Когда вы смотрите на фотографии Земли из космоса, планета выглядит как голубой мрамор с узорами облаков, лежащих на поверхности мрамора. Кажется, что атмосфера Земли невероятно тонкая, плотно обернутая вокруг нашей планеты.
На самом деле атмосфера состоит из нескольких слоев, и некоторые ученые полагают, что атмосфера простирается до половины Луны.
Слои земной атмосферы
Легко представить себе атмосферу Земли как пузырь воздуха, окружающий планету, который внезапно заканчивается вакуумом космоса. Реальность намного сложнее. Атмосфера нашей планеты состоит из ряда слоев, каждый из которых имеет свои собственные характеристики.
Тропосфера (толщиной 5–9 миль)
Тропосфера — это слой, расположенный ближе всего к поверхности Земли, и это то, что большинство из нас, вероятно, представляют себе, когда говорят об атмосфере. Tropos по-гречески означает «изменение», поэтому буквально означает «сфера изменений», что является точным описанием. В этом слое постоянно происходят атмосферные изменения, включая почти всю погоду нашей планеты.
Несмотря на то, что это самый маленький слой, почти весь водяной пар в нашей атмосфере находится в тропосфере. Если вы когда-нибудь задумывались, почему всегда солнечно, когда вы летите на высоте в самолете, то это потому, что вы оставили тропосферу позади, вместе с большинством облаков.
В тропосфере воздух становится тоньше, чем выше вы поднимаетесь. При более низком давлении воздуха температура падает, поэтому чем выше вы поднимаетесь в тропосфере, тем холоднее становится.
Стратосфера (22 мили в высоту)
Такие фразы, как «взлет в стратосферу», звучат так, будто это должен быть самый высокий уровень атмосферы, но на самом деле это второй самый низкий уровень. Stratum по-латыни означает «слой», так что это буквально сфера слоев. Свое название она получила из-за слоев температуры в этой зоне.
Озон в стратосфере поглощает энергию солнца в форме ультрафиолетового (УФ) излучения, которое затем излучается в виде тепла. В отличие от тропосферы, где температура падает по мере подъема, температура неуклонно растет по мере продвижения через стратосферу, от примерно -60F (-51C) чуть выше тропосферы до примерно 5F (-15C) по мере приближения к мезосфере.
Поскольку в стратосфере очень мало водяного пара, облаков мало, и они образуются только вблизи полюсов зимой. Кристаллы льда в этих полярных стратосферных облаках (PSC) могут взаимодействовать с солнечным светом, создавая потрясающие волны цвета, видимые с земли.
Мезосфера (толщиной 22 мили)
Meso по-гречески означает «середина», так что это буквально средняя сфера. Несмотря на то, что мезосфера находится в ловушке посередине, она является самым холодным слоем атмосферы Земли, с температурами до -130F (-90C) на самом верху мезосферы. Это происходит потому, что плотность газа в мезосфере ниже, чем в двух слоях под ней, которые могут поглощать больше солнечной энергии. Однако мезосфера также не так подвержена воздействию высокоэнергетического солнечного излучения, как термосфера и экзосфера над ней.
Как и в тропосфере, температура в мезосфере становится холоднее по мере подъема, так как воздух становится менее плотным, а озона для поглощения УФ-излучения становится меньше. Другая причина, по которой мезосфера такая холодная, заключается в том, что углекислый газ, который оказывает нагревающее действие в тропосфере, оказывает охлаждающее действие в мезосфере. Так же, как повышение уровня углекислого газа вызывает резкое потепление в тропосфере, оно заставляет мезосферу охлаждаться столь же резко.
Мезосфера играет очень важную роль в нашей повседневной жизни; это атмосферный слой, где сгорает большинство метеоров. Хотя воздух в мезосфере тонкий, он достаточно плотный, чтобы вызывать трение для любых высокоскоростных метеоров или другого космического мусора, которые в него попадают, и которые могут пройти через термосферу выше, в основном невредимыми.
Термосфера (толщиной 320 миль)
В переводе с греческого термосфера буквально означает сфера тепла. Здесь все становится немного странным, потому что термосфера — самый горячий слой атмосферы. Температура увеличивается с высотой и может достигать 4500F (2500C) к вершине термосферы.
Эти температуры обусловлены поглощением высокоэнергетического солнечного излучения частицами газа в термосфере. Поскольку частиц так мало, каждая поглощает большое количество энергии Солнца. Однако, если бы вы отправились тусоваться в термосферу, вы бы не почувствовали тепла, так как воздух настолько разрежен, что в нем недостаточно частиц для передачи тепла вашему телу.
Поскольку плотность термосферы уменьшается с высотой, в более высоких областях термосферы воздух слишком разрежен, чтобы передавать звук. Классический научно-фантастический фильм 1979 года Alien Слоган фильма звучал так: «В космосе никто не услышит ваш крик», но то же самое справедливо и для некоторых частей атмосферы Земли.
Экзосфера (толщиной 6,200–120,000 XNUMX миль)
Самый верхний слой атмосферы называется экзосферой, что буквально означает внешняя сфера. Экзосфера не только является внешним слоем атмосферы Земли, но и, безусловно, самым большим, простираясь по меньшей мере на 6,000 миль от термосферы, а некоторые ученые считают, что верхняя граница находится примерно в 120,000 XNUMX миль от поверхности Земли.
В экзосфере вообще очень мало. В основном это водород с некоторым количеством гелия и небольшим количеством других газов, таких как кислород, азот и углекислый газ. Частицы распределены так тонко, что редко встречаются, и трудно определить, где заканчивается экзосфера и начинается вакуум космоса.
Ионосфера
Ионосфера означает сфера ионов, хотя буквальный перевод с греческого может быть и чем-то вроде блуждающей сферы, что также является довольно подходящим описанием. Это потому, что ионосфера на самом деле не является слоем земной атмосферы; это область атмосферы, которая была ионизирована солнечным излучением.
Ионосфера охватывает всю термосферу, а также части мезосферы и экзосферы и может сжиматься или расширяться в зависимости от количества поглощаемой ею солнечной радиации. Именно здесь в основном возникают полярные сияния.
Ионосфера может быть полезна, поскольку она может отражать радиоволны, позволяя передавать радиосигналы в те части планеты, которые иначе не могли бы быть достигнуты. Однако она также может задерживать или искажать сигналы GPS со спутников, поэтому эти системы должны корректировать задержки, вызванные ионосферой.
Из чего состоит атмосфера Земли?
Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, удерживаемых на месте гравитацией. Самым большим компонентом является азот, который составляет почти 80% атмосферы. Это нереактивный газ, поэтому он нелегко смешивается с другими элементами.
Вторым по распространенности компонентом является кислород, составляющий около 20% смеси, а другие газы, такие как аргон, углекислый газ и водяной пар, присутствуют в гораздо меньших количествах.
Смесь газов меняется от слоя к слою, при этом стратосфера содержит область высокой концентрации озона, известную как озоновый слой, который жизненно важен для защиты жизни на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. К тому времени, как вы достигаете экзосферы, атмосфера становится очень тонкой и содержит в основном водород и гелий.
Где заканчивается атмосфера Земли и начинается космос?
Это более сложный вопрос, чем может показаться. Экзосфера становится менее плотной по мере удаления от поверхности Земли, но четкой границы, где внезапно начинается космос, не существует.
Некоторые считают, что экзосфера простирается примерно на 6,200 миль (10,000 120,000 км) над поверхностью Земли, в то время как другие устанавливают верхний предел в 190,000 XNUMX миль (XNUMX XNUMX км), что составляет половину расстояния до Луны. Это точка, в которой давление излучения на атомы водорода от Солнца превышает гравитационное притяжение Земли, что делает это теоретическим расстоянием, на котором эти атомы должны покинуть атмосферу.
Еще одним пределом является линия Кармана. Это граница примерно в 62 милях (100 км) над поверхностью, и это точка, где атмосфера слишком разрежена, чтобы поддерживать аэронавтические полеты. Это часто считается точкой, где начинается космос, несмотря на то, что она находится в пределах экзосферы.
Почему атмосфера Земли имеет значение
Атмосфера Земли гораздо более многогранна, чем мы могли бы себе представить, и некоторые определения предполагают, что она простирается до половины пути до Луны. Мы склонны принимать это как должное, но наша атмосфера играет множество жизненно важных ролей в защите жизни на нашей планете.
Озоновый слой в стратосфере защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения солнца. Без этого защитного естественного солнцезащитного экрана наша планета подвергалась бы высокому уровню ультрафиолетового излучения, что может увеличить риск возникновения рака и нанести ущерб экосистемам.
Атмосфера также обеспечивает нам защиту от физических объектов из космоса: достаточно взглянуть на испещренную кратерами поверхность Луны, чтобы увидеть, к каким последствиям может привести отсутствие атмосферы.
Атмосфера Земли также удерживает тепло от Солнца, что известно как парниковый эффект, и без этого явления Земля была бы намного холоднее, что делает ее гораздо более враждебной для жизни. К сожалению, антропогенные выбросы усиливают этот эффект, заставляя тропосферу нагреваться, а мезосферу охлаждаться, что может иметь катастрофические последствия.
Однако самая важная роль атмосферы заключается в том, что она обеспечивает нас воздухом, пригодным для дыхания. Она содержит кислород, необходимый людям и животным для дыхания, и углекислый газ, необходимый растениям для фотосинтеза. Даже если бы мы могли выжить в условиях ультрафиолетового излучения и бомбардировки метеоритами, без нашей атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна.
Мы редко задумываемся о воздухе, который нас окружает, или о милях атмосферы над нами, которые защищают нас от суровых условий космоса. Вы можете думать об атмосфере как о тонком воздушном пузыре вокруг Земли, где происходит вся наша погода, но это гораздо сложнее. Существует множество регионов с кардинально разными свойствами, каждый из которых играет свою роль.
В следующий раз, когда вы увидите падающую звезду, возможно, на мгновение задумайтесь, что на самом деле вы видите метеор, сгорающий в мезосфере. В следующий раз, когда вы будете в самолете, пролетая над облаками в лучах солнца, утомите своего соседа знанием того, что вы вошли в стратосферу, и что, на самом деле, это далеко не самый верхний слой нашей атмосферы.
