphäre in der Stratosphäre, die sich in unterschiedlichen Höhen von der Erdoberfläche befindet und eine maximale Ozondichte in einer Höhe von 20–26 km aufweist.

Die Höhe der Ozonschicht an den Polen wird auf 7–8 km geschätzt, am Äquator auf 17–18 km und die maximale Höhe der Ozonschicht beträgt 45–50 km. Oberhalb des Ozonschirms ist Leben aufgrund der harten ultravioletten Strahlung der Sonne unmöglich. Wenn man alle Ozonmoleküle komprimiert, entsteht eine Schicht von etwa 3 mm rund um den Planeten.

3) Mesosphäre– Die obere Grenze dieser Schicht liegt bis zu einer Höhe von 80 km. Sein Hauptmerkmal ist ein starker Temperaturabfall von -90 °C an der Obergrenze. Hier sind silbrige Wolken aus Eiskristallen fixiert.

4) Ionosphäre (Thermosphäre) - liegt bis zu einer Höhe von 800 km und ist durch einen deutlichen Temperaturanstieg gekennzeichnet:

150 km Temperatur +240 °C,

200 km Temperatur +500 °C,

600 km Temperatur +1500 °C.

Unter dem Einfluss der ultravioletten Strahlung der Sonne befinden sich Gase in einem ionisierten Zustand. Ionisation ist mit dem Leuchten von Gasen und dem Auftreten von Polarlichtern verbunden.

Die Ionosphäre hat die Fähigkeit, Radiowellen wiederholt zu reflektieren, was eine Funkkommunikation über große Entfernungen auf dem Planeten ermöglicht.

5) Exosphäre- liegt über 800 km und erstreckt sich bis zu 3000 km. Hier beträgt die Temperatur >2000 °C. Die Geschwindigkeit der Gasbewegung nähert sich dem kritischen Wert von ~ 11,2 km/s. Es dominieren Wasserstoff- und Heliumatome, die eine leuchtende Korona um die Erde bilden, die sich bis zu einer Höhe von 20.000 km erstreckt.

Atmosphärenfunktionen

1) Thermoregulierend – das Wetter und das Klima auf der Erde hängen von der Verteilung von Wärme und Druck ab.

2) Lebenserhaltend.

3) In der Troposphäre gibt es eine globale vertikale und horizontale Bewegung der Luftmassen, die den Wasserkreislauf und die Wärmeübertragung bestimmt.

4) Fast alle Oberflächen geologische Prozesse aufgrund der Wechselwirkung von Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre.

5) Schutz – die Atmosphäre schützt die Erde vor Weltraum, Sonneneinstrahlung und Meteoritenstaub.

Atmosphärenfunktionen. Ohne Atmosphäre wäre Leben auf der Erde unmöglich. Eine Person verbraucht täglich 12-15 kg. Luft, die jede Minute 5 bis 100 Liter einatmet, was den durchschnittlichen täglichen Bedarf an Nahrung und Wasser deutlich übersteigt. Darüber hinaus schützt die Atmosphäre den Menschen zuverlässig vor den Gefahren, die ihn aus dem Weltraum bedrohen: Sie lässt keine Meteoriten und kosmische Strahlung durch. Ein Mensch kann fünf Wochen ohne Nahrung, fünf Tage ohne Wasser und fünf Minuten ohne Luft leben. Das normale Leben der Menschen erfordert nicht nur Luft, sondern auch eine gewisse Reinheit. Die Gesundheit der Menschen, der Zustand der Flora und Fauna, die Festigkeit und Haltbarkeit von Gebäudestrukturen und Bauwerken hängen von der Luftqualität ab. Verschmutzte Luft ist schädlich für Gewässer, Land, Meere und Böden. Die Atmosphäre bestimmt das Licht und reguliert die thermischen Regime der Erde, trägt zur Umverteilung der Wärme auf dem Globus bei. Die Gashülle schützt die Erde vor übermäßiger Abkühlung und Erwärmung. Wenn unser Planet nicht von einer Lufthülle umgeben wäre, würde die Amplitude der Temperaturschwankungen innerhalb eines Tages 200 °C erreichen. Die Atmosphäre schützt alles Leben auf der Erde vor zerstörerischer ultravioletter, Röntgen- und kosmischer Strahlung. Die Bedeutung der Atmosphäre bei der Lichtverteilung ist groß. Seine Luft bricht die Sonnenstrahlen in eine Million kleiner Strahlen, streut sie und erzeugt eine gleichmäßige Beleuchtung. Die Atmosphäre dient als Klangleiter.

Die Atmosphäre hat eine geschichtete Struktur. Die Grenzen zwischen den Schichten sind nicht scharf und ihre Höhe hängt vom Breitengrad und der Jahreszeit ab. Der Schichtaufbau entsteht durch Temperaturänderungen verschiedene Höhen. Das Wetter entsteht in der Troposphäre (untere etwa 10 km: etwa 6 km über den Polen und mehr als 16 km über dem Äquator). Und die Obergrenze der Troposphäre liegt im Sommer höher als im Winter.

Von der Erdoberfläche aufwärts sind dies folgende Schichten:

Troposphäre

Stratosphäre

Mesosphäre

Thermosphäre

Exosphäre

Troposphäre

Der untere Teil der Atmosphäre bis zu einer Höhe von 10-15 km, in dem 4/5 der gesamten atmosphärischen Luftmasse konzentriert ist, wird Troposphäre genannt. Typisch dafür ist, dass die Temperatur hier mit der Höhe um durchschnittlich 0,6°/100 m abnimmt Einzelfälle(die vertikale Temperaturverteilung variiert in einem weiten Bereich). Die Troposphäre enthält fast den gesamten Wasserdampf der Atmosphäre und es bilden sich fast alle Wolken. Auch hier sind Turbulenzen besonders in der Nähe der Erdoberfläche sowie in den sogenannten Jetstreams im oberen Teil der Troposphäre stark ausgeprägt.

Die Höhe, bis zu der sich die Troposphäre über jeden Ort der Erde erstreckt, variiert von Tag zu Tag. Darüber hinaus ist es selbst im Durchschnitt in verschiedenen Breitengraden und in unterschiedlich verschiedene Jahreszeiten des Jahres. Im Durchschnitt erstreckt sich die jährliche Troposphäre über die Pole bis zu einer Höhe von etwa 9 km, über gemäßigte Breiten bis zu 10–12 km und über den Äquator bis zu 15–17 km. Die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur nahe der Erdoberfläche beträgt am Äquator etwa +26° und am Nordpol etwa -23°. An der Spitze der Troposphäre über dem Äquator Durchschnittstemperatur etwa -70°, über dem Nordpol im Winter etwa -65° und im Sommer etwa -45°.

Der Luftdruck an der oberen Grenze der Troposphäre, entsprechend ihrer Höhe, ist 5-8 mal geringer als an der Erdoberfläche. Daher befindet sich der Großteil der atmosphärischen Luft in der Troposphäre. Die in der Troposphäre ablaufenden Prozesse sind von unmittelbarer und entscheidender Bedeutung für das Wetter und Klima in der Nähe der Erdoberfläche.

Der gesamte Wasserdampf konzentriert sich in der Troposphäre, weshalb sich alle Wolken innerhalb der Troposphäre bilden. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab.

Die Sonnenstrahlen passieren leicht die Troposphäre und die Wärme, die die durch die Sonnenstrahlen erhitzte Erde abstrahlt, sammelt sich in der Troposphäre: Gase wie Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf speichern Wärme. Dieser Mechanismus der Erwärmung der Erdatmosphäre durch Sonneneinstrahlung wird genannt Treibhauseffekt. Da die Erde die Wärmequelle für die Atmosphäre ist, nimmt die Temperatur der Luft mit der Höhe ab.

Die Grenze zwischen der turbulenten Troposphäre und der ruhigen Stratosphäre wird Tropopause genannt. Hier bilden sich schnell bewegende Winde, sogenannte „Jetstreams“.

Früher ging man davon aus, dass die Temperatur der Atmosphäre auch oberhalb der Troposphäre sinkt, doch Messungen in den hohen Schichten der Atmosphäre zeigten, dass dies nicht der Fall ist: Unmittelbar oberhalb der Tropopause ist die Temperatur nahezu konstant und beginnt dann anzusteigen. Stark Horizontale Winde wehen in der Stratosphäre, ohne Turbulenzen zu bilden. Die Luft der Stratosphäre ist sehr trocken und daher sind Wolken selten. Es bilden sich sogenannte Perlmuttwolken.

Die Stratosphäre ist für das Leben auf der Erde sehr wichtig, da sich in dieser Schicht eine geringe Menge Ozon befindet, das starke, lebensschädliche ultraviolette Strahlung absorbiert. Durch die Absorption ultravioletter Strahlung erwärmt Ozon die Stratosphäre.

Stratosphäre

Oberhalb der Troposphäre liegt bis zu einer Höhe von 50–55 km die Stratosphäre, die sich dadurch auszeichnet, dass die Temperatur in ihr im Durchschnitt mit der Höhe zunimmt. Die Übergangsschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre (1–2 km dick) wird Tropopause genannt.

Oben finden Sie Daten zur Temperatur an der oberen Grenze der Troposphäre. Diese Temperaturen sind auch für die untere Stratosphäre charakteristisch. Daher ist die Lufttemperatur in der unteren Stratosphäre über dem Äquator immer sehr niedrig; außerdem ist es im Sommer viel niedriger als über dem Pol.

Die untere Stratosphäre ist mehr oder weniger isotherm. Ab einer Höhe von etwa 25 km steigt die Temperatur in der Stratosphäre jedoch mit der Höhe rasch an und erreicht in einer Höhe von etwa 50 km maximale, zudem positive Werte (von +10 bis +30 °). Aufgrund des Temperaturanstiegs mit der Höhe sind die Turbulenzen in der Stratosphäre gering.

In der Stratosphäre gibt es sehr wenig Wasserdampf. Allerdings werden in Höhen von 20-25 km in hohen Breiten teilweise sehr dünne, sogenannte Perlmuttwolken beobachtet. Tagsüber sind sie nicht sichtbar, aber nachts scheinen sie zu leuchten, da sie von der Sonne unterhalb des Horizonts beleuchtet werden. Diese Wolken bestehen aus unterkühlten Wassertröpfchen. Die Stratosphäre zeichnet sich auch dadurch aus, dass sie, wie oben erwähnt, hauptsächlich atmosphärisches Ozon enthält.

Mesosphäre

Über der Stratosphäre liegt bis etwa 80 km eine Schicht der Mesosphäre. Hier sinkt die Temperatur mit der Höhe auf mehrere zehn Grad unter Null. Aufgrund des schnellen Temperaturabfalls mit der Höhe kommt es in der Mesosphäre zu starken Turbulenzen. In Höhen nahe der oberen Grenze der Mesosphäre (75–90 km) gibt es noch eine besondere Art von Wolken, die auch nachts von der Sonne beleuchtet werden, die sogenannten Silberwolken. Höchstwahrscheinlich bestehen sie aus Eiskristallen.

An der oberen Grenze der Mesosphäre ist der Luftdruck 200-mal geringer als an der Erdoberfläche. Somit enthalten Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre zusammen bis zu einer Höhe von 80 km mehr als 99,5 % der Gesamtmasse der Atmosphäre. Die darüber liegenden Schichten enthalten eine vernachlässigbare Menge Luft

In einer Höhe von etwa 50 km über der Erde beginnt die Temperatur wieder zu sinken und markiert die obere Grenze der Stratosphäre und den Beginn der nächsten Schicht – der Mesosphäre. Die Mesosphäre hat die kälteste Temperatur der Atmosphäre: von -2 bis -138 Grad Celsius. Hier sind die höchsten Wolken: Bei klarem Wetter sind sie bei Sonnenuntergang zu sehen. Sie werden noctilucent (nachts leuchtend) genannt.

Thermosphäre

Der obere Teil der Atmosphäre, oberhalb der Mesosphäre, zeichnet sich durch sehr hohe Temperaturen aus und wird daher Thermosphäre genannt. Allerdings werden darin zwei Teile unterschieden: die Ionosphäre, die sich von der Mesosphäre bis in Höhen in der Größenordnung von tausend Kilometern erstreckt, und der darüber liegende äußere Teil – die Exosphäre, die in die Erdkorona übergeht.

Die Luft in der Ionosphäre ist extrem verdünnt. Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass seine durchschnittliche Dichte in Höhen von 300–750 km etwa 10–8–10–10 g/m3 beträgt. Aber selbst bei einer so geringen Dichte enthält jeder Kubikzentimeter Luft in 300 km Höhe noch etwa eine Milliarde (109) Moleküle oder Atome, in 600 km Höhe sogar mehr als 10 Millionen (107). Dies ist mehrere Größenordnungen größer als der Gasgehalt im interplanetaren Raum.

Die Ionosphäre zeichnet sich, wie der Name schon sagt, durch einen sehr starken Grad der Luftionisierung aus – der Ionengehalt ist hier um ein Vielfaches höher als in den darunter liegenden Schichten, trotz der insgesamt starken Verdünnung der Luft. Bei diesen Ionen handelt es sich hauptsächlich um geladene Sauerstoffatome, geladene Stickoxidmoleküle und freie Elektronen. Ihr Gehalt beträgt in Höhen von 100–400 km etwa 1015–106 pro Kubikzentimeter.

In der Ionosphäre werden mehrere Schichten oder Regionen mit maximaler Ionisierung unterschieden, insbesondere in Höhen von 100–120 km und 200–400 km. Doch auch in den Zwischenräumen zwischen diesen Schichten bleibt der Ionisierungsgrad der Atmosphäre sehr hoch. Die Lage der ionosphärischen Schichten und die Konzentration der Ionen in ihnen ändern sich ständig. Sporadische Ansammlungen von Elektronen mit besonders hoher Konzentration werden Elektronenwolken genannt.

Die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre hängt vom Ionisationsgrad ab. Daher ist die elektrische Leitfähigkeit der Luft in der Ionosphäre im Allgemeinen 1012-mal höher als die der Erdoberfläche. Radiowellen erfahren in der Ionosphäre Absorption, Brechung und Reflexion. Wellen, die länger als 20 m sind, können die Ionosphäre überhaupt nicht passieren: Sie werden bereits im unteren Teil der Ionosphäre (in Höhen von 70-80 km) von Elektronenschichten geringer Konzentration reflektiert. Mittel- und Kurzwellen werden von den darüber liegenden ionosphärischen Schichten reflektiert.

Aufgrund der Reflexion an der Ionosphäre ist eine Kommunikation über große Entfernungen auf kurzen Wellen möglich. Durch mehrfache Reflexionen von der Ionosphäre und der Erdoberfläche können sich kurze Wellen im Zickzack über große Entfernungen entlang der Erdoberfläche ausbreiten. Da sich die Lage und Konzentration der ionosphärischen Schichten ständig ändern, ändern sich auch die Bedingungen für die Absorption, Reflexion und Ausbreitung von Radiowellen. Daher erfordert eine zuverlässige Funkkommunikation eine kontinuierliche Untersuchung des Zustands der Ionosphäre. Beobachtungen zur Ausbreitung von Radiowellen sind genau das Mittel für solche Forschungen.

In der Ionosphäre werden in der Natur Polarlichter und das Leuchten des Nachthimmels in ihrer Nähe beobachtet – ein konstantes Leuchten der atmosphärischen Luft sowie starke Schwankungen im Magnetfeld – ionosphärische Magnetstürme.

Die Ionisierung in der Ionosphäre verdankt ihre Entstehung der Wirkung der ultravioletten Strahlung der Sonne. Seine Absorption durch atmosphärische Gasmoleküle führt zur Entstehung geladener Atome und freier Elektronen, wie oben erläutert. Schwankungen des Magnetfelds in der Ionosphäre und Polarlichter hängen von Schwankungen der Sonnenaktivität ab. Änderungen der Sonnenaktivität sind mit Änderungen im Fluss der Korpuskularstrahlung verbunden, die von der Sonne in die Erdatmosphäre gelangt. Korpuskularstrahlung ist nämlich für diese ionosphärischen Phänomene von grundlegender Bedeutung.

Die Temperatur in der Ionosphäre steigt mit der Höhe auf sehr hohe Werte. In Höhen von etwa 800 km erreicht sie 1000°.

Wenn man von den hohen Temperaturen der Ionosphäre spricht, bedeutet dies, dass sich Partikel atmosphärischer Gase dort mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegen. Allerdings ist die Luftdichte in der Ionosphäre so gering, dass ein in der Ionosphäre befindlicher Körper, beispielsweise ein fliegender Satellit, durch Wärmeaustausch mit Luft nicht erwärmt wird. Das Temperaturregime des Satelliten hängt von der direkten Absorption der Sonnenstrahlung durch ihn und von der Rückkehr seiner eigenen Strahlung in den umgebenden Raum ab. Die Thermosphäre befindet sich oberhalb der Mesosphäre in einer Höhe von 90 bis 500 km über der Erdoberfläche. Die Gasmoleküle sind hier stark gestreut, sie absorbieren Röntgenstrahlung und den kurzwelligen Teil der ultravioletten Strahlung. Aus diesem Grund kann die Temperatur 1000 Grad Celsius erreichen.

Die Thermosphäre entspricht im Wesentlichen der Ionosphäre, in der ionisiertes Gas Radiowellen zurück zur Erde reflektiert – dieses Phänomen ermöglicht den Aufbau von Funkkommunikation.

Exosphäre

Oberhalb von 800–1000 km gelangt die Atmosphäre in die Exosphäre und allmählich in den interplanetaren Raum. Die Geschwindigkeiten von Gasteilchen, insbesondere von leichten, sind hier sehr hoch, und aufgrund der extrem verdünnten Luft in diesen Höhen können Teilchen auf elliptischen Bahnen um die Erde fliegen, ohne miteinander zu kollidieren. In diesem Fall können einzelne Teilchen Geschwindigkeiten haben, die ausreichen, um die Schwerkraft zu überwinden. Für ungeladene Teilchen beträgt die kritische Geschwindigkeit 11,2 km/s. Solche besonders schnellen Teilchen können auf hyperbolischen Flugbahnen aus der Atmosphäre in den Weltraum fliegen, „entkommen“ und sich auflösen. Daher wird die Exosphäre auch Streukugel genannt.

Es entweichen überwiegend Wasserstoffatome, das dominierende Gas in den höchsten Schichten der Exosphäre.

Neuerdings geht man davon aus, dass die Exosphäre und damit die Erdatmosphäre im Allgemeinen in Höhen in der Größenordnung von 2000–3000 km endet. Doch Beobachtungen von Raketen und Satelliten lassen vermuten, dass aus der Exosphäre austretender Wasserstoff eine sogenannte Erdkorona um die Erde bildet, die sich über mehr als 20.000 km erstreckt. Natürlich ist die Gasdichte in der Erdkorona vernachlässigbar. Auf jeden Kubikzentimeter kommen durchschnittlich nur etwa tausend Partikel. Aber im interplanetaren Raum ist die Konzentration der Teilchen (hauptsächlich Protonen und Elektronen) mindestens zehnmal geringer.

Mit Hilfe von Satelliten und geophysikalischen Raketen wurde die Existenz des Strahlungsgürtels der Erde im oberen Teil der Atmosphäre und im erdnahen Weltraum nachgewiesen, der in einer Höhe von mehreren hundert Kilometern beginnt und sich über Zehntausende Kilometer erstreckt Erdoberfläche, wurde festgestellt. Dieser Gürtel besteht aus elektrisch geladenen Teilchen – Protonen und Elektronen, die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden und sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen. Ihre Energie liegt in der Größenordnung von Hunderttausenden Elektronenvolt. Der Strahlungsgürtel verliert ständig Teilchen an Erdatmosphäre und wird durch Flüsse solarer Korpuskularstrahlung ergänzt.

Atmosphärentemperatur Stratosphäre Troposphäre

Atmosphäre (von anderen griechischen ἀτμός – Dampf und σφαῖρα – Kugel) ist eine gasförmige Hülle (Geosphäre), die den Planeten Erde umgibt. Seine innere Oberfläche bedeckt die Hydrosphäre teilweise die Erdkruste, der äußere grenzt an den erdnahen Teil des Weltraums.

Die Gesamtheit der Abschnitte der Physik und Chemie, die sich mit der Atmosphäre befassen, wird allgemein als Atmosphärenphysik bezeichnet. Die Atmosphäre bestimmt das Wetter auf der Erdoberfläche, die Meteorologie befasst sich mit der Erforschung des Wetters und die Klimatologie befasst sich mit langfristigen Klimaschwankungen.

Physikalische Eigenschaften

Die Dicke der Atmosphäre beträgt etwa 120 km von der Erdoberfläche entfernt. Die Gesamtluftmasse in der Atmosphäre beträgt (5,1-5,3) 1018 kg. Davon beträgt die Masse der trockenen Luft (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, die Gesamtmasse des Wasserdampfs beträgt durchschnittlich 1,27 · 1016 kg.

Die Molmasse sauberer trockener Luft beträgt 28,966 g/mol, die Luftdichte in der Nähe der Meeresoberfläche beträgt etwa 1,2 kg/m3. Der Druck bei 0 °C auf Meereshöhe beträgt 101,325 kPa; kritische Temperatur - -140,7 ° C (~ 132,4 K); kritischer Druck - 3,7 MPa; Cp bei 0 °C – 1,0048·103 J/(kg K), Cv – 0,7159·103 J/(kg K) (bei 0 °C). Die Löslichkeit von Luft in Wasser (nach Masse) bei 0 °C beträgt 0,0036 %, bei 25 °C beträgt sie 0,0023 %.

Als „Normalbedingungen“ an der Erdoberfläche gelten: Dichte 1,2 kg/m3, Luftdruck 101,35 kPa, Temperatur plus 20 °C und relative Luftfeuchtigkeit 50 %. Diese bedingten Indikatoren haben einen rein technischen Wert.

Chemische Zusammensetzung

Die Erdatmosphäre entstand durch die Freisetzung von Gasen bei Vulkanausbrüchen. Mit dem Aufkommen der Ozeane und der Biosphäre entstand es auch durch den Gasaustausch mit Wasser, Pflanzen, Tieren und deren Zersetzungsprodukten in Böden und Sümpfen.

Die Erdatmosphäre besteht derzeit hauptsächlich aus Gasen und verschiedenen Verunreinigungen (Staub, Wassertropfen, Eiskristalle, Meersalze, Verbrennungsprodukte).

Die Konzentration der Gase, aus denen die Atmosphäre besteht, ist nahezu konstant, mit Ausnahme von Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2).

Zusammensetzung trockener Luft

Stickstoff
Sauerstoff
Argon
Wasser
Kohlendioxid
Neon
Helium
Methan
Krypton
Wasserstoff
Xenon
Lachgas

Zusätzlich zu den in der Tabelle angegebenen Gasen enthält die Atmosphäre SO2, NH3, CO, Ozon, Kohlenwasserstoffe, HCl, HF, Hg-Dampf, I2 sowie NO und viele andere Gase in geringen Mengen. In der Troposphäre gibt es ständig eine große Menge an schwebenden festen und flüssigen Partikeln (Aerosol).

Die Struktur der Atmosphäre

Troposphäre

Seine Obergrenze liegt in einer Höhe von 8–10 km in den Polargebieten, 10–12 km in den gemäßigten Breiten und 16–18 km in den Breitengraden tropische Breiten; im Winter niedriger als im Sommer. Die untere Hauptschicht der Atmosphäre enthält mehr als 80 % der Gesamtmasse der atmosphärischen Luft und etwa 90 % des gesamten in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampfs. In der Troposphäre sind Turbulenz und Konvektion stark ausgeprägt, es entstehen Wolken, es entstehen Zyklone und Antizyklone. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab, wobei der durchschnittliche vertikale Gradient 0,65°/100 m beträgt

Tropopause

Die Übergangsschicht von der Troposphäre zur Stratosphäre, die Schicht der Atmosphäre, in der der Temperaturabfall mit der Höhe aufhört.

Stratosphäre

Die Schicht der Atmosphäre befindet sich in einer Höhe von 11 bis 50 km. Typisch sind eine leichte Temperaturänderung in der 11–25 km langen Schicht (untere Schicht der Stratosphäre) und ein Anstieg in der 25–40 km langen Schicht von -56,5 auf 0,8 °C (obere Stratosphärenschicht bzw. Inversionsregion). Nachdem die Temperatur in einer Höhe von etwa 40 km einen Wert von etwa 273 K (nahe 0 °C) erreicht hat, bleibt sie bis zu einer Höhe von etwa 55 km konstant. Dieser Bereich konstanter Temperatur wird Stratopause genannt und ist die Grenze zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre.

Stratopause

Die Grenzschicht der Atmosphäre zwischen der Stratosphäre und der Mesosphäre. In der vertikalen Temperaturverteilung gibt es ein Maximum (ca. 0 °C).

Mesosphäre

Die Mesosphäre beginnt in einer Höhe von 50 km und erstreckt sich bis zu 80–90 km. Die Temperatur nimmt mit der Höhe ab, mit einem durchschnittlichen vertikalen Gradienten von (0,25-0,3)°/100 m. Der Hauptenergieprozess ist die Strahlungswärmeübertragung. Komplexe photochemische Prozesse, an denen freie Radikale, schwingungsangeregte Moleküle usw. beteiligt sind, verursachen atmosphärische Lumineszenz.

Mesopause

Übergangsschicht zwischen Mesosphäre und Thermosphäre. In der vertikalen Temperaturverteilung gibt es ein Minimum (ca. -90 °C).

Karman-Linie

Höhe über dem Meeresspiegel, die üblicherweise als Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum angesehen wird. Laut FAI-Definition liegt die Karman-Linie auf einer Höhe von 100 km über dem Meeresspiegel.

Grenze der Erdatmosphäre

Thermosphäre

Die Obergrenze liegt bei etwa 800 km. Die Temperatur steigt bis in Höhen von 200–300 km an, erreicht dort Werte in der Größenordnung von 1500 K und bleibt danach bis in große Höhen nahezu konstant. Unter dem Einfluss ultravioletter und röntgenartiger Sonnenstrahlung sowie kosmischer Strahlung wird die Luft ionisiert („Polarlichter“) – die Hauptbereiche der Ionosphäre liegen innerhalb der Thermosphäre. In Höhen über 300 km überwiegt atomarer Sauerstoff. Die Obergrenze der Thermosphäre wird maßgeblich durch die aktuelle Aktivität der Sonne bestimmt. In Zeiten geringer Aktivität – zum Beispiel in den Jahren 2008–2009 – kommt es zu einer merklichen Verringerung der Größe dieser Schicht.

Thermopause

Der Bereich der Atmosphäre oberhalb der Thermosphäre. In dieser Region ist die Absorption der Sonnenstrahlung unbedeutend und die Temperatur ändert sich eigentlich nicht mit der Höhe.

Exosphäre (Streuungssphäre)

Exosphäre – Streuzone, der äußere Teil der Thermosphäre, oberhalb von 700 km gelegen. Das Gas in der Exosphäre ist stark verdünnt, weshalb seine Partikel in den interplanetaren Raum gelangen (Dissipation).

Bis zu einer Höhe von 100 km ist die Atmosphäre ein homogenes, gut gemischtes Gasgemisch. In höheren Schichten hängt die Verteilung der Gase in der Höhe von ihrer Molekülmasse ab, die Konzentration schwererer Gase nimmt mit der Entfernung von der Erdoberfläche schneller ab. Durch die Abnahme der Gasdichte sinkt die Temperatur von 0 °C in der Stratosphäre auf −110 °C in der Mesosphäre. Allerdings entspricht die kinetische Energie einzelner Teilchen in Höhen von 200–250 km einer Temperatur von ~150 °C. Oberhalb von 200 km werden erhebliche zeitliche und räumliche Schwankungen der Temperatur und Gasdichte beobachtet.

In einer Höhe von etwa 2000–3500 km geht die Exosphäre allmählich in das sogenannte raumnahe Vakuum über, das mit hochverdünnten Teilchen interplanetaren Gases, hauptsächlich Wasserstoffatomen, gefüllt ist. Doch dieses Gas ist nur ein Teil der interplanetaren Materie. Der andere Teil besteht aus staubartigen Partikeln kometen- und meteorischen Ursprungs. In diesen Raum dringt neben extrem verdünnten staubartigen Partikeln auch elektromagnetische und korpuskuläre Strahlung solaren und galaktischen Ursprungs ein.

Die Troposphäre macht etwa 80 % der Masse der Atmosphäre aus, die Stratosphäre etwa 20 %; Die Masse der Mesosphäre beträgt nicht mehr als 0,3 %, die Thermosphäre beträgt weniger als 0,05 % der Gesamtmasse der Atmosphäre. Anhand der elektrischen Eigenschaften in der Atmosphäre werden Neutrosphäre und Ionosphäre unterschieden. Derzeit geht man davon aus, dass sich die Atmosphäre bis in eine Höhe von 2000–3000 km erstreckt.

Abhängig von der Zusammensetzung des Gases in der Atmosphäre werden Homosphäre und Heterosphäre unterschieden. Die Heterosphäre ist ein Bereich, in dem die Schwerkraft einen Einfluss auf die Trennung von Gasen hat, da ihre Vermischung in einer solchen Höhe vernachlässigbar ist. Daraus folgt die variable Zusammensetzung der Heterosphäre. Darunter liegt ein gut durchmischter, homogener Teil der Atmosphäre, die sogenannte Homosphäre. Die Grenze zwischen diesen Schichten wird Turbopause genannt und liegt in einer Höhe von etwa 120 km.

Weitere Eigenschaften der Atmosphäre und Auswirkungen auf den menschlichen Körper

Bereits in einer Höhe von 5 km über dem Meeresspiegel kommt es bei einem untrainierten Menschen zu Sauerstoffmangel und ohne Anpassung wird die Leistungsfähigkeit deutlich reduziert. Hier endet die physiologische Zone der Atmosphäre. In einer Höhe von 9 km ist das Atmen für den Menschen unmöglich, obwohl die Atmosphäre bis etwa 115 km Sauerstoff enthält.

Die Atmosphäre versorgt uns mit dem Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Aufgrund des Abfalls des Gesamtdrucks der Atmosphäre mit zunehmender Höhe nimmt jedoch auch der Sauerstoffpartialdruck entsprechend ab.

Die menschliche Lunge enthält ständig etwa 3 Liter Alveolarluft. Der Sauerstoffpartialdruck in der Alveolarluft beträgt bei normalem Atmosphärendruck 110 mm Hg. Art., Kohlendioxiddruck - 40 mm Hg. Kunst. Art. und Wasserdampf - 47 mm Hg. Kunst. Kunst. Mit zunehmender Höhe sinkt der Sauerstoffdruck und der Gesamtdruck aus Wasserdampf und Kohlendioxid in der Lunge bleibt nahezu konstant – etwa 87 mm Hg. Kunst. Der Sauerstofffluss in die Lunge wird vollständig gestoppt, wenn der Druck der Umgebungsluft diesen Wert erreicht.

In einer Höhe von etwa 19–20 km sinkt der Luftdruck auf 47 mm Hg. Kunst. Daher beginnen in dieser Höhe Wasser und interstitielle Flüssigkeit im menschlichen Körper zu kochen. Außerhalb der Druckkabine tritt in diesen Höhen fast augenblicklich der Tod ein. Aus menschlicher Physiologie beginnt der „Weltraum“ also bereits in einer Höhe von 15-19 km.

Dichte Luftschichten – die Troposphäre und die Stratosphäre – schützen uns vor den schädlichen Auswirkungen der Strahlung. Bei ausreichender Luftverdünnung hat in Höhen über 36 km ionisierende Strahlung, die primäre kosmische Strahlung, eine intensive Wirkung auf den Körper; In Höhen von mehr als 40 km wirkt der für den Menschen gefährliche ultraviolette Teil des Sonnenspektrums.

Wenn wir in eine immer größere Höhe über der Erdoberfläche aufsteigen, beobachten wir in den unteren Schichten der Atmosphäre bekannte Phänomene wie die Ausbreitung von Schall, das Auftreten von aerodynamischem Auftrieb und Luftwiderstand, Wärmeübertragung durch Konvektion usw ., allmählich schwächer werden und dann vollständig verschwinden.

In verdünnten Luftschichten ist die Schallausbreitung unmöglich. Bis zu Höhen von 60-90 km ist es noch möglich, Luftwiderstand und Auftrieb für einen kontrollierten aerodynamischen Flug zu nutzen. Doch ab Höhen von 100-130 km verlieren die jedem Piloten vertrauten Konzepte der M-Zahl und der Schallmauer ihre Bedeutung: Dort verläuft die bedingte Karman-Linie, jenseits derer der Bereich des rein ballistischen Fluges beginnt, der kann nur durch reaktive Kräfte kontrolliert werden.

In Höhen über 100 km fehlt der Atmosphäre außerdem eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft – die Fähigkeit, Wärmeenergie durch Konvektion (d. h. durch Luftvermischung) aufzunehmen, zu leiten und zu übertragen. Dies bedeutet, dass verschiedene Ausrüstungselemente und Ausrüstungen der orbitalen Raumstation nicht wie in einem Flugzeug üblich von außen gekühlt werden können – mit Hilfe von Luftdüsen und Luftstrahlern. In dieser Höhe, wie auch im Weltraum allgemein, ist die Wärmestrahlung die einzige Möglichkeit zur Wärmeübertragung.

Geschichte der Entstehung der Atmosphäre

Nach der gängigsten Theorie hatte die Erdatmosphäre im Laufe der Zeit drei verschiedene Zusammensetzungen. Ursprünglich bestand es aus leichten Gasen (Wasserstoff und Helium), die aus dem interplanetaren Raum eingefangen wurden. Dies ist die sogenannte Primäratmosphäre (vor etwa vier Milliarden Jahren). Im nächsten Schritt führte die aktive vulkanische Aktivität zur Sättigung der Atmosphäre mit anderen Gasen als Wasserstoff (Kohlendioxid, Ammoniak, Wasserdampf). So entstand die Sekundäratmosphäre (etwa drei Milliarden Jahre bis heute). Diese Atmosphäre war erholsam. Darüber hinaus wurde der Entstehungsprozess der Atmosphäre durch folgende Faktoren bestimmt:

• Austritt leichter Gase (Wasserstoff und Helium) in den interplanetaren Raum;
• chemische Reaktionen, die in der Atmosphäre unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung, Blitzentladungen und einigen anderen Faktoren auftreten.

Allmählich führten diese Faktoren zur Bildung einer tertiären Atmosphäre, die durch einen viel geringeren Gehalt an Wasserstoff und einen viel höheren Gehalt an Stickstoff und Kohlendioxid (entstanden durch) gekennzeichnet ist chemische Reaktionen aus Ammoniak und Kohlenwasserstoffen).

Stickstoff

Die Bildung einer großen Menge Stickstoff N2 ist auf die Oxidation der Ammoniak-Wasserstoff-Atmosphäre durch molekularen Sauerstoff O2 zurückzuführen, der vor 3 Milliarden Jahren durch Photosynthese von der Oberfläche des Planeten austrat. Durch die Denitrifikation von Nitraten und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen gelangt auch Stickstoff N2 in die Atmosphäre. Stickstoff wird durch Ozon zu NO oxidiert obere Schichten Atmosphäre.

Stickstoff N2 reagiert nur unter bestimmten Bedingungen (z. B. während einer Blitzentladung). Die Oxidation von molekularem Stickstoff durch Ozon bei elektrischen Entladungen wird in geringen Mengen bei der industriellen Herstellung von Stickstoffdüngern eingesetzt. Mit geringem Energieaufwand oxidieren und biologisch umwandeln Aktive Form können Cyanobakterien (Blaualgen) und Knöllchenbakterien sein, die mit Hülsenfrüchten eine rhizobische Symbiose eingehen, die sogenannten. Gründüngung.

Sauerstoff

Mit dem Aufkommen lebender Organismen auf der Erde begann sich die Zusammensetzung der Atmosphäre durch die Photosynthese, begleitet von der Freisetzung von Sauerstoff und der Aufnahme von Kohlendioxid, radikal zu verändern. Ursprünglich wurde Sauerstoff für die Oxidation reduzierter Verbindungen verwendet – Ammoniak, Kohlenwasserstoffe, die in den Ozeanen enthaltene Eisenform usw. Am Ende dieser Phase begann der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre zu wachsen. Allmählich bildete sich eine moderne Atmosphäre mit oxidierenden Eigenschaften. Da dies zu schwerwiegenden und abrupten Veränderungen vieler Prozesse in der Atmosphäre, Lithosphäre und Biosphäre führte, wurde dieses Ereignis als Sauerstoffkatastrophe bezeichnet.

Während des Phanerozoikums veränderten sich die Zusammensetzung der Atmosphäre und der Sauerstoffgehalt. Sie korrelierten hauptsächlich mit der Ablagerungsrate organischer Sedimentgesteine. Während der Zeiträume der Kohleanreicherung überstieg der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre offenbar deutlich das moderne Niveau.

Kohlendioxid

Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre hängt von der vulkanischen Aktivität und den chemischen Prozessen in den Erdhüllen ab, vor allem aber von der Intensität der Biosynthese und des Abbaus organischer Stoffe in der Biosphäre der Erde. Fast die gesamte heutige Biomasse des Planeten (ca. 2,4 · 1012 Tonnen) wird durch das darin enthaltene Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf gebildet atmosphärische Luft. Im Meer, in Sümpfen und Wäldern vergraben, wird organisches Material in Kohle, Öl und Erdgas umgewandelt.

Edelgase

Die Quelle der Inertgase – Argon, Helium und Krypton – sind Vulkanausbrüche und der Zerfall radioaktiver Elemente. Die Erde als Ganzes und die Atmosphäre im Besonderen sind im Vergleich zum Weltraum arm an Inertgasen. Es wird angenommen, dass der Grund dafür in der kontinuierlichen Leckage von Gasen in den interplanetaren Raum liegt.

Luftverschmutzung

In jüngster Zeit hat der Mensch begonnen, die Entwicklung der Atmosphäre zu beeinflussen. Das Ergebnis seiner Aktivitäten war ein stetiger Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre aufgrund der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen, die sich in früheren geologischen Epochen angesammelt hatten. Bei der Photosynthese werden riesige Mengen CO2 verbraucht und von den Weltmeeren aufgenommen. Dieses Gas gelangt durch die Zersetzung von Karbonatgesteinen in die Atmosphäre organische Substanz pflanzlichen und tierischen Ursprungs sowie durch Vulkanismus und menschliche Produktionsaktivitäten. In den letzten 100 Jahren ist der CO2-Gehalt in der Atmosphäre um 10 % gestiegen, wobei der größte Teil (360 Milliarden Tonnen) aus der Kraftstoffverbrennung stammt. Wenn die Wachstumsrate der Kraftstoffverbrennung anhält, wird sich die CO2-Menge in der Atmosphäre in den nächsten 200 bis 300 Jahren verdoppeln und möglicherweise zu einem globalen Klimawandel führen.

Die Kraftstoffverbrennung ist die Hauptquelle für Schadstoffe (CO, NO, SO2). Schwefeldioxid wird in der oberen Atmosphäre durch Luftsauerstoff zu SO3 und Stickoxid zu NO2 oxidiert, die wiederum mit Wasserdampf interagieren, und die resultierende Schwefelsäure H2SO4 und Salpetersäure HNO3 fallen in Form von Kohlendioxid auf die Erdoberfläche. genannt. saurer Regen. Der Einsatz von Verbrennungsmotoren führt zu einer erheblichen Luftverschmutzung mit Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und Bleiverbindungen (Tetraethylblei) Pb(CH3CH2)4.

Die Aerosolverschmutzung der Atmosphäre ist auf beide natürlichen Ursachen zurückzuführen (Vulkanausbrüche, Staubstürme, Meerwasser und Pflanzenpollen usw.) und die menschliche Wirtschaftstätigkeit (Bergbau von Erzen und Baumaterialien, Brennstoffverbrennung, Zementherstellung usw.). Eine davon ist die intensive großflächige Entfernung von Feinstaub in die Atmosphäre mögliche Ursachen Planetarischer Klimawandel.

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