Атмосфера Земли: Состав, Слои и Влияние на Климат

Атмосфера Земли — это газовая оболочка, удерживаемая силой земного притяжения и окружающая планету. Она преимущественно состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%) и следовых количеств других газов, включая углекислый газ (CO₂, ~0,04%). Атмосферное давление, создаваемое весом вышележащих слоев воздуха, концентрирует около 80% массы атмосферы в нижних 5-6 км. Эта динамичная система играет фундаментальную роль в формировании климата и погоды, а также обеспечивает защиту от космического излучения.

Вертикальная структура атмосферы разделена на несколько основных слоев, определяемых изменениями температуры с высотой. Самый нижний слой — тропосфера — простирается до 8-18 км и характеризуется падением температуры с высотой; здесь формируются все погодные явления. Ее верхняя граница, тропауза, является переходной зоной с постоянной температурой. Выше расположена стратосфера (до ~50 км), содержащая озоновый слой, который поглощает ультрафиолетовое излучение, вызывая рост температуры в ее верхней части.

Рисунок 1: Схематическое изображение слоев атмосферы Земли и соответствующего температурного профиля с высотой.

Слой мезосферы (50-85 км) отличается резким снижением температуры до минимума около -90°C на его верхней границе — мезопаузе. Выше, в термосфере (85-600 км), температура вновь возрастает до сотен градусов из-за поглощения высокоэнергетического солнечного излучения. Внешняя область, экзосфера, постепенно переходит в космическое пространство, где частицы могут преодолевать земное притяжение. Иллюстрация (Рис. 1) наглядно демонстрирует этот слоистый температурный профиль.

Глобальная циркуляция атмосферы возникает вследствие неравномерного прогрева поверхности Солнцем: экватор получает больше энергии, чем полюса. Нагретый воздух поднимается у экватора, движется к полюсам, охлаждается и опускается, формируя циркуляционные ячейки — ячейки Хадли. На движение воздуха также влияет сила Кориолиса, отклоняющая потоки вправо в Северном и влево в Южном полушарии. Эта циркуляция создает постоянные ветровые пояса: пассаты, западные ветры умеренных широт и полярные восточные ветры.

Роль ключевых газов выходит далеко за рамки их процентного содержания. Водяной пар (0-4%) — основной парниковый газ и источник облаков и осадков; выделяющееся при его конденсации скрытое тепло питает штормовые системы. Углекислый газ (CO₂) — еще один критически важный парниковый газ; с начала индустриальной эпохи его концентрация возросла более чем на 45%, усиливая парниковый эффект и способствуя глобальному потеплению.

К другим влиятельным парниковым газам относятся метан (CH₄), закись азота (N₂O) и синтетические хлорфторуглероды (CFC). Последние также ответственны за разрушение стратосферного озонового слоя, приводящее к сезонному образованию озоновых дыр. Сам озон (O₃) в стратосфере жизненно важен для поглощения опасного ультрафиолетового излучения Солнца, защищая биосферу.

Химическая и электрическая структура атмосферы включает гомосферу (до ~100 км) с относительно однородным составом и лежащую выше гетеросферу, где газы расслаиваются по молекулярной массе. Ионосфера (в пределах мезо- и термосферы) содержит ионизированные частицы, способные отражать радиоволны и формировать полярные сияния в высоких широтах.

Взаимодействие с биосферой и влияние человека проявляется через биогеохимические циклы. Кислород и углерод циркулируют благодаря фотосинтезу и дыханию, а азот фиксируется бактериями. Антропогенные выбросы, такие как диоксид серы (SO₂), ведут к образованию кислотных дождей, наносящих ущерб экосистемам. Атмосферные аэрозоли от промышленности ухудшают качество воздуха и влияют на климат. Хрупкое равновесие атмосферных процессов подчеркивает необходимость ее глубокого изучения для экологического прогнозирования и рационального природопользования.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.