Введение

Газовый слой, окружающий Землю

Атмосфера Земли — это слой газов, известный как воздух, удерживаемый гравитацией Земли, который окружает планету и формирует её планетарную атмосферу. Атмосфера Земли создает давление, поглощает большинство метеороидов и ультрафиолетовое солнечное излучение, нагревает поверхность за счет удержания тепла (парниковый эффект) и уменьшает экстремальные температуры между днем и ночью (суточные колебания температуры), поддерживая условия, позволяющие жизни и жидкой воде существовать на поверхности Земли. По состоянию на 2023 год, по молярной доле (то есть по числу молекул), сухой воздух содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,04% углекислого газа и небольшое количество других газов. Воздух также содержит переменное количество водяного пара, в среднем около 1% на уровне моря и 0,4% по всей атмосфере. Состав воздуха, температура и атмосферное давление меняются с высотой. В пределах атмосферы воздух, пригодный для использования в фотосинтезе наземными растениями и дыхания наземными животными, встречается только в тропосфере Земли. Ранняя атмосфера Земли состояла из газов в солнечной туманности, в основном водорода. Атмосфера значительно изменилась с течением времени, подвергаясь влиянию многих факторов, таких как вулканизм, жизнь и выветривание. В последнее время деятельность человека также вносит вклад в изменения атмосферы, такие как глобальное потепление, истощение озонового слоя и кислотные осадки. Атмосфера имеет массу около 5,15 кг, три четверти которой находятся в пределах около 11 км от поверхности. Атмосфера становится тоньше с увеличением высоты, без четкой границы между атмосферой и космическим пространством. Линия Кармана, находящаяся на высоте 100 км или 1,57% радиуса Земли, часто используется как граница между атмосферой и космическим пространством. Атмосферные эффекты становятся заметными во время повторного входа в атмосферу космических аппаратов на высоте около 100 км. В атмосфере можно выделить несколько слоев, основанных на таких характеристиках, как температура и состав. Изучение атмосферы Земли и её процессов называется атмосферной наукой (аэрологией) и включает в себя множество поддисциплин, таких как климатология и физика атмосферы. К ранним пионерам в этой области относятся Леон Тейссеренк де Бор и Рихард Ассманн. Изучение исторической атмосферы называется палеоклиматологией.

Экзосфера

Экзосфера — это внешний слой атмосферы Земли (хотя она настолько разрежена, что некоторые ученые считают её частью межпланетного пространства, а не частью атмосферы). Она простирается от термопаузы (также известной как "экзобаза") в верхней части термосферы до слабо определенной границы с солнечным ветром и межпланетной средой. Высота экзобазы варьируется от приблизительно до приблизительно в периоды повышенного поступления солнечного излучения. Верхняя граница варьируется в зависимости от определения. Различные источники считают, что она заканчивается примерно на высоте или примерно — примерно на полпути к Луне, где влияние земного притяжения сопоставимо с давлением солнечного излучения. В экзосфере слишком большая высота для возникновения метеорологических явлений. Однако земные полярные сияния — северное (бореальное) и южное (аустральное) — иногда наблюдаются в нижней части экзосферы, где они переходят в термосферу. В экзосфере находится множество искусственных спутников, обращающихся вокруг Земли.

Термосфера

Термосфера — второй по высоте слой атмосферы Земли. Она простирается от мезопаузы (которая отделяет её от мезосферы) на высоте около … до термопаузы на высоте от … до … километров. Высота термопаузы значительно варьируется из-за изменений солнечной активности. Хотя в термосфере высокая доля молекул с высокой энергией, человек при прямом контакте не почувствовал бы жара, поскольку её плотность слишком низка для передачи значительного количества энергии коже. Этот слой полностью лишён облаков и водяного пара. Однако в термосфере иногда наблюдаются негидрометеорологические явления, такие как северное и южное сияния. Международная космическая станция находится на орбите в этом слое, между … километрами. В этом слое находится большинство спутников, вращающихся вокруг Земли.

Мезосфера

Послесвечение тропосферы (оранжевый), стратосферы (синий) и мезосферы (темный), где начинается вход в атмосферу, оставляющее дымные следы, как в случае повторного входа космического аппарата.

Мезосфера – третий по высоте слой атмосферы Земли, занимающий область над стратосферой и ниже термосферы. Она простирается от стратопаузы на высоте около до мезопаузы над уровнем моря. Температура понижается с увеличением высоты до мезопаузы, которая отмечает верхнюю границу этого среднего слоя атмосферы. Это самое холодное место на Земле, со средней температурой около. Непосредственно под мезопаузой воздух настолько холодный, что даже незначительное количество водяного пара на этой высоте может конденсироваться в полярные мезосферные ночные светящиеся облака, состоящие из ледяных частиц. Это самые высокие облака в атмосфере, которые можно увидеть невооруженным глазом, если солнечный свет отражается от них примерно через час-два после захода солнца или, аналогично, до восхода. Они наиболее заметны, когда Солнце находится примерно на 4–16 градусах ниже горизонта. В мезосфере над тропосферными грозовыми облаками иногда возникают разряды, вызванные молниями, известные как преходящие световые явления (TLEs). Мезосфера также является слоем, где сгорает большинство метеоров при входе в атмосферу. Она слишком высока для реактивных самолетов и воздушных шаров, и слишком низка для орбитальных космических аппаратов. Доступ в мезосферу осуществляется в основном с помощью зондирующих ракет и ракетных самолетов.

Стратосфера

Стратосфера — второй по высоте слой атмосферы Земли. Она располагается над тропосферой и отделена от неё тропопаузой. Этот слой простирается от верхней границы тропосферы на высоте примерно над поверхностью Земли до стратопаузы на высоте около . Атмосферное давление на верхней границе стратосферы составляет примерно 1/1000 от давления на уровне моря. Она содержит озоновый слой — часть атмосферы Земли с относительно высокой концентрацией этого газа. Стратосфера характеризуется слоем, в котором температура повышается с увеличением высоты. Этот рост температуры обусловлен поглощением ультрафиолетового излучения (УФ) Солнца озоновым слоем, что ограничивает турбулентность и перемешивание. Хотя температура может достигать в тропопаузе, верхняя часть стратосферы значительно теплее и может приближаться к 0 °C. Стратосферный температурный профиль создает очень стабильные атмосферные условия, поэтому в стратосфере отсутствует вызывающая погоду воздушная турбулентность, характерная для тропосферы. Следовательно, стратосфера почти полностью лишена облаков и других атмосферных явлений. Однако полярные стратосферные или перламутровые облака иногда наблюдаются в нижней части этого слоя атмосферы, где воздух наиболее холодный. Стратосфера — самый высокий слой, доступный для реактивных самолётов.

Тропосфера

Фотография тропосферы Земли с различными типами облаков от низких до высоких уровней, отбрасывающих тени. Солнечный свет отражается от океана, предварительно отфильтрованный в красноватый оттенок при прохождении через большую часть тропосферы на закате. Над тропосферой, на горизонте, видна стратосфера, излучающая характерное синее свечение, рассеянное солнечным светом. Тропосфера – это самый нижний слой атмосферы Земли. Она простирается от поверхности Земли до средней высоты около 8–15 км, хотя эта высота варьируется от примерно 8 км на географических полюсах до 18 км на экваторе.

Несмотря на колебания, температура в тропосфере обычно понижается с увеличением высоты, поскольку тропосфера нагревается главным образом за счет передачи энергии от поверхности. Таким образом, самая нижняя часть тропосферы (то есть поверхность Земли) обычно является самой теплой ее частью. Это способствует вертикальному перемешиванию (отсюда и происхождение названия от греческого слова τρόπος, *tropos*, означающего «изменение»). Тропосфера содержит около 80% массы атмосферы Земли. Тропосфера плотнее всех вышележащих слоев, поскольку на нее давит больший вес атмосферы, что приводит к ее наибольшему сжатию. Пятьдесят процентов всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 8–15 км тропосферы. Почти весь атмосферный водяной пар или влага содержится в тропосфере, поэтому именно в ней происходит большая часть погодных явлений на Земле. Здесь формируются практически все типы облаков, связанные с погодой, благодаря активной циркуляции ветра, хотя очень высокие кучево-дождевые облака могут проникать сквозь тропопаузу снизу и подниматься в нижнюю часть стратосферы. Большая часть обычной авиационной деятельности осуществляется в тропосфере, и это единственный слой, доступный для самолетов с поршневыми двигателями.

Температура

Температурные тенденции в двух толстых слоях атмосферы, измеренные в период с января 1979 года по декабрь 2005 года микроволновыми зондирующими устройствами и усовершенствованными микроволновыми зондирующими устройствами на метеорологических спутниках NOAA. Приборы регистрируют микроволны, излучаемые молекулами кислорода в атмосфере. Источник:

Разделение атмосферы на слои, в основном основанное на температуре, обсуждалось выше. Температура понижается с увеличением высоты, начиная с уровня моря, но изменения в этой тенденции начинаются выше 11 км, где температура стабилизируется на значительном вертикальном протяжении в оставшейся части тропосферы. В стратосфере, начиная примерно с 20 км, температура повышается с высотой из-за нагрева в озоновом слое, вызванного поглощением значительного количества ультрафиолетового излучения Солнца диоксигеном и озоном в этой области. Еще один участок повышения температуры с высотой наблюдается на очень больших высотах, в уместно названной термосфере выше 90 км.

Скорость звука

Поскольку в идеальном газе постоянного состава скорость звука зависит только от температуры и не зависит от давления или плотности, скорость звука в атмосфере с высотой повторяет сложный температурный профиль (см. иллюстрацию справа), а не изменения плотности или давления с высотой.

Плотность и масса

Температура и массовая плотность по высоте согласно стандартной модели атмосферы NRLMSISE 00 (восемь пунктирных линий в каждом "десятилетии" соответствуют восьми кубам 8, 27, 64, 729).

Плотность воздуха на уровне моря составляет около 1,2 кг/м³ (1,2 г/л, 0,0012 г/см³). Плотность не измеряется напрямую, а рассчитывается на основе измерений температуры, давления и влажности с использованием уравнения состояния воздуха (одной из форм закона идеального газа). Плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Это изменение можно приблизительно смоделировать с помощью барометрической формулы. Для прогнозирования орбитального распада спутников используются более сложные модели. Средняя масса атмосферы составляет около 5 квадриллионов (5) тонн, или 1/1 200 000 массы Земли. Согласно данным Американского национального центра атмосферных исследований, "общая средняя масса атмосферы составляет 5,1480 кг, с годовыми колебаниями в пределах 1,2 или 1,5 кг из-за водяного пара, в зависимости от того, используются ли данные о поверхностном давлении или о содержании водяного пара; это несколько меньше предыдущей оценки. Средняя масса водяного пара оценивается в 1,27 кг, а масса сухого воздуха – в 5,1352 ± 0,0003 кг".

Оптические свойства

Солнечное излучение (или солнечный свет) — это энергия, которую Земля получает от Солнца. Земля также излучает энергию обратно в космос, но на более длинных волнах, невидимых для человеческого глаза. Часть входящего и исходящего излучения поглощается или отражается атмосферой. В мае 2017 года было обнаружено, что вспышки света, замеченные как мерцание от орбитального спутника на расстоянии миллиона миль, были отражением света от кристаллов льда в атмосфере.

Рассеивание

Когда свет проходит через атмосферу Земли, фотоны взаимодействуют с ней посредством рассеяния. Если свет не взаимодействует с атмосферой, это называется прямым излучением – именно его вы видите, если смотрите прямо на Солнце. Косвенное излучение – это свет, который рассеян в атмосфере. Например, в пасмурный день, когда вы не видите своей тени, прямое излучение до вас не доходит, оно полностью рассеяно. Другой пример: из-за явления, называемого рэлеевским рассеянием, более короткие (синие) волны рассеиваются легче, чем более длинные (красные). Именно поэтому небо кажется голубым – вы видите рассеянный синий свет. И именно поэтому закаты красные. Поскольку Солнце находится близко к горизонту, солнечные лучи проходят через больший слой атмосферы, чем обычно, прежде чем достичь вашего глаза. Большая часть синего света рассеивается, оставляя красный свет в закатном свете.

Выбросы

Эмиссия – это противоположность поглощению, это когда объект испускает излучение. Объекты, как правило, испускают определенное количество и длины волн излучения в соответствии со своими кривыми излучения черного тела, поэтому более горячие объекты обычно испускают больше излучения с более короткими длинами волн. Более холодные объекты испускают меньше излучения с более длинными длинами волн. Например, температура поверхности Солнца составляет приблизительно 5500 °C, его излучение достигает максимума около 500 нм и видимо человеческому глазу. Температура поверхности Земли составляет приблизительно 15 °C, поэтому ее излучение достигает максимума около 10 000 нм, что слишком длинно для восприятия человеческим глазом. Из-за своей температуры атмосфера испускает инфракрасное излучение. Например, в ясные ночи поверхность Земли остывает быстрее, чем в облачные. Это происходит потому, что облака (H2O) являются сильными поглотителями и излучателями инфракрасного излучения. Именно поэтому на больших высотах ночью становится холоднее. Парниковый эффект напрямую связан с этим эффектом поглощения и излучения. Некоторые газы в атмосфере поглощают и излучают инфракрасное излучение, но не взаимодействуют с солнечным светом в видимом спектре. Распространенные примеры – CO2 и H2O.

Индекс преломления

Индекс преломления воздуха близок к 1, но немного превышает его. Систематические изменения показателя преломления могут приводить к искривлению световых лучей на больших оптических расстояниях. Например, при определенных условиях наблюдатели на борту кораблей могут видеть другие суда, находящиеся непосредственно за горизонтом, поскольку свет преломляется в направлении, совпадающем с кривизной земной поверхности. Показатель преломления воздуха зависит от температуры, что вызывает эффекты рефракции при значительном градиенте температуры. Мираж – один из примеров таких эффектов.

Самая ранняя атмосфера

Первая атмосфера состояла из газов в солнечной туманности, преимущественно водорода. Вероятно, присутствовали простые гидриды, подобные тем, что сейчас обнаружены в газовых гигантах (Юпитер и Сатурн), в особенности водяной пар, метан и аммиак.

Вторая атмосфера

Выброс газов из вулканизма, дополненный газами, образовавшимися во время поздней тяжелой бомбардировки Земли огромными астероидами, создал следующую атмосферу, состоящую в основном из азота, углекислого газа и инертных газов. Около 3,4 миллиарда лет назад азот составлял основную часть стабильной "второй атмосферы". Влияние жизни необходимо учитывать довольно рано в истории атмосферы, поскольку свидетельства ранних форм жизни появляются уже 3,5 миллиарда лет назад. То, как Земля в то время поддерживала климат, достаточно теплый для существования жидкой воды и жизни, при том что раннее Солнце излучало на 30% меньше солнечной радиации, чем сегодня, является загадкой, известной как "парадокс слабого молодого Солнца". Однако геологические данные свидетельствуют о непрерывно относительно теплой поверхности на протяжении всего раннего температурного периода Земли, за исключением одного холодного ледникового периода около 2,4 миллиарда лет назад. В конце архейского эона начала формироваться атмосфера, содержащая кислород, предположительно произведенный фотосинтезирующими цианобактериями (см. Великое кислородное событие), окаменелости которых в виде строматолитов датируются 2,7 миллиарда лет назад. Ранняя основная изотопия углерода (соотношение изотопов) убедительно свидетельствует об условиях, аналогичных современным, и о том, что фундаментальные особенности углеродного цикла сформировались еще 4 миллиарда лет назад. Древние осадочные породы в Габоне, датируемые примерно 2,15–2,08 миллиарда лет назад, содержат запись динамической эволюции насыщения Земли кислородом. Эти колебания в содержании кислорода, вероятно, были вызваны ломагундской экскурсией изотопов углерода.

Загрязнение воздуха

Загрязнение воздуха — это попадание в атмосферу химических веществ, твердых частиц или биологических материалов, которые причиняют вред или дискомфорт организмам. Разрушение стратосферного озона вызвано загрязнением воздуха, главным образом хлорфторуглеродами и другими веществами, разрушающими озоновый слой. С 1750 года деятельность человека увеличила концентрацию различных парниковых газов, наиболее важными из которых являются углекислый газ, метан и закись азота. Это привело к наблюдаемому повышению глобальных температур. Средняя глобальная температура поверхности в период с 2011 по 2020 год была на 1,1 градуса выше, чем в 1850 году.

thumb|Анимация показывает накопление тропосферного углекислого газа в Северном полушарии с максимумом в мае. Максимум в вегетационном цикле следует в конце лета. После пика растительности заметно снижение атмосферного углекислого газа из-за фотосинтеза, особенно над бореальными лесами.

Изображения из космоса

19 октября 2015 года NASA запустило веб-сайт, содержащий ежедневные изображения полностью освещенной солнцем стороны Земли по адресу https://epic.gsfc.nasa.gov/. Изображения сделаны с помощью аппарата Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) и показывают вращение Земли в течение дня.