Atmosfera Ziemi
Atmosfera ziemska to warstwa gazów , nazywana zbiorczo powietrzem , zatrzymywana przez grawitację ziemską , która otacza planetę i tworzy jej atmosferę planetarną . Atmosfera ziemska chroni życie na Ziemi, wytwarzając ciśnienie umożliwiające istnienie wody w stanie ciekłym na powierzchni Ziemi , pochłaniając ultrafioletowe promieniowanie słoneczne , ogrzewając powierzchnię poprzez zatrzymywanie ciepła ( efekt cieplarniany ) i zmniejszając ekstremalne temperatury między dniem a nocą ( temperatura dobowa odmiana ).
Od 2023 r. suche powietrze zawiera 78,08% azotu , 20,95% tlenu , 0,93% argonu , 0,04% dwutlenku węgla i niewielkie ilości innych gazów. Powietrze zawiera również zmienną ilość pary wodnej , średnio około 1% na poziomie morza i 0,4% w całej atmosferze. Skład powietrza, temperatura i ciśnienie atmosferyczne zmieniają się wraz z wysokością. W atmosferze powietrze nadające się do fotosyntezy roślin lądowych i oddychania zwierząt lądowych występuje tylko w ziemskiej troposferze . [ potrzebne źródło ]
Wczesna atmosfera Ziemi składała się z gazów w mgławicy słonecznej , głównie z wodoru. Atmosfera zmieniała się znacząco w czasie, na co miało wpływ wiele czynników, takich jak wulkanizm , życie i wietrzenie . W ostatnim czasie działalność człowieka również przyczyniła się do zmian atmosferycznych , takich jak globalne ocieplenie , zubożenie warstwy ozonowej i osadzanie się kwasów .
Atmosfera ma masę około 5,15 × 10 18 kg, z czego trzy czwarte znajduje się w odległości około 11 km (6,8 mil; 36 000 stóp) od powierzchni. Atmosfera staje się cieńsza wraz ze wzrostem wysokości, bez określonej granicy między atmosferą a przestrzenią kosmiczną . Linia Kármána , znajdująca się w odległości 100 km (62 mil) lub 1,57% promienia Ziemi, jest często używana jako granica między atmosferą a przestrzenią kosmiczną. Efekty atmosferyczne stają się zauważalne podczas ponownego wejścia statku kosmicznego w atmosferę na wysokości około 120 km (75 mil). W atmosferze można wyróżnić kilka warstw na podstawie takich cech, jak temperatura i skład.
Badanie atmosfery ziemskiej i zachodzących w niej procesów nazywa się naukami o atmosferze (aerologia) i obejmuje wiele poddziedzin, takich jak klimatologia i fizyka atmosfery . Pierwsi pionierzy w tej dziedzinie to Léon Teisserenc de Bort i Richard Assmann . Badanie historycznej atmosfery nazywa się paleoklimatologią .
Kompozycja
Trzy główne składniki atmosfery ziemskiej to azot , tlen i argon . Para wodna stanowi około 0,25% masy atmosfery. Stężenie pary wodnej (gazu cieplarnianego) waha się znacznie od około 10 ppm na ułamek molowy w najzimniejszych częściach atmosfery do nawet 5% na ułamek molowy w gorących, wilgotnych masach powietrza, a stężenia innych gazów atmosferycznych są zazwyczaj podane w przeliczeniu na powietrze suche (bez pary wodnej). Pozostałe gazy są często określane jako gazy śladowe, wśród których są inne gazy cieplarniane , głównie dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu i ozon. Oprócz wspomnianego już argonu obecne są również inne gazy szlachetne , neon, hel, krypton i ksenon. Przefiltrowane powietrze zawiera śladowe ilości wielu innych związków chemicznych . W niefiltrowanej próbce powietrza może występować wiele substancji pochodzenia naturalnego w niewielkich ilościach, zmieniających się lokalnie i sezonowo, w postaci aerozoli , w tym pył o składzie mineralnym i organicznym, pyłki i zarodniki , aerozol morski i popiół wulkaniczny . Różne zanieczyszczenia przemysłowe mogą również występować w postaci gazów lub aerozoli, takie jak chlor (pierwiastkowy lub w postaci związków), związki fluoru i pary rtęci pierwiastkowej. Związki siarki, takie jak siarkowodór i dwutlenek siarki (SO 2 ), mogą pochodzić ze źródeł naturalnych lub z przemysłowego zanieczyszczenia powietrza.
| Gaz | Ułamek molowy (A) | ||
|---|---|---|---|
| Nazwa | Formuła | w ppm (B) | w % |
| Azot | N 2 | 780 840 | 78.084 |
| Tlen | O 2 | 209460 | 20.946 |
| Argon | Ar | 9340 | 0,9340 |
|
Dwutlenek węgla (kwiecień 2022) (C) |
CO2 _ | 417 | 0,0417 |
| Neon | Nie | 18.18 | 0,001818 |
| Hel | On | 5.24 | 0,000524 |
| Metan | CH 4 | 1,87 | 0,000187 |
| Krypton | Kr | 1.14 | 0,000114 |
| Nieuwzględnione w powyższej suchej atmosferze: | |||
| Para wodna (D) | H2O _ _ | 0–30 000 (D) | 0–3% (E) |
uwagi:
|
|||
Średnia masa cząsteczkowa suchego powietrza, którą można wykorzystać do obliczenia gęstości lub przeliczenia między ułamkiem molowym a ułamkiem masowym, wynosi około 28,946 lub 28,96 g/mol. Zmniejsza się, gdy powietrze jest wilgotne.
Względne stężenie gazów pozostaje stałe do około 10 000 m (33 000 stóp).
Stratyfikacja
Ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie i gęstość powietrza zmniejszają się wraz z wysokością w atmosferze. Jednak temperatura ma bardziej skomplikowany profil z wysokością i może pozostać względnie stała lub nawet wzrosnąć wraz z wysokością w niektórych regionach (patrz sekcja dotycząca temperatury poniżej ). Ponieważ ogólny wzorzec profilu temperatury/wysokości lub szybkości upływu czasu jest stały i można go zmierzyć za pomocą oprzyrządowanych sondowań balonowych , zachowanie temperatury stanowi użyteczną miarę do rozróżniania warstw atmosferycznych. W ten sposób atmosferę ziemską można podzielić (nazywaną stratyfikacją atmosferyczną) na pięć głównych warstw: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę i egzosferę. Wysokości pięciu warstw są następujące:
- Egzosfera: 700 do 10 000 km (440 do 6200 mil)
- Termosfera: 80 do 700 km (50 do 440 mil)
- Mezosfera: 50 do 80 km (31 do 50 mil)
- Stratosfera: 12 do 50 km (7 do 31 mil)
- Troposfera: od 0 do 12 km (od 0 do 7 mil)
Egzosfera
Egzosfera to najbardziej zewnętrzna warstwa atmosfery ziemskiej (tj. górna granica atmosfery). Rozciąga się od termopauzy , na szczycie termosfery na wysokości około 700 km nad poziomem morza, do około 10 000 km (6200 mil; 33 000 000 stóp), gdzie łączy się z wiatrem słonecznym .
Warstwa ta składa się głównie z wodoru, helu i kilku cięższych cząsteczek, w tym azotu, tlenu i dwutlenku węgla, znajdujących się bliżej egzozasady. Atomy i cząsteczki są tak daleko od siebie, że mogą przebyć setki kilometrów bez kolizji. W ten sposób egzosfera nie zachowuje się już jak gaz, a cząstki nieustannie uciekają w przestrzeń. Te swobodnie poruszające się cząstki podążają trajektoriami balistycznymi i mogą migrować do iz magnetosfery lub wiatru słonecznego.
Egzosfera znajduje się zbyt wysoko nad Ziemią, aby możliwe były zjawiska meteorologiczne . Jednak ziemska zorza polarna — aurora borealis (zorza polarna) i aurora australis (światło południowe) — czasami występuje w dolnej części egzosfery, gdzie nakłada się na termosferę. Egzosfera zawiera wiele sztucznych satelitów krążących wokół Ziemi.
termosfera
Termosfera jest drugą co do wysokości warstwą atmosfery ziemskiej. Rozciąga się od mezopauzy (która oddziela ją od mezosfery) na wysokości około 80 km (50 mil; 260 000 stóp) do termopauzy na wysokości 500–1000 km (310–620 mil ; 1 600 000–3 300 000 stóp) ). Wysokość termopauzy zmienia się znacznie ze względu na zmiany aktywności słonecznej. Ponieważ termopauza leży na dolnej granicy egzosfery, jest również określana jako egzobaza . Dolna część termosfery, od 80 do 550 kilometrów (50 do 342 mil) nad powierzchnią Ziemi, zawiera jonosferę .
Temperatura termosfery stopniowo rośnie wraz z wysokością i może wzrosnąć nawet do 1500 ° C (2700 ° F), chociaż cząsteczki gazu są tak daleko od siebie, że jego temperatura w zwykłym sensie nie ma większego znaczenia. Powietrze jest tak rozrzedzone, że pojedyncza cząsteczka ( tlenu ) pokonuje średnio 1 kilometr (0,62 mil; 3300 stóp) między zderzeniami z innymi cząsteczkami. Chociaż termosfera ma duży udział cząsteczek o wysokiej energii, nie byłaby gorąca dla człowieka w bezpośrednim kontakcie, ponieważ jej gęstość jest zbyt niska, aby przewodzić znaczną ilość energii do lub ze skóry.
Warstwa ta jest całkowicie bezchmurna i pozbawiona pary wodnej. Jednak zjawiska inne niż hydrometeorologiczne, takie jak zorza polarna i zorza polarna , są czasami obserwowane w termosferze. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna krąży po orbicie w tej warstwie, między 350 a 420 km (220 a 260 mil). W tej warstwie znajduje się wiele satelitów krążących wokół Ziemi.
Mezosfera
Mezosfera to trzecia najwyższa warstwa atmosfery ziemskiej, zajmująca obszar powyżej stratosfery i poniżej termosfery. Rozciąga się od stratopauzy na wysokości około 50 km (31 mil; 160 000 stóp) do mezopauzy na wysokości 80–85 km (50–53 mil; 260 000–280 000 stóp) nad poziomem morza.
Temperatury spadają wraz ze wzrostem wysokości do mezopauzy , która wyznacza szczyt tej środkowej warstwy atmosfery. Jest to najzimniejsze miejsce na Ziemi, a średnia temperatura wynosi około -85 ° C (-120 ° F ; 190 K ).
Tuż poniżej mezopauzy powietrze jest tak zimne, że nawet bardzo rzadka para wodna na tej wysokości może skraplać się w polarno-mezosferyczne srebrzyste obłoki cząstek lodu. Są to najwyższe chmury w atmosferze i mogą być widoczne gołym okiem, jeśli światło słoneczne odbija się od nich około godziny lub dwóch po zachodzie słońca lub podobnie przed wschodem słońca. Najłatwiej je dostrzec, gdy Słońce znajduje się około 4 do 16 stopni poniżej horyzontu. Wyładowania wywołane wyładowaniami atmosferycznymi, znane jako przejściowe zdarzenia świetlne (TLE), czasami tworzą się w mezosferze powyżej troposferycznych chmur burzowych . Mezosfera jest również warstwą, w której większość meteorów spala się po wejściu do atmosfery. Znajduje się zbyt wysoko nad Ziemią, aby był dostępny dla samolotów i balonów z napędem odrzutowym, i zbyt nisko, aby umożliwić orbitalny statek kosmiczny. Do mezosfery docierają głównie rakiety sondujące i samoloty o napędzie rakietowym .
Stratosfera
Stratosfera jest drugą najniżej położoną warstwą ziemskiej atmosfery. Leży nad troposferą i jest od niej oddzielony tropopauzą . Warstwa ta rozciąga się od szczytu troposfery na około 12 km (7,5 mil; 39 000 stóp) nad powierzchnią Ziemi do stratopauzy na wysokości około 50 do 55 km (31 do 34 mil; 164 000 do 180 000 stóp).
Ciśnienie atmosferyczne na szczycie stratosfery wynosi mniej więcej 1/1000 ciśnienia na poziomie morza . Zawiera warstwę ozonową , czyli część atmosfery ziemskiej, w której występuje stosunkowo wysokie stężenie tego gazu. Stratosfera definiuje warstwę, w której temperatura rośnie wraz ze wzrostem wysokości. Ten wzrost temperatury jest spowodowany absorpcją promieniowania ultrafioletowego (UV) ze Słońca przez warstwę ozonową, co ogranicza turbulencje i mieszanie. Chociaż temperatura w tropopauzie może wynosić -60 ° C (-76 ° F; 210 K), górna część stratosfery jest znacznie cieplejsza i może być bliska 0 ° C.
Stratosferyczny profil temperatury tworzy bardzo stabilne warunki atmosferyczne, więc w stratosferze brakuje turbulencji powietrza powodujących pogodę, które są tak powszechne w troposferze. W rezultacie stratosfera jest prawie całkowicie wolna od chmur i innych form pogody. Jednak polarne chmury stratosferyczne lub perłowe są czasami widoczne w dolnej części tej warstwy atmosfery, gdzie powietrze jest najzimniejsze. Stratosfera to najwyższa warstwa, do której mogą dotrzeć samoloty odrzutowe .
Troposfera
Troposfera to najniższa warstwa atmosfery ziemskiej. Rozciąga się od powierzchni Ziemi do średniej wysokości około 12 km (7,5 mil; 39 000 stóp), chociaż wysokość ta waha się od około 9 km (5,6 mil; 30 000 stóp) na biegunach geograficznych do 17 km (11 mil; 56 000 stóp) na równiku , z pewnymi zmianami spowodowanymi pogodą. Troposfera jest ograniczona od góry przez tropopauzę , granicę wyznaczaną w większości miejsc przez inwersję temperatury (tj. warstwę stosunkowo ciepłego powietrza nad zimniejszą), aw innych przez strefę izotermiczną z wysokością.
Chociaż występują wahania, temperatura zwykle spada wraz ze wzrostem wysokości w troposferze, ponieważ troposfera jest ogrzewana głównie poprzez transfer energii z powierzchni. Tak więc najniższa część troposfery (tj. powierzchnia Ziemi) jest zazwyczaj najcieplejszą częścią troposfery. Sprzyja to mieszaniu pionowemu (stąd pochodzenie jego nazwy od greckiego słowa τρόπος, tropos , oznaczającego „obrót”). Troposfera zawiera około 80% masy ziemskiej atmosfery. Troposfera jest gęstsza niż wszystkie leżące nad nią warstwy, ponieważ większa masa atmosferyczna znajduje się na górze troposfery i powoduje, że jest ona silniej ściśnięta. Pięćdziesiąt procent całkowitej masy atmosfery znajduje się w dolnych 5,6 km (3,5 mil; 18 000 stóp) troposfery.
Prawie cała atmosferyczna para wodna lub wilgoć znajduje się w troposferze, więc jest to warstwa, w której ma miejsce większość pogody na Ziemi. Ma w zasadzie wszystkie typy chmur związane z pogodą, generowane przez aktywny obieg wiatru, chociaż bardzo wysokie chmury burzowe Cumulonimbus mogą przenikać tropopauzę od dołu i wznosić się do dolnej części stratosfery. Większość konwencjonalnej lotniczej ma miejsce w troposferze i jest to jedyna warstwa, do której mogą dotrzeć samoloty napędzane śmigłem .
Inne warstwy
W ramach pięciu głównych warstw powyżej, które są w dużej mierze zdeterminowane przez temperaturę, kilka warstw drugorzędnych można wyróżnić na podstawie innych właściwości:
- Warstwa ozonowa jest zawarta w stratosferze. W tej warstwie ozonu wynosi około 2 do 8 części na milion, czyli znacznie więcej niż w niższych warstwach atmosfery, ale wciąż bardzo małe w porównaniu z głównymi składnikami atmosfery. Znajduje się głównie w dolnej części stratosfery na wysokości około 15–35 km (9,3–21,7 mil; 49 000–115 000 stóp), chociaż grubość zmienia się sezonowo i geograficznie. Około 90% ozonu w ziemskiej atmosferze znajduje się w stratosferze.
- Jonosfera to obszar atmosfery, który jest zjonizowany przez promieniowanie słoneczne . Odpowiada za zorze polarne . W ciągu dnia rozciąga się od 50 do 1000 km (31 do 621 mil; 160 000 do 3 280 000 stóp) i obejmuje mezosferę, termosferę i części egzosfery. Jednak jonizacja w mezosferze w dużej mierze ustaje w nocy, więc zorze polarne są zwykle widoczne tylko w termosferze i niższej egzosferze. Jonosfera tworzy wewnętrzną krawędź magnetosfery . Ma to znaczenie praktyczne, ponieważ wpływa np. na propagację fal radiowych na Ziemi.
- Homosfera i heterosfera są definiowane przez to, czy gazy atmosferyczne są dobrze wymieszane. Powierzchniowa homosfera obejmuje troposferę, stratosferę, mezosferę i najniższą część termosfery, gdzie skład chemiczny atmosfery nie zależy od masy cząsteczkowej, ponieważ gazy mieszają się w wyniku turbulencji. Ta stosunkowo jednorodna warstwa kończy się na turbopauzie znajdującej się około 100 km (62 mil; 330 000 stóp), na samej krawędzi samej przestrzeni , zgodnie z akceptacją FAI , która umieszcza ją około 20 km (12 mil; 66 000 stóp) nad mezopauzą.
- Powyżej tej wysokości znajduje się heterosfera, która obejmuje egzosferę i większość termosfery. Tutaj skład chemiczny zmienia się wraz z wysokością. Dzieje się tak, ponieważ odległość, na jaką cząstki mogą się przemieszczać bez zderzenia ze sobą, jest duża w porównaniu z rozmiarem ruchów powodujących mieszanie. Pozwala to na rozwarstwienie gazów według masy cząsteczkowej, przy czym cięższe, takie jak tlen i azot, występują tylko w pobliżu dna heterosfery. Górna część heterosfery składa się prawie wyłącznie z wodoru, najlżejszego pierwiastka. [ wymagane wyjaśnienie ]
- Planetarna warstwa graniczna to część troposfery, która znajduje się najbliżej powierzchni Ziemi i jest przez nią bezpośrednio dotknięta, głównie poprzez turbulentną dyfuzję . W ciągu dnia planetarna warstwa graniczna jest zwykle dobrze wymieszana, podczas gdy w nocy ulega stabilnemu rozwarstwieniu ze słabym lub przerywanym mieszaniem. Głębokość planetarnej warstwy granicznej waha się od zaledwie około 100 metrów (330 stóp) w czyste, spokojne noce do 3000 m (9800 stóp) lub więcej po południu w suchych regionach.
Średnia temperatura atmosfery na powierzchni Ziemi wynosi 14 ° C (57 ° F; 287 K) lub 15 ° C (59 ° F; 288 K), w zależności od odniesienia.
Właściwości fizyczne
Ciśnienie i grubość
Średnie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest definiowane przez Międzynarodową Atmosferę Wzorcową jako 101325 paskali (760,00 Torr ; 14,6959 psi ; 760,00 mmHg ). Jest to czasami określane jako jednostka atmosfery standardowej (atm) . Całkowita masa atmosfery wynosi 5,1480 × 10 18 kg (1,135 × 10 19 funtów), o około 2,5% mniej niż można by wywnioskować ze średniego ciśnienia na poziomie morza i powierzchni Ziemi wynoszącej 51007,2 megahektarów, przy czym ta część została wyparta przez górzysty teren Ziemi. Ciśnienie atmosferyczne to całkowity ciężar powietrza nad jednostką powierzchni w punkcie, w którym mierzone jest ciśnienie. Tak więc ciśnienie powietrza zmienia się w zależności od lokalizacji i pogody .
Gdyby cała masa atmosfery miała jednorodną gęstość równą gęstości poziomu morza (około 1,2 kg na m 3 ) od poziomu morza w górę, skończyłaby się nagle na wysokości 8,50 km (27 900 stóp).
Ciśnienie powietrza w rzeczywistości spada wykładniczo wraz z wysokością, spadając o połowę co 5,6 km (18 000 stóp) lub o współczynnik 1/ e (0,368) co 7,64 km (25 100 stóp) (nazywa się to wysokością skali ) - dla wysokości poza do około 70 km (43 mil; 230 000 stóp). Jednak atmosfera jest dokładniej modelowana za pomocą dostosowanego równania dla każdej warstwy, które uwzględnia gradienty temperatury, skład molekularny, promieniowanie słoneczne i grawitację. Na wysokości powyżej 100 km atmosfera może nie być dobrze wymieszana. Wtedy każdy gatunek chemiczny ma swoją własną wysokość łuski.
Podsumowując, masa ziemskiej atmosfery rozkłada się w przybliżeniu następująco:
- 50% znajduje się poniżej 5,6 km (18 000 stóp).
- 90% znajduje się poniżej 16 km (52 000 stóp).
- 99,99997% znajduje się poniżej 100 km (62 mil; 330 000 stóp), linii Kármána . Zgodnie z międzynarodową konwencją oznacza to początek kosmosu, w którym ludzie podróżujący są uważani za astronautów .
Dla porównania, szczyt Mount Everest znajduje się na wysokości 8848 m (29 029 stóp); komercyjne samoloty pasażerskie zazwyczaj pływają na dystansie od 10 do 13 km (33 000 do 43 000 stóp), gdzie niższa gęstość i temperatura powietrza poprawiają oszczędność paliwa; balony pogodowe osiągają 30,4 km (100 000 stóp) i więcej; a najwyższy X-15 w 1963 roku osiągnął 108,0 km (354 300 stóp).
Nawet powyżej linii Kármána nadal występują znaczące efekty atmosferyczne, takie jak zorze polarne . Meteory zaczynają świecić w tym regionie, chociaż większe mogą nie spalić się, dopóki nie wnikną głębiej. Różne warstwy ziemskiej jonosfery , ważne dla propagacji fal radiowych o wysokiej częstotliwości , zaczynają się poniżej 100 km i sięgają dalej niż 500 km. Dla porównania, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna i Prom Kosmiczny zwykle orbitują na wysokości 350-400 km, w warstwie F jonosfery, gdzie napotykają na tyle opór atmosferyczny , że wymagają restartów co kilka miesięcy, w przeciwnym razie dojdzie do rozpadu orbity skutkującego powrotem do Ziemia. W zależności od aktywności słonecznej satelity mogą odczuwać zauważalny opór atmosferyczny na wysokości nawet 700–800 km.
Temperatura
Podział atmosfery na warstwy, głównie w odniesieniu do temperatury, omówiono powyżej. Temperatura spada wraz z wysokością, zaczynając od poziomu morza, ale wahania tego trendu zaczynają się powyżej 11 km, gdzie temperatura stabilizuje się na dużej pionowej odległości w pozostałej części troposfery. W stratosferze , począwszy od wysokości około 20 km, temperatura wzrasta wraz z wysokością, z powodu ogrzewania w warstwie ozonowej spowodowanego wychwytywaniem znacznej ilości promieniowania ultrafioletowego ze Słońca przez tlen i ozon w tym regionie. Jeszcze inny region wzrostu temperatury wraz z wysokością występuje na bardzo dużych wysokościach, w trafnie nazwanej termosferze powyżej 90 km.
Prędkość dźwięku
Ponieważ w idealnym gazie o stałym składzie prędkość dźwięku zależy tylko od temperatury, a nie od ciśnienia czy gęstości, prędkość dźwięku w atmosferze wraz z wysokością przyjmuje postać skomplikowanego profilu temperaturowego (patrz ilustracja po prawej), oraz nie odzwierciedla wysokościowych zmian gęstości lub ciśnienia.
Gęstość i masa
Gęstość powietrza na poziomie morza wynosi około 1,2 kg/m 3 (1,2 g/l, 0,0012 g/cm 3 ). Gęstość nie jest mierzona bezpośrednio, ale obliczana na podstawie pomiarów temperatury, ciśnienia i wilgotności przy użyciu równania stanu powietrza (forma równania stanu gazu doskonałego ). Gęstość atmosfery maleje wraz ze wzrostem wysokości. Zmienność tę można w przybliżeniu modelować za pomocą wzoru barometrycznego . Bardziej wyrafinowane modele służą do przewidywania rozpadu orbity satelitów.
Średnia masa atmosfery wynosi około 5 biliardów (5 × 10 15 ) ton , czyli 1/1 200 000 masy Ziemi. Według Amerykańskiego Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych „Całkowita średnia masa atmosfery wynosi 5,1480 × 10 18 kg przy rocznym zasięgu pary wodnej wynoszącym 1,2 lub 1,5 × 10 15 kg, w zależności od ciśnienia powierzchniowego lub danych dotyczących pary wodnej są używane, nieco mniejsze niż poprzednie szacunki. Średnią masę pary wodnej szacuje się na 1,27 × 10 16 kg, a masę suchego powietrza na 5,1352 ± 0,0003 × 10 18 kg”.
Tabelaryczne właściwości
Tabela właściwości fizycznych i termicznych powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym:
| Temperatura (K) | Gęstość (kg/m^3 ) | Ciepło właściwe (J/kg °C) | Lepkość dynamiczna (kg/ms) | Lepkość kinematyczna (m^2/s) | Przewodność cieplna (W/m °C) | Dyfuzyjność cieplna (m^2/s) | liczba Prandtla | Moduł objętościowy (K^-1 ) |
| 100 | 3.601 | 1026,6 | 6.92E-06 | 1.92E-06 | 0,000925 | 2.50E-06 | 0,77 | 0,01 |
| 150 | 2,3675 | 1009,9 | 1.03E-05 | 4.34E-06 | 0,013735 | 5.75E-06 | 0,753 | 0,006667 |
| 200 | 1,7684 | 1006.1 | 1.33E-05 | 7.49E-06 | 0,01809 | 1.02E-05 | 0,738 | 0,005 |
| 250 | 1.4128 | 1005.3 | 1.60E-05 | 1.13E-05 | 0,02227 | 1.57E-05 | 0,722 | 0,004 |
| 300 | 1.1774 | 1005,7 | 1.85E-05 | 1.57E-05 | 0,02624 | 2.22E-05 | 0,708 | 0,003333 |
| 350 | 0,998 | 1009 | 2.08E-05 | 2.08E-05 | 0,03003 | 2.98E-05 | 0,697 | 0,002857 |
| 400 | 0,8826 | 1014 | 2.29E-05 | 2.59E-05 | 0,03365 | 3.76E-05 | 0,689 | 0,0025 |
| 450 | 0,7833 | 1020.7 | 2.48E-05 | 3.17E-05 | 0,03707 | 4.22E-05 | 0,683 | 0,002222 |
| 500 | 0,7048 | 1029,5 | 2.67E-05 | 3.79E-05 | 0,04038 | 5.56E-05 | 0,68 | 0,002 |
| 550 | 0,6423 | 1039.2 | 2.85E-05 | 4.43E-05 | 0,0436 | 6.53E-05 | 0,68 | 0,001818 |
| 600 | 0,5879 | 1055.1 | 3.02E-05 | 5.13E-05 | 0,04659 | 7.51E-05 | 0,68 | 0,001667 |
| 650 | 0,543 | 1063,5 | 3.18E-05 | 5.85E-05 | 0,04953 | 8.58E-05 | 0,682 | 0,001538 |
| 700 | 0,503 | 1075.2 | 3.33E-05 | 6.63E-05 | 0,0523 | 9.67E-05 | 0,684 | 0,001429 |
| 750 | 0,4709 | 1085,6 | 3.48E-05 | 7.39E-05 | 0,05509 | 1.08E-04 | 0,686 | 0,001333 |
| 800 | 0,4405 | 1097,8 | 3.63E-05 | 8.23E-05 | 0,05779 | 1.20E-04 | 0,689 | 0,00125 |
| 850 | 0,4149 | 1109,5 | 3.77E-05 | 9.08E-05 | 0,06028 | 1.31E-04 | 0,692 | 0,001176 |
| 900 | 0,3925 | 1121.2 | 3.90E-05 | 9.93E-05 | 0,06279 | 1.43E-04 | 0,696 | 0,001111 |
| 950 | 0,3716 | 1132.1 | 4.02E-05 | 1.08E-04 | 0,06525 | 1.55E-04 | 0,699 | 0,001053 |
| 1000 | 0,3524 | 1141,7 | 4.15E-05 | 1.18E-04 | 0,06753 | 1.68E-04 | 0,702 | 0,001 |
| 1100 | 0,3204 | 1160 | 4.44E-05 | 1.39E-04 | 0,0732 | 1.97E-04 | 0,704 | 0,000909 |
| 1200 | 0,2947 | 1179 | 4.69E-05 | 1.59E-04 | 0,0782 | 2.25E-04 | 0,707 | 0,000833 |
| 1300 | 0,2707 | 1197 | 4.93E-05 | 1.82E-04 | 0,0837 | 2.58E-04 | 0,705 | 0,000769 |
| 1400 | 0,2515 | 1214 | 5.17E-05 | 2.06E-04 | 0,0891 | 2.92E-04 | 0,705 | 0,000714 |
| 1500 | 0,2355 | 1230 | 0,000054 | 2.29E-04 | 0,0946 | 3.26E-04 | 0,705 | 0,000667 |
| 1600 | 0,2211 | 1248 | 5.63E-05 | 2.55E-04 | 0,1 | 3.61E-04 | 0,705 | 0,000625 |
| 1700 | 0,2082 | 1267 | 5.85E-05 | 2.81E-04 | 0,105 | 3.98E-04 | 0,705 | 0,000588 |
| 1800 | 0,197 | 1287 | 6.07E-05 | 3.08E-04 | 0,111 | 4.38E-04 | 0,704 | 0,000556 |
| 1900 | 0,1858 | 1309 | 6.29E-05 | 3.39E-04 | 0,117 | 4.81E-04 | 0,704 | 0,000526 |
| 2000 | 0,1762 | 1338 | 0,000065 | 3.69E-04 | 0,124 | 5.26E-04 | 0,702 | 0,0005 |
| 2100 | 0,1682 | 1372 | 6.72E-05 | 4.00E-04 | 0,131 | 5.72E-04 | 0,7 | 0,000476 |
| 2200 | 0,1602 | 1419 | 6.93E-05 | 4.33E-04 | 0,139 | 6.12E-04 | 0,707 | 0,000455 |
| 2300 | 0,1538 | 1482 | 7.14E-05 | 4.64E-04 | 0,149 | 6.54E-04 | 0,71 | 0,000435 |
| 2400 | 0,1458 | 1574 | 7.35E-05 | 5.04E-04 | 0,161 | 7.02E-04 | 0,718 | 0,000417 |
| 2500 | 0,1394 | 1688 | 7.57E-05 | 5.44E-04 | 0,175 | 7.44E-04 | 0,73 | 0,0004 |
| 3000 | 0,1135 | 2.726 | 9.55E-05 | 8.41E-04 | 0,486 | 1.57E-03 | 0,536 | 0,0003333333333 |
Właściwości optyczne
Promieniowanie słoneczne (lub światło słoneczne) to energia, którą Ziemia otrzymuje od Słońca . Ziemia również emituje promieniowanie z powrotem w kosmos, ale na dłuższych falach, których ludzie nie widzą. Część docierającego i emitowanego promieniowania jest absorbowana lub odbijana przez atmosferę. W maju 2017 r. odkryto, że błyski światła, widziane jako migotanie z orbitującego satelity oddalonego o milion mil, są światłem odbitym od kryształków lodu w atmosferze.
Rozpraszanie
Kiedy światło przechodzi przez ziemską atmosferę, fotony oddziałują z nim poprzez rozpraszanie . Jeśli światło nie oddziałuje z atmosferą, nazywa się to promieniowaniem bezpośrednim i jest tym, co widzisz, patrząc bezpośrednio na Słońce. Promieniowanie pośrednie to światło rozproszone w atmosferze. Na przykład w pochmurny dzień, kiedy nie widzisz swojego cienia, nie dociera do ciebie bezpośrednie promieniowanie, wszystko zostało rozproszone. Jako inny przykład, ze względu na zjawisko zwane rozpraszaniem Rayleigha , krótsze (niebieskie) długości fal rozpraszają się łatwiej niż dłuższe (czerwone) długości fal. To dlatego niebo wygląda na niebieskie; widzisz rozproszone niebieskie światło. Dlatego też zachody słońca są czerwone. Ponieważ Słońce znajduje się blisko horyzontu, promienie słoneczne przechodzą przez więcej atmosfery niż normalnie, zanim dotrą do oka. Znaczna część niebieskiego światła została rozproszona, pozostawiając czerwone światło podczas zachodu słońca.
Wchłanianie
Różne cząsteczki pochłaniają różne długości fal promieniowania. Na przykład O 2 i O 3 pochłaniają prawie całe promieniowanie o długości fali krótszej niż 300 nanometrów . Woda (H 2 O) absorbuje przy wielu długościach fal powyżej 700 nm. Kiedy cząsteczka pochłania foton, zwiększa energię cząsteczki. To ogrzewa atmosferę, ale atmosfera również się ochładza, emitując promieniowanie, jak omówiono poniżej.
Połączone widma absorpcyjne gazów w atmosferze pozostawiają „okna” o niskiej nieprzeźroczystości , umożliwiające transmisję tylko niektórych pasm światła. Okno optyczne rozciąga się od około 300 nm ( ultrafiolet -C) do zakresu widzialnego dla ludzi, widma widzialnego (powszechnie zwanego światłem), przy około 400–700 nm i ciągnie się w podczerwieni do około 1100 nm. Istnieją również okna podczerwieni i radiowe , które transmitują niektóre fale podczerwone i radiowe na dłuższych falach. Na przykład okno radiowe rozciąga się od fal o długości około jednego centymetra do około jedenastu metrów.
Emisja
Emisja jest przeciwieństwem absorpcji, kiedy obiekt emituje promieniowanie. Obiekty mają tendencję do emitowania ilości i długości fal promieniowania w zależności od ich krzywych emisji „ ciała doskonale czarnego ”, dlatego gorętsze obiekty mają tendencję do emitowania większej ilości promieniowania o krótszych długościach fal. Zimniejsze obiekty emitują mniej promieniowania o dłuższych falach. Na przykład Słońce ma temperaturę około 6000 K (5730 ° C ; 10 340 ° F ), jego promieniowanie osiąga wartość szczytową w pobliżu 500 nm i jest widoczne dla ludzkiego oka. Ziemia ma około 290 K (17 ° C; 62 ° F), więc jej promieniowanie osiąga szczyt w pobliżu 10 000 nm i jest o wiele za długie, aby było widoczne dla ludzi.
Ze względu na swoją temperaturę atmosfera emituje promieniowanie podczerwone. Na przykład w bezchmurne noce powierzchnia Ziemi ochładza się szybciej niż w pochmurne noce. Dzieje się tak dlatego, że chmury (H 2 O) są silnymi pochłaniaczami i emiterami promieniowania podczerwonego. Z tego też powodu nocą na wyższych wysokościach robi się zimniej.
Efekt cieplarniany jest bezpośrednio związany z efektem absorpcji i emisji. Niektóre gazy w atmosferze pochłaniają i emitują promieniowanie podczerwone, ale nie oddziałują ze światłem słonecznym w zakresie widzialnym. Typowymi ich przykładami są CO 2 i H 2 O.
Współczynnik załamania światła
Współczynnik załamania światła powietrza jest bliski, ale nieco większy niż 1. Systematyczne zmiany współczynnika załamania światła mogą prowadzić do zakrzywiania promieni świetlnych na długich drogach optycznych. Jednym z przykładów jest to, że w pewnych okolicznościach obserwatorzy na pokładzie statków mogą zobaczyć inne statki tuż za horyzontem, ponieważ światło załamuje się w tym samym kierunku, co krzywizna powierzchni Ziemi.
Współczynnik załamania światła powietrza zależy od temperatury, powodując efekt załamania światła, gdy gradient temperatury jest duży. Przykładem takich efektów jest miraż .
Krążenie
Cyrkulacja atmosferyczna to ruch powietrza na dużą skalę przez troposferę i sposób (wraz z cyrkulacją oceaniczną ), za pomocą którego ciepło jest rozprowadzane po Ziemi. Wielkoskalowa struktura cyrkulacji atmosferycznej zmienia się z roku na rok, ale podstawowa struktura pozostaje dość stała, ponieważ zależy od prędkości obrotowej Ziemi i różnicy w promieniowaniu słonecznym między równikiem a biegunami.
Ewolucja atmosfery ziemskiej
Najwcześniejsza atmosfera
Pierwsza atmosfera składała się z gazów w mgławicy słonecznej , głównie z wodoru . Prawdopodobnie istniały proste wodorki, takie jak te, które obecnie znajdują się w gazowych olbrzymach ( Jowisz i Saturn ), zwłaszcza para wodna, metan i amoniak .
Druga atmosfera
Odgazowanie z wulkanizmu , uzupełnione gazami powstałymi podczas późnego ciężkiego bombardowania Ziemi przez ogromne asteroidy , wytworzyło następną atmosferę, składającą się głównie z azotu , dwutlenku węgla i gazów obojętnych. Większa część emisji dwutlenku węgla rozpuszczała się w wodzie i reagowała z metalami, takimi jak wapń i magnez, podczas wietrzenia skał skorupy ziemskiej, tworząc węglany, które osadzały się jako osady. Znaleziono osady związane z wodą, które pochodzą już z 3,8 miliarda lat temu.
Około 3,4 miliarda lat temu azot stanowił większą część stabilnej wówczas „drugiej atmosfery”. Wpływ życia należy wziąć pod uwagę dość wcześnie w historii atmosfery, ponieważ ślady wczesnych form życia pojawiają się już 3,5 miliarda lat temu. Jak Ziemia w tamtym czasie utrzymywała klimat wystarczająco ciepły dla wody w stanie ciekłym i życia, jeśli wczesne Słońce emitowało o 30% mniej promieniowania słonecznego niż dzisiaj, jest zagadką znaną jako „paradoks słabego młodego Słońca ” .
Zapisy geologiczne wskazują jednak na ciągłą stosunkowo ciepłą powierzchnię podczas całego wczesnego zapisu temperatury Ziemi – z wyjątkiem jednej zimnej fazy lodowcowej około 2,4 miliarda lat temu. W późnym eonie archaicznym zaczęła się rozwijać atmosfera zawierająca tlen, najwyraźniej wytwarzana przez fotosyntetyzujące cyjanobakterie (patrz Wielkie Zdarzenie Natlenienia ), które znaleziono jako skamieliny stromatolitu sprzed 2,7 miliarda lat. Wczesna podstawowa izotopia węgla ( stosunków izotopowych ) silnie sugeruje warunki podobne do obecnych, a podstawowe cechy obiegu węgla zostały ustalone już 4 miliardy lat temu.
Starożytne osady w Gabonie , datowane na okres od około 2,15 do 2,08 miliarda lat temu, stanowią zapis dynamicznej ewolucji natlenienia Ziemi. Te fluktuacje natlenienia były prawdopodobnie spowodowane wyskokiem izotopu węgla Lomagundiego.
Atmosfera trzecia
Ciągła zmiana układu kontynentów przez tektonikę płyt wpływa na długoterminową ewolucję atmosfery poprzez przenoszenie dwutlenku węgla do iz dużych kontynentalnych magazynów węglanów. Wolny tlen nie istniał w atmosferze aż do około 2,4 miliarda lat temu podczas Wielkiego Wydarzenia Natlenienia , a na jego pojawienie się wskazuje zakończenie pasmowych formacji żelaza .
Wcześniej cały tlen wytwarzany w procesie fotosyntezy był zużywany przez utlenianie zredukowanych materiałów, zwłaszcza żelaza. Wolne cząsteczki tlenu nie zaczęły gromadzić się w atmosferze, dopóki tempo produkcji tlenu nie zaczęło przekraczać dostępności materiałów redukujących usuwających tlen. Punkt ten oznacza przejście od atmosfery redukującej do atmosfery utleniającej . O 2 wykazywał duże wahania, aż do osiągnięcia stanu ustalonego na poziomie ponad 15% pod koniec prekambru. Następny przedział czasowy od 539 milionów lat temu do dnia dzisiejszego to fanerozoiczny , podczas którego najwcześniejszego okresu zaczęły pojawiać się kambryjskie , potrzebujące tlenu formy życia metazoan .
Ilość tlenu w atmosferze wahała się przez ostatnie 600 milionów lat, osiągając szczyt około 30% około 280 milionów lat temu, czyli znacznie więcej niż obecne 21%. Dwa główne procesy rządzą zmianami w atmosferze: rośliny zużywają dwutlenek węgla z atmosfery i uwalniają tlen, a następnie rośliny zużywają część tlenu w nocy w procesie fotooddychania , podczas gdy pozostały tlen jest wykorzystywany do rozkładu materii organicznej. Rozpad pirytu i erupcje wulkanów uwalniają do atmosfery siarkę , która reaguje z tlenem i tym samym zmniejsza jego ilość w atmosferze. Jednak erupcje wulkanów uwalniają również dwutlenek węgla, który rośliny mogą przekształcić w tlen. Przyczyna wahań ilości tlenu w atmosferze nie jest znana. Okresy z dużą ilością tlenu w atmosferze są związane z szybkim rozwojem zwierząt.
Zanieczyszczenie powietrza
Zanieczyszczenia powietrza to wprowadzanie do atmosfery substancji chemicznych , cząstek stałych lub materiałów biologicznych , które powodują szkody lub dyskomfort dla organizmów. Zubożenie warstwy ozonowej w stratosferze jest spowodowane zanieczyszczeniem powietrza, głównie chlorofluorowęglowodorami i innymi substancjami zubożającymi warstwę ozonową.
Od 1750 roku działalność człowieka zwiększyła stężenie różnych gazów cieplarnianych, przede wszystkim dwutlenku węgla, metanu i podtlenku azotu. Wzrost ten spowodował obserwowany wzrost globalnych temperatur . Globalne średnie temperatury powierzchni były 1,1°C wyższe w dekadzie 2011-2020 niż w 1850 r.
Obrazy z kosmosu
19 października 2015 r. NASA uruchomiła stronę internetową zawierającą codzienne zdjęcia pełnej nasłonecznienia strony Ziemi pod adresem https://epic.gsfc.nasa.gov/ . Zdjęcia pochodzą z Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) i pokazują Ziemię obracającą się w ciągu dnia.
Burze geomagnetyczne powodują pokazy zorzy polarnej w atmosferze.
Widok kończyny ziemskiej atmosfery. Kolory z grubsza oznaczają warstwy atmosfery.
To zdjęcie pokazuje Księżyc w centrum, z częścią Ziemi w pobliżu dna przechodzącą w pomarańczową troposferę. Troposfera kończy się nagle w tropopauzie, która pojawia się na zdjęciu jako ostra granica między pomarańczową i niebieską atmosferą. Srebrzystoniebieskie, srebrzyste chmury rozciągają się daleko ponad ziemską troposferą.
Zobacz też
- Perspektywa z lotu ptaka
- Powietrze (element klasyczny)
- Blask powietrza
- Przedział powietrzny
- Modelowanie dyspersji atmosferycznej
- Elektryczność atmosferyczna
- Ośrodek Badań Klimatu Pomiaru Promieniowania Atmosferycznego (ARM) (w USA)
- Rozwarstwienie atmosferyczne
- Biosfera
- System klimatyczny
- Międzynarodowa atmosfera wzorcowa COSPAR (CIRA)
- Wpływ lotnictwa na środowisko
- Globalnego zaciemnienia
- Historyczny rekord temperatury
- Hydrosfera
- Hipermobilność (podróż)
- protokół Kyoto
- Wymywanie (rolnictwo)
- litosfera
- Referencyjny model atmosfery
Linki zewnętrzne
| Atmosfera |  |
|
|---|---|---|
| Klimat | ||
| Kontynenty | ||
| Kultura i społeczeństwo | ||
| Środowisko | ||
| Geodezja | ||
| Geofizyka | ||
| Geologia | ||
| Oceany | ||
| Nauka planetarna | ||
| Gwiazda | |
|
|---|---|---|
| Egzoplaneta | ||
| Planeta | ||
| Planeta krasnoludków | ||
| Satelita | ||
| Zobacz też | ||
|
Elementy natury
| |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Wszechświat | |||||
| Ziemia | |||||
| Pogoda | |||||
| Środowisko naturalne | |||||
| Życie |
|
||||
| Powietrze |
|
||||
|---|---|---|---|---|---|
| Energia | |||||
| Grunt | |||||
| Życie | |||||
| Woda |
|
||||
| Powiązany |
|
||||
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
