В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.
Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют "турбулентностью ясного неба".
Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха. На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с совершенствованием техники запуска на высоты 25-30 км радиозондов. Мезосфера - располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены. Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5ґ1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, - приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, - 5*10 15 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км - примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8-10 9 на 1 м3. На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км. При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте около 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы - гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги. Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории
ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее, выявлены некоторые вероятные изменения ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и ок. 4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в ходе химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, вероятно присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. Следовательно, жизнь могла зародиться в атмосфере, принципиально отличной от современной. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением свободного кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. По оценкам, наличие всего 0,00004 современного объема кислорода могло привести к формированию слоя с вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией озона, что, тем не менее, обеспечивало весьма существенную защиту от ультрафиолетовых лучей. Вероятно также, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, некоторые ученые полагают, что колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды. Присутствующий в современной атмосфере гелий, вероятно, большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают альфа-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, на каждую альфа-частицу приходится два электрона. В итоге она соединяется с ними, образуя нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности объем этого газа в атмосфере неизменен. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона - в десять миллионов раз, а ксенона - в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.
Гидросфера - (от др.-греч. Yδωρ к Hydor - вода и σφαῖρα к Sphaira - шар) (англ. hydrosphere) - совокупность всех водных запасов Земли, прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности и в толще земной коры и представляющая собой совокупность всех видов природных вод (океанов, морей, поверхностных вод суши, подземных вод и ледяных покровов). В более широком смысле в состав гидросферы включают также атмосферную воду и воду живых организмов. Каждая из групп вод делится на подгруппы более низких рангов. Например, в атмосфере можно выделить воды в тропосфере и стратосфере, на поверхности Земли - воды океанов и морей, а также рек, озёр и ледников; в литосфере - воды фундамента и осадочного чехла (в том числе воды артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов). Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше - в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны, около 2% - подземные воды, около 2% - льды и снега, около 0,02% - поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу. Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Количество пресных вод в гидросфере, доступных для использования, около 0,3%. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Речные и пресные подземные воды зоны водообмена интенсивно возобновляются в процессе общего круговорота воды, что позволяет при рациональной эксплуатации использовать их неограниченно долгое время. Современная гидросфера - результат длительной эволюции Земли и дифференциации её вещества. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на Земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Гидросфера - незамкнутая система, между водами которой существует тесная взаимосвязь, обуславливающая единство гидросферы как природной системы и взаимодействие гидросферы с другими геосферами. Поступление воды в гидросферу при вулканизме, из атмосферы, литосферы (отжатие вод при литификации илов и др.) происходит непрерывно, также, как и удаление воды из гидросферы. Захоронение вод в литосфере распространяется на целые геологические периоды (десятки млн. лет). В гидросфере происходят также разложение и синтез воды. Отдельные звенья гидросферы отличаются как по свойствам среды, содержащей воду, так и по свойствам и составу самой воды. Однако благодаря круговороту воды различных масштабов и продолжительности (океан- материк, внутриматериковый круговорот, круговороты в пределах отдельных бассейнов рек, озёр, ландшафтов и т.д.) она представляет собой единое целое. Все формы круговорота воды составляют единый гидрологический цикл, в процессе которого происходит возобновление всех видов вод. Наиболее быстро обновляются биологические воды, входящие в состав растений и живых организмов и атмосферные воды. Наиболее продолжительный период (тысячи, десятки и сотни тысяч лет) приходится на возобновление ледников, глубоко залегающих подземных вод, вод Мирового океана. Управление круговоротом воды, его практическое использование - важная научная проблема, имеющая большое экономическое значение.
Биосфера - совокупность частей земной оболочки (лито, гидро и атмосфера), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. Это активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимическая сила планетарного масштаба. Биосфера - оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» и наружной оболочки Земли восходит к биологу Ламарку (1744–1829). Сам термин биосфера ввел Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга же создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. На формирование его биосферного мышления большое влияние оказали работы В. В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2–3 км под поверхность суши и на 1–2 км под дно океана. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество, биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т. е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами), косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почва), радиоактивное вещество, рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль). Биосфера состоит из тропосферы - нижней части воздушной оболочки Земли (атмосферы), водной оболочки (гидросферы) и верхней части (на глубину 2-3 км) твердой оболочки (литосферы). Биосфера или сфера жизни Земли не занимает обособленного положения, а располагается в пределах других оболочек, охватывая гидросферу, тропосферу и верхнюю часть земной коры — её приповерхностный и почвенный слои. Живые организмы встречаются и ниже почвенного слоя — в глубоких трещинах, пещерах, подземных водах и даже в нефтеносных слоях на глубине в сотни и тысячи метров.