Кіріспе
Жерді қоршаған газ қабаты
Жер атмосферасы – планетаны қоршап тұрған және оның планеталық атмосферасын қалыптастыратын, Жердің гравитациясымен ұсталатын, жалпы ауа деп аталатын газдар қабаты. Жер атмосферасы қысым жасайды, көптеген метеориттерді және ультракүлгін сәулелерді сіңіреді, жылуды сақтап жер бетін жылытады (парниктік эффект), күндізгі және түнгі температура арасындағы айырмашылықты азайтады (күндізгі температураның өзгеруі), Жер бетінде өмір мен сұйық судың болуына жағдай жасайды. 2023 жылғы мәліметтер бойынша, мольдық үлесімен (яғни молекулалар саны бойынша) құрғақ ауада 78,08% азот, 20,95% оттегі, 0,93% аргон, 0,04% көмірқышқыл газы және басқа газдардың шағын мөлшері бар. Ауадағы су буының мөлшері де өзгеріп отырады, теңіз деңгейінде шамамен 1%, ал атмосфераның барлық қабаттарында 0,4% құрайды. Ауаның құрамы, температурасы және атмосфералық қысым биіктікке байланысты өзгереді. Жер атмосферасында жердегі өсімдіктердің фотосинтезіне және жануарлардың тыныс алуына жарамды ауа тек Жердің тропосферасында ғана кездеседі. Жердің алғашқы атмосферасы күннің тұмандығындағы газдардан, негізінен сутектен тұрған. Атмосфера уақыт өте келе вулканизм, тіршілік және тозғандық сияқты көптеген факторлардың әсерінен айтарлықтай өзгерді. Соңғы кезде адамның қызметі де атмосфераның өзгеруіне, мысалы, жаһандық жылынуға, озон қабатының бұзылуына және қышқыл жауынға әсер етеді. Атмосфераның массасы шамамен 5,15 кг, оның төрттен үш бөлігі жер бетіне жақын орналасқан. Атмосфера биіктік артқан сайын сиредейді, атмосфера мен ғарыш арасында нақты шекара жоқ. Жер радиусының 1,57%-ын құрайтын Карман сызығы, көбінесе атмосфера мен ғарыш арасындағы шекара ретінде қолданылады. Атмосфералық әсерлер ғарыш кемелерінің атмосфераға қайта кірген кезде шамамен биіктікте байқалады. Атмосферада температура мен құрамы сияқты ерекшеліктеріне қарай бірнеше қабаттарды ажыратуға болады. Жер атмосферасын және оның процестерін зерттеу атмосфера ғылымы (аэрология) деп аталады, және климатология және атмосфера физикасы сияқты көптеген тармақтарды қамтиды. Леон Тейссеренк де Борт және Рихард Ассманн осы саланың алғашқы зерттеушілерінің қатарында. Тарихи атмосфераны зерттеу палеоклиматология деп аталады.
Экзосфера
Экзосфера – Жер атмосферасының ең сыртқы қабаты (бірақ ол соншалықты сирек, кейбір ғалымдар оны атмосфераның бөлігі емес, планетааралық кеңістіктің бөлігі деп санайды). Ол термосфераның жоғарғы жағындағы термопаузадан (сонымен қатар "экзобаза" деп те аталады) күн желi мен планетааралық ортаның анықталмаған шекарасына дейін созылады. Экзобазаның биіктігі күн радиациясының күшті кезеңдерінде шамамен - шамамен аралығында өзгереді. Жоғарғы шекарасы анықталу әдісіне байланысты өзгеріп отырады. Әртүрлі дереккөздер оның шамамен немесе шамамен аралығында аяқталады дейді – бұл Айға дейінгі арақашықтықтың шамамен жартысы, онда Жердің гравитациялық күші күн сәулесінің қысымымен шамалас. Экзосфера Жерден тым биік болғандықтан, метеорологиялық құбылыстардың пайда болуы мүмкін емес. Дегенмен, Жердің полярлық шамы – солтүстік (аврора бореалис) және оңтүстік (аврора австралис) жарықтары кейде экзосфераның төменгі бөлігінде, термосферамен қабаттасатын жерде пайда болады. Экзосферада Жер төңірегінде айналатын көптеген жасанды спутниктер орналасқан.
Термосфера
Термосфера – Жер атмосферасының екінші ең биік қабаты. Ол мезопаузадан (оны мезосферадан бөлетін) шамамен биіктікте басталып, термопаузаға дейін созылады. Термопаузаның биіктігі күннің активтілігіне байланысты қатты өзгереді. Термосферада жоғары энергиялы молекулалардың үлесі көп болғанымен, тікелей жанасқанда адамға ыстық сезілмейді, себебі оның тығыздығы теріге немесе одан маңызды мөлшерде энергияны жеткізу үшін тым төмен. Бұл қабатта бұлттар мен су буы жоқ. Дегенмен, термосферада кейде солтүстік және оңтүстік шамы (Aurora borealis және Aurora australis) сияқты метеорологиялық емес құбылыстарды көруге болады. Халықаралық ғарыш станциясы осы қабатта, аралығында орбитада айналып жүреді. Жерді айналатын көптеген спутниктер осы қабатта орналасқан.
Мезосфера
thumb|upright=1.25 Тропосфераның (қызғылт сары), стратосфераның (көк) және мезосфераның (қою) кейінгі жарқылы, атмосфераға ену басталатын жер, мысалы, осы жағдайда ғарыш кемесінің қайта кіруі кезінде түтін іздерін қалдырады. Мезосфера – Жер атмосферасының үшінші ең жоғары қабаты, стратосферадан жоғары және термосферадан төмен орналасқан. Ол шамамен биіктіктегі стратопаузадан басталып, теңіз деңгейінен жоғары мезопаузаға дейін созылады. Температура мезопаузаға қарай, атмосфераның ортаңғы қабатының ең жоғарғы бөлігін көрсететіндей, биіктікпен бірге төмендейді. Бұл Жердегі ең суық жер және орташа температурасы шамамен құрайды. Мезопаузаның жанында ауа соншалықты суық, тіпті осы биіктіктегі аздаған су буы да мұз кристалдарынан тұратын полярлық мезосфералық түнгі жарқыраған бұлттарға айналуы мүмкін. Бұл атмосферадағы ең биік бұлттар, және күн сәулесі олардан күн батқаннан кейін немесе күн шығар алдында бір-екі сағаттан соң шағылысқанда, оларды қалың көзбен көруге болады. Олар Күн көкжиектен 4-16 градус төмен болғанда ең жақсы көрінеді. Мезосферада тропосфералық найзағай бұлттарының үстінде найзағайдан туындаған шағын уақыттық жарқырау құбылыстары (TLE) пайда болады. Мезосфера – метеорлардың көп бөлігі атмосфераға кірген кезде жанып кететін қабат. Ол реактивтік ұшақтар мен шарларға қол жеткізу үшін Жерден тым жоғары, ал орбиталық ғарыш кемелері үшін тым төмен. Мезосфераға көбінесе зондтық ракеталар және ракеталық қозғалтқыштармен жабдықталған ұшақтар арқылы кіріледі.
The mesosphere is the third highest layer of Earth's atmosphere, occupying the region above the stratosphere and below the thermosphere. It extends from the stratopause at an altitude of about to the mesopause at above sea level. Temperatures drop with increasing altitude to the mesopause that marks the top of this middle layer of the atmosphere. It is the coldest place on Earth and has an average temperature around
Just below the mesopause, the air is so cold that even the very scarce water vapor at this altitude can condense into polar mesospheric noctilucent clouds of ice particles. These are the highest clouds in the atmosphere and may be visible to the naked eye if sunlight reflects off them about an hour or two after sunset or similarly before sunrise. They are most readily visible when the Sun is around 4 to 16 degrees below the horizon. Lightning induced discharges known as transient luminous events (TLEs) occasionally form in the mesosphere above tropospheric thunderclouds. The mesosphere is also the layer where most meteors burn up upon atmospheric entrance. It is too high above Earth to be accessible to jet powered aircraft and balloons, and too low to permit orbital spacecraft. The mesosphere is mainly accessed by sounding rockets and rocket powered aircraft.
Стратосфера
Стратосфера – Жер атмосферасының ең төменгі екінші қабаты. Ол тропосферадан жоғары орналасқан және одан тропопаузамен бөлінеді. Бұл қабат тропосфераның жоғарғы бөлігінен Жер бетінен шамамен 10-50 километр биіктіктегі стратопаузаға дейін созылады. Стратосфераның жоғарғы бөлігіндегі атмосфералық қысым теңіз деңгейіндегі қысымнан шамамен 1/1000 бөлігін құрайды. Онда озон қабаты бар, яғни атмосфераның осы газдың салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы бар бөлігі. Стратосфера – температураның биіктікпен артуын анықтайтын қабат. Температураның артуы озон қабатының Күннен келетін ультракүлгін сәулесін (УК) сіңіруінен болады, бұл турбуленттілікті және араласуды шектейді. Температура тропопаузада -50°C-қа дейін жете алады, бірақ стратосфераның жоғарғы жағы әлдеқайда жылырақ, тіпті 0°C-қа жуық болуы мүмкін. Стратосфералық температура профилі өте тұрақты атмосфералық жағдайларды жасайды, сондықтан стратосферада тропосферада кең таралған ауа турбуленттілігін тудыратын ауа райы құбылыстары жоқ. Сондықтан да бұлттар мен ауа райының басқа түрлері стратосферада мүлдем жоқ. Алайда, полярлық стратосфералық немесе аналық бұлттар атмосфераның ауасы ең суық осы қабатының төменгі бөлігінде кейде көрінеді. Стратосфера – реактивтік ұшақтармен ұшуға қол жетімді ең биік қабат.
The atmospheric pressure at the top of the stratosphere is roughly 1/1000 the pressure at sea level. It contains the ozone layer, which is the part of Earth's atmosphere that contains relatively high concentrations of that gas. The stratosphere defines a layer in which temperatures rise with increasing altitude. This rise in temperature is caused by the absorption of ultraviolet radiation (UV) from the Sun by the ozone layer, which restricts turbulence and mixing. Although the temperature may be at the tropopause, the top of the stratosphere is much warmer, and may be near 0 °C. The stratospheric temperature profile creates very stable atmospheric conditions, so the stratosphere lacks the weather producing air turbulence that is so prevalent in the troposphere. Consequently, the stratosphere is almost completely free of clouds and other forms of weather. However, polar stratospheric or nacreous clouds are occasionally seen in the lower part of this layer of the atmosphere where the air is coldest. The stratosphere is the highest layer that can be accessed by jet powered aircraft.
Тропосфера
Тропосфераның суреті. Төмен және жоғары биіктіктегі әртүрлі бұлт түрлері көлеңкелер береді. Күн сәулесі мұхиттан шағылысады, күн бату кезінде тропосфераның көп бөлігінен өтіп, қызыл түсті сүзгіге ұшырайды. Жоғарыдағы стратосфераны көк шашыраңқы күн сәулесінің ерекше жарқылы ретінде көруге болады. Тропосфера – Жер атмосферасының ең төменгі қабаты. Ол Жер бетінен шамамен 15 км биіктікке дейін созылады, бірақ бұл биіктік географиялық полюстерде 8 км-ге дейін, ал экваторда 18 км-ге дейін өзгереді.
Температура тропосферада биіктікпен бірге көбінесе төмендейді, өйткені тропосфера көбінесе Жер бетінен энергия алмасу арқылы жылынады. Осылайша, тропосфераның ең төменгі бөлігі (яғни Жер беті) әдетте тропосфераның ең жылы бөлігі болып табылады. Бұл тік араласуға көмектеседі (содан оның атауы грек сөзі τρόπος, тропос, яғни "бұрылыс" деген сөзден шыққан). Тропосфера Жер атмосферасының шамамен 80% массасын құрайды. Тропосфера оның үстіндегі барлық қабаттардан тығыз, себебі үлкен атмосфералық салмақ тропосфераның үстіне түсіп, оны қатты қысымға ұшыратады. Атмосфераның жалпы массасының 50% тропосфераның төменгі 10 км-сінде орналасқан. Атмосферадағы барлық су буы немесе ылғал тропосферада кездеседі, сондықтан Жердегі ауа райының көп бөлігі осы қабатта пайда болады. Онда белсенді жел айналымының нәтижесінде пайда болатын барлық ауа райымен байланысты бұлт түрлері бар, бірақ өте биік кумулонимбус бұлттары тропопаузадан төмен еніп, стратосфераның төменгі бөлігіне көтерілуі мүмкін. Көптеген әдеттегі авиациялық рейстер тропосферада жүзеге асырылады және бұл винтті ұшақтарға қол жетімді болатын жалғыз қабат.
Температура
thumbright1979 жылдың қаңтары мен 2005 жылдың желтоқсаны аралығында NOAA ауа райы спутниктеріндегі микротолқынды және кеңейтілген микротолқынды зондтар арқылы өлшенген атмосфераның екі қалың қабатындағы температураның өзгеру үрдісі. Аспаптар атмосферадағы оттегі молекулаларынан шығатын микротолқындарды тіркейді. Дереккөзі:
Атмосфераның температураға сәйкес қабаттарға бөлінуі жоғарыда талқыланды. Температура теңіз деңгейінен бастап биіктікпен төмендейді, бірақ бұл үрдістегі өзгерістер 11 км биіктіктен басталады, онда температура тропосфераның қалған бөлігінде үлкен вертикальді аралықта тұрақтанады. Стратосферада, шамамен 20 км биіктіктен басталатын температура биіктікпен артады, себебі бұл аймақтағы диоксиген және озон газы Күннен келетін маңызды ультракөк сәулелерді сіңіріп алады, озон қабаты ішінде қыздыру орын алады. Тағы бір биіктікпен температураның артуы өте жоғары биіктікте, 90 км-ден жоғарыдағы термосферада байқалады.
Дыбыс жылдамдығы
Тұрақты құрамдағы идеалдық газда дыбыс жылдамдығы қысым мен тығыздыққа емес, тек температураға байланысты болғандықтан, атмосферадағы дыбыс жылдамдығы биіктік бойынша күрделі температуралық профильге ие болады (оң жақтағы суретті қараңыз) және тығыздық пен қысымның биіктікпен өзгеруін шағылыстырмайды.
Тығыздығы мен массасы
Басты бет " Ауа температурасы мен массасы тығыздығы биіктікке қатысты " NRLMSISE 00 стандартты атмосфералық моделі (әр "онжылдықта" сегіз нүктелі сызық сегіз кубта 8, 27, 64, 729). Теңіз деңгейіндегі ауа тығыздығы шамамен 1,2 кг/м3 (1,2 г/л, 0,0012 г/см3). Тығыздық тікелей өлшенбейді, ол ауаның күй теңдеуін (идеалдық газ заңының бір түрі) пайдалана отырып, температура, қысым және ылғалдылық өлшемдерінен есептеледі. Атмосфера тығыздығы биіктік өскен сайын төмендейді. Бұл өзгерісті барометриялық формула арқылы шамамен модельдеуге болады. Серіктердің орбиталық ыдырауын болжау үшін күрделі модельдер қолданылады. Атмосфераның орташа массасы шамамен 5 квадриллион (5) тонна немесе Жердің массасының 1/1 200 000 бөлігі. Американың Атмосфералық зерттеулер жөніндегі ұлттық орталығының мәліметтері бойынша, "Атмосфераның жалпы орташа массасы 5,1480 кг, су буының жылдық диапазоны 1,2 немесе 1,5 кг, бұл жер бетіндегі қысым немесе су буы деректері қолданылған-қолданылмағанына байланысты; бұрынғы бағалаудан біршама кіші. Су буының орташа массасы 1,27 кг және құрғақ ауа массасы 5,1352 ± 0,0003 кг деп бағаланады".
The density of air at sea level is about 1.2 kg/m3 (1.2 g/L, 0.0012 g/cm3). Density is not measured directly but is calculated from measurements of temperature, pressure and humidity using the equation of state for air (a form of the ideal gas law). Atmospheric density decreases as the altitude increases. This variation can be approximately modeled using the barometric formula. More sophisticated models are used to predict the orbital decay of satellites. The average mass of the atmosphere is about 5 quadrillion (5) tonnes or 1/1,200,000 the mass of Earth. According to the American National Center for Atmospheric Research, "The total mean mass of the atmosphere is 5.1480 kg with an annual range due to water vapor of 1.2 or 1.5 kg, depending on whether surface pressure or water vapor data are used; somewhat smaller than the previous estimate. The mean mass of water vapor is estimated as 1.27 kg and the dry air mass as 5.1352 ±0.0003 kg."
Оптикалық қасиеттері
Күн сәулесі (немесе күннің шуағы) – Жердің Күннен алатын энергиясы. Жер де ғарышқа сәуле шығарады, бірақ адам көзі көрмейтін ұзын толқынды сәуле түрінде. Келіп түсетін және шығарылатын сәулелердің бір бөлігі атмосферада сіңіріледі немесе шағылысады. 2017 жылдың мамыр айында миллиондаған шақырым қашықтықта айналып жүрген спутниктен көрінген жыпылықтаған жарық, атмосферадағы мұз кристалдарынан шағылысқан сәуле екені анықталды.
Шашырату
Жарық Жер атмосферасынан өткенде фотондар онымен шашырау арқылы әрекеттеседі. Егер жарық атмосферамен өзара әрекеттеспесе, ол тікелей сәулелену деп аталады, және сіз тікелей Күнге қарасаңыз, оны көресіз. Жанама сәулелену – атмосферада шашыраған жарық. Мысалы, бұлтты күні сіз көлеңкенізді көре алмайсыз, себебі сізге тікелей сәулелену жетпейді, ол толығымен шашырап кеткен. Тағы бір мысал ретінде, Рейли шашырауы деп аталатын құбылыстың нәтижесінде, қысқа (көк) толқын ұзындығы ұзын (қызыл) толқын ұзындығынан оңайрақ шашырайды. Аспан көк түсті көрінуінің себебі осы – сіз шашыраған көк жарықты көріп тұрсыз. Сондықтан күн батуы да қызыл болады. Күн көкжиекке жақын болғандықтан, оның сәулелері көзге жету үшін әдеттегіден гөрі атмосфераның көп бөлігінен өтеді. Көк жарықтың көп бөлігі шашырап кетеді, ал қызыл жарық күн бату кезінде қалады.
Шығару
Эмиссия – абсорбцияның қарама-қарсысы, ол дененің сәуле шығаруымен байланысты. Денелер сәулелену мөлшерін және толқын ұзындығын "қара дене" сәулелену қисығына сәйкес шығарады, сондықтан қызып кеткен денелер көбірек сәуле шығарады, оның толқын ұзындығы қысқа болады. Суық денелер аз сәуле шығарады, оның толқын ұзындығы ұзын болады. Мысалы, Күннің температурасы шамамен , оның сәулеленуі 500 нм-ге жуық шыңға жетеді және адам көзімен көрінеді. Жердің температурасы шамамен , сондықтан оның сәулеленуі 10 000 нм-ге жуық, ал бұл адамдарға көрінбейді. Атмосфера температурасына байланысты инфрақызыл сәуле шығарады. Мысалы, ашық түндері Жер беті бұлтты түндерге қарағанда жылдам суынады. Бұл себебі бұлттар (H2O) инфрақызыл сәулелерді күшті сіңіріп, шығарады. Сондай-ақ, түнде биік жерлерде суық болатыны осыған байланысты. Парниктік эффект осы сіңіру және эмиссия эффектісімен тікелей байланысты. Атмосферадағы кейбір газдар инфрақызыл сәулелерді сіңіріп, шығарады, бірақ көзге көрінетін спектрдегі күн сәулесімен әрекеттеспейді. Мұндай газдардың кең таралған мысалдары – көмірқышқыл газы және H2O.
Қалқыма көрсеткіші
Ауаның сыну көрсеткіші 1-ге жақын, бірақ 1-ден сәл артық. Сыну көрсеткішінің жүйелі өзгеруі ұзақ оптикалық жолдардағы жарық сәулелерінің бұрылуына әкелуі мүмкін. Мысалы, кейбір жағдайларда кемедегі бақылаушылар басқа кемелерді көкжиектің сыртынан көре алады, себебі жарық Жер бетінің қисығымен бір бағытта сындырылады. Ауаның сыну көрсеткіші температураға байланысты, сондықтан температура градиенті жоғары болғанда сыну құбылысы пайда болады. Мұндай құбылыстардың мысалы – мираж.
Ертедегі атмосфера
Алғашқы атмосфера күн тұмандығының газдарынан, бастысы сутектен тұрған. Газ алып планеталарында (Юпитер мен Сатурн) кездесетін қарапайым гидридтер, әсіресе су буы, метан және аммиак болған болуы мүмкін.
Екінші атмосфера
Жанартаулық газдар, астероидтердің Жерді қарқынды бомбалау кезінде пайда болған газдармен толықтырылып, негізінен азот, көмірқышқыл газ және инерттік газдардан тұратын келесі атмосфераны құрады. 3,4 миллиард жыл бұрын азот сол кездегі тұрақты "екінші атмосфераның" басты бөлігін құрады. Атмосфера тарихының ерте кезеңінде тіршіліктің әсерін ескеру қажет, себебі ертедегі тіршілік нышандары 3,5 миллиард жыл бұрын-ақ пайда болған. Ертедегі Күннің сәулесі бүгінгіден 30% төмен болса, Жердің сол кездегі климаты сұйық су мен тіршілік үшін жеткілікті жылы болғандығы "Жас, әлсіз Күн парадоксы" деп аталатын жұмбақ. Дегенмен, геологиялық жазбалар Жердің ерте температуралық кезеңінің толық сабақтамасында салыстырмалы түрде жылы беткей болғандығын көрсетеді – шамамен 2,4 миллиард жыл бұрынғы бір суық мұздық кезеңнен басқа. Архей эонының соңында оттегі бар атмосфера дамуы басталды, оны фотосинтез жасайтын цианобактериялар (үлкен оттегі алу оқиғасын қараңыз) өндірген болуы мүмкін, олардың строматолит қалдықтары 2,7 миллиард жыл бұрын табылған. Ертедегі көміртегі изотопиясы (изотоптық қатынастар пропорциялары) қазіргі жағдайға ұқсас жағдайларды және көміртегі циклының негізгі ерекшеліктері 4 миллиард жыл бұрын қалыптасқандығын күшейте түседі. Габондағы 2,15 және 2,08 миллиард жыл бұрынғы көне шөгінділер Жердің динамикалық оттегімен байыту эволюциясының жазбасын ұсынады. Оттегісімен қоректенудегі осы ауытқулар Ломагунди көміртегі изотоптық экскуссиясымен байланысты болуы мүмкін.
Ауаның ластануы
Ауаның ластануы – атмосфераға зиян немесе дискомфорт тудыратын химиялық заттардың, бөлшектердің немесе биологиялық материалдардың енуі. Стратосфералық озон қабатының жұқаруы ауаның ластануынан, негізінен хлорфторкөмірсутектер мен озонды жоятын басқа да заттардан туындайды. 1750 жылдан бері адамның қызметі көмірқышқыл газы, метан және азот оксиді сияқты әртүрлі парниктік газдардың концентрациясын арттырды. Бұл көтерілу жаһандық температураның байқалатын өсуіне әкеп соқты. 2011–2020 жылдар аралығындағы жаһандық орташа температура 1850 жылғы температурадан 1,1 градусқа жоғары болды.
thumb|Анимация Солтүстік жарты шарда тропосферадағы заттардың жиналуын көрсетіп, мамыр айында ең жоғары деңгейге жетеді. Вегетациялық циклдың ең жоғары шегі жаздың соңында байқалады. Вегетациялық өсімнің ең жоғары нүктесінен кейін, фотосинтез арқасында атмосферадағы заттардың азаюы, әсіресе борал ормандарында анық көрінеді.
Ғарыштан алынған суреттер
2015 жылдың 19 қазанында NASA https://epic.gsfc.nasa.gov/ мекенжайында Жердің күнге қараған толық жарықтанған жағының күнделікті суреттерін қамтитын веб-сайтын іске қосты. Суреттер Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) ғарыш обсерваториясынан түсірілді және Жердің бір күн ішінде айналуын көрсетеді.