Il guscio d'aria che circonda il nostro pianeta e ruota con esso è chiamato atmosfera. La metà della massa totale dell'atmosfera è concentrata nei 5 km inferiori e tre quarti della massa nei 10 km inferiori. In alto l'aria è molto rarefatta, anche se le sue particelle si trovano ad un'altitudine di 2000-3000 km sopra la superficie terrestre.
L'aria che respiriamo è una miscela di gas. Contiene soprattutto azoto - 78% e ossigeno - 21%. L'argon è inferiore all'1% e lo 0,03% è anidride carbonica. Numerosi altri gas, come kripton, xeno, neon, elio, idrogeno, ozono e altri, costituiscono millesimi e milionesimi di percentuale. L'aria contiene anche vapore acqueo, particelle di varie sostanze, batteri, polline e polvere cosmica.
L'atmosfera è composta da diversi strati. Lo strato inferiore fino ad un'altezza di 10-15 km sopra la superficie terrestre è chiamato troposfera. Si riscalda dalla Terra, quindi la temperatura dell'aria qui con l'altezza scende di 6 ° C per 1 chilometro di salita. Quasi tutto il vapore acqueo si trova nella troposfera e quasi tutte le nuvole si formano - nota... L'altezza della troposfera alle diverse latitudini del pianeta non è la stessa. Si eleva fino a 9 km sopra i poli, fino a 10-12 km alle latitudini temperate e fino a 15 km sopra l'equatore. I processi che si verificano nella troposfera - la formazione e il movimento delle masse d'aria, la formazione di cicloni e anticicloni, la comparsa di nuvole e precipitazioni - determinano il tempo e il clima vicino alla superficie terrestre.
Sopra la troposfera si trova la stratosfera, che si estende fino a 50-55 km. La troposfera e la stratosfera sono separate da uno strato di transizione chiamato tropopausa, spesso 1-2 km. Nella stratosfera, ad un'altitudine di circa 25 km, la temperatura dell'aria comincia gradualmente a salire e raggiunge i +10 +30 °С a 50 km. Un tale aumento della temperatura è dovuto al fatto che nella stratosfera ad altitudini di 25-30 km è presente uno strato di ozono. Sulla superficie della Terra, il suo contenuto nell'aria è trascurabile e ad alta quota le molecole di ossigeno biatomiche assorbono la radiazione solare ultravioletta, formando molecole di ozono triatomiche.
Se l'ozono si trovasse negli strati inferiori dell'atmosfera, ad un'altezza con pressione normale, lo spessore del suo strato sarebbe di soli 3 mm. Ma anche in quantità così piccola svolge un ruolo molto importante: assorbe parte della radiazione solare dannosa per gli organismi viventi.
Al di sopra della stratosfera, fino a circa 80 km, si estende la mesosfera, nella quale la temperatura dell'aria scende con l'altezza fino a diverse decine di gradi sotto lo zero.
La parte superiore dell'atmosfera è caratterizzata da temperature molto elevate ed è chiamata termosfera - nota.. È divisa in due parti - la ionosfera - fino ad un'altezza di circa 1000 km, dove l'aria è altamente ionizzata, e l'esosfera - oltre 1000 km. Nella ionosfera, le molecole del gas atmosferico assorbono la radiazione ultravioletta proveniente dal Sole e si formano atomi carichi ed elettroni liberi. Le aurore si osservano nella ionosfera.
L'atmosfera gioca un ruolo molto importante nella vita del nostro pianeta. Protegge la Terra dal forte riscaldamento causato dai raggi del sole durante il giorno e dall'ipotermia durante la notte. La maggior parte dei meteoriti brucia negli strati atmosferici prima di raggiungere la superficie del pianeta. L'atmosfera contiene l'ossigeno, necessario a tutti gli organismi, uno scudo di ozono che protegge la vita sulla Terra dalla parte dannosa delle radiazioni ultraviolette del Sole.
ATMOSFERE DEI PIANETI DEL SISTEMA SOLARE
L'atmosfera di Mercurio è così rarefatta che, si potrebbe dire, è praticamente inesistente. L'involucro d'aria di Venere è costituito da anidride carbonica (96%) e azoto (circa 4%), è molto denso: la pressione atmosferica vicino alla superficie del pianeta è quasi 100 volte maggiore che sulla Terra. Anche l'atmosfera marziana è composta principalmente da anidride carbonica (95%) e azoto (2,7%), ma la sua densità è circa 300 volte inferiore a quella terrestre e la sua pressione è quasi 100 volte inferiore. La superficie visibile di Giove è in realtà lo strato superiore di un'atmosfera di idrogeno-elio. I gusci d'aria di Saturno e Urano hanno la stessa composizione. Il bellissimo colore blu di Urano è dovuto all'elevata concentrazione di metano nella parte superiore della sua atmosfera - circa .. Nettuno, avvolto nella foschia di idrocarburi, ha due strati principali di nuvole: uno è costituito da cristalli di metano ghiacciati, e il secondo, situato sotto, contiene ammoniaca e idrogeno solforato.
ATMOSFERA
involucro gassoso che circonda un corpo celeste. Le sue caratteristiche dipendono dalle dimensioni, dalla massa, dalla temperatura, dalla velocità di rotazione e dalla composizione chimica di un dato corpo celeste, e sono determinate anche dalla storia della sua formazione dal momento della sua nascita. L'atmosfera terrestre è costituita da una miscela di gas chiamata aria. I suoi costituenti principali sono azoto e ossigeno in un rapporto di circa 4:1. Una persona è colpita principalmente dallo stato dei 15-25 km inferiori dell'atmosfera, poiché è in questo strato inferiore che si concentra la maggior parte dell'aria. La scienza che studia l'atmosfera si chiama meteorologia, sebbene oggetto di questa scienza sia anche il tempo e i suoi effetti sull'uomo. Sta cambiando anche lo stato degli strati superiori dell'atmosfera, situati ad altitudini comprese tra 60 e 300 e anche 1000 km dalla superficie terrestre. Qui si sviluppano forti venti, tempeste e compaiono fenomeni elettrici sorprendenti come le aurore. Molti di questi fenomeni sono associati ai flussi di radiazione solare, radiazione cosmica e campo magnetico terrestre. Gli alti strati dell'atmosfera sono anche un laboratorio chimico, poiché lì, in condizioni prossime al vuoto, alcuni gas atmosferici, sotto l'influenza di un potente flusso di energia solare, entrano in reazioni chimiche. La scienza che studia questi fenomeni e processi correlati è chiamata fisica degli alti strati dell'atmosfera.
CARATTERISTICHE GENERALI DELL'ATMOSFERA TERRESTRE
Dimensioni. Fino a quando i razzi sonda e i satelliti artificiali non esploravano gli strati esterni dell'atmosfera a distanze molte volte maggiori del raggio terrestre, si credeva che man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre, l'atmosfera diventa gradualmente più rarefatta e passa dolcemente nello spazio interplanetario . È ormai accertato che i flussi di energia dagli strati profondi del Sole penetrano nello spazio ben oltre l'orbita terrestre, fino ai limiti esterni del Sistema Solare. Questo cosiddetto. Il vento solare scorre attorno al campo magnetico terrestre, formando una "cavità" allungata all'interno della quale è concentrata l'atmosfera terrestre. Il campo magnetico della Terra è notevolmente ristretto sul lato diurno rivolto al Sole e forma una lunga lingua, che probabilmente si estende oltre l'orbita della Luna, sul lato opposto, quello notturno. Il confine del campo magnetico terrestre è chiamato magnetopausa. Sul lato diurno, questo confine passa a una distanza di circa sette raggi terrestri dalla superficie, ma durante i periodi di maggiore attività solare è ancora più vicino alla superficie terrestre. La magnetopausa è anche il confine dell'atmosfera terrestre, il cui guscio esterno è anche chiamato magnetosfera, poiché contiene particelle cariche (ioni), il cui movimento è dovuto al campo magnetico terrestre. Il peso totale dei gas atmosferici è di circa 4,5 * 1015 tonnellate, quindi il "peso" dell'atmosfera per unità di area, o pressione atmosferica, è di circa 11 tonnellate / m2 al livello del mare.
Significato per la vita. Da quanto sopra ne consegue che la Terra è separata dallo spazio interplanetario da un potente strato protettivo. Lo spazio esterno è permeato da potenti radiazioni ultraviolette e raggi X provenienti dal Sole e da radiazioni cosmiche ancora più forti, e questi tipi di radiazioni sono dannose per tutti gli esseri viventi. Ai margini esterni dell'atmosfera l'intensità della radiazione è letale, ma una parte significativa di essa viene trattenuta dall'atmosfera lontano dalla superficie terrestre. L'assorbimento di questa radiazione spiega molte proprietà degli strati alti dell'atmosfera e soprattutto i fenomeni elettrici che vi si verificano. Lo strato superficiale più basso dell'atmosfera è particolarmente importante per una persona che vive nel punto di contatto dei gusci solidi, liquidi e gassosi della Terra. Il guscio superiore della Terra "solida" è chiamato litosfera. Circa il 72% della superficie terrestre è coperta dalle acque degli oceani, che costituiscono la maggior parte dell'idrosfera. L'atmosfera confina sia con la litosfera che con l'idrosfera. L'uomo vive sul fondo dell'oceano d'aria e vicino o sopra il livello dell'oceano d'acqua. L'interazione di questi oceani è uno dei fattori importanti che determinano lo stato dell'atmosfera.
Composto. Gli strati inferiori dell'atmosfera sono costituiti da una miscela di gas (vedi tabella). Oltre a quelli elencati in tabella, altri gas sono presenti nell'aria sotto forma di piccole impurità: ozono, metano, sostanze come monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto e zolfo, ammoniaca.
COMPOSIZIONE DELL'ATMOSFERA
Negli strati alti dell'atmosfera, la composizione dell'aria cambia sotto l'influenza della forte radiazione solare, che porta alla scomposizione delle molecole di ossigeno in atomi. L'ossigeno atomico è il componente principale degli alti strati dell'atmosfera. Infine, negli strati dell'atmosfera più distanti dalla superficie terrestre, i gas più leggeri, idrogeno ed elio, diventano i componenti principali. Poiché la maggior parte della materia è concentrata nei 30 km inferiori, i cambiamenti nella composizione dell'aria ad altitudini superiori a 100 km non hanno un effetto notevole sulla composizione complessiva dell'atmosfera.
Scambio energetico. Il sole è la principale fonte di energia che arriva sulla Terra. Essendo ad una distanza di ca. A 150 milioni di chilometri dal Sole, la Terra riceve circa un duemiliardesimo dell'energia che irradia, principalmente nella parte visibile dello spettro, che l'uomo chiama "luce". La maggior parte di questa energia viene assorbita dall'atmosfera e dalla litosfera. Anche la terra irradia energia, principalmente sotto forma di radiazione infrarossa lontana. Pertanto, viene stabilito un equilibrio tra l'energia ricevuta dal Sole, il riscaldamento della Terra e dell'atmosfera e il flusso inverso dell'energia termica irradiata nello spazio. Il meccanismo di questo equilibrio è estremamente complesso. Le molecole di polvere e gas diffondono la luce, riflettendola parzialmente nello spazio mondiale. Le nuvole riflettono ancora di più la radiazione in arrivo. Parte dell'energia viene assorbita direttamente dalle molecole del gas, ma soprattutto dalle rocce, dalla vegetazione e dalle acque superficiali. Il vapore acqueo e l'anidride carbonica presenti nell'atmosfera trasmettono la radiazione visibile ma assorbono la radiazione infrarossa. L'energia termica si accumula principalmente negli strati inferiori dell'atmosfera. Un effetto simile si verifica in una serra quando il vetro lascia entrare la luce e il terreno si riscalda. Poiché il vetro è relativamente opaco ai raggi infrarossi, nella serra si accumula calore. Il riscaldamento della bassa atmosfera dovuto alla presenza di vapore acqueo e anidride carbonica viene spesso definito effetto serra. La nuvolosità gioca un ruolo significativo nella conservazione del calore negli strati inferiori dell'atmosfera. Se le nubi si dissipano o aumenta la trasparenza delle masse d'aria, la temperatura inevitabilmente diminuirà poiché la superficie della Terra irradia liberamente energia termica nello spazio circostante. L'acqua sulla superficie della Terra assorbe l'energia solare ed evapora, trasformandosi in gas - vapore acqueo, che trasporta un'enorme quantità di energia nell'atmosfera inferiore. Quando il vapore acqueo si condensa e forma nuvole o nebbia, questa energia viene rilasciata sotto forma di calore. Circa la metà dell'energia solare che raggiunge la superficie terrestre viene spesa per l'evaporazione dell'acqua ed entra nella bassa atmosfera. Pertanto, a causa dell'effetto serra e dell'evaporazione dell'acqua, l'atmosfera si riscalda dal basso. Ciò spiega in parte l'elevata attività della sua circolazione rispetto alla circolazione dell'Oceano Mondiale, che si riscalda solo dall'alto ed è quindi molto più stabile dell'atmosfera.
Vedi anche METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA. Oltre al riscaldamento generale dell'atmosfera da parte della "luce" solare, si verifica un riscaldamento significativo di alcuni dei suoi strati a causa delle radiazioni ultraviolette e dei raggi X provenienti dal Sole. Struttura. Rispetto ai liquidi e ai solidi, nelle sostanze gassose la forza di attrazione tra le molecole è minima. All’aumentare della distanza tra le molecole, i gas sono in grado di espandersi indefinitamente se nulla glielo impedisce. Il limite inferiore dell'atmosfera è la superficie della Terra. A rigor di termini, questa barriera è impenetrabile, poiché lo scambio di gas avviene tra aria e acqua e anche tra aria e rocce, ma in questo caso questi fattori possono essere trascurati. Poiché l'atmosfera è un guscio sferico, non ha confini laterali, ma solo un confine inferiore e un confine superiore (esterno) aperto dal lato dello spazio interplanetario. Attraverso il confine esterno fuoriescono alcuni gas neutri e il flusso di materia proveniente dallo spazio esterno circostante. La maggior parte delle particelle cariche, ad eccezione dei raggi cosmici ad alta energia, vengono catturate dalla magnetosfera o da essa respinte. La forza di gravità agisce anche sull'atmosfera, che mantiene il guscio d'aria vicino alla superficie della Terra. I gas atmosferici sono compressi dal loro stesso peso. Questa compressione è massima al limite inferiore dell'atmosfera, e quindi qui la densità dell'aria è più alta. A qualsiasi altezza sopra la superficie terrestre, il grado di compressione dell'aria dipende dalla massa della colonna d'aria sovrastante, quindi la densità dell'aria diminuisce con l'altezza. La pressione, pari alla massa della colonna d'aria sovrastante per unità di area, è direttamente correlata alla densità e, quindi, diminuisce anche con l'altezza. Se l'atmosfera fosse un "gas ideale" con una composizione costante indipendente dall'altezza, una temperatura costante e una forza di gravità costante che agisce su di essa, allora la pressione diminuirebbe di un fattore 10 per ogni 20 km di altitudine. L'atmosfera reale differisce leggermente da quella del gas ideale fino a circa 100 km, e poi la pressione diminuisce più lentamente con l'altezza, al variare della composizione dell'aria. Piccole modifiche al modello descritto sono introdotte anche da una diminuzione della forza di gravità con la distanza dal centro della Terra, pari a ca. 3% ogni 100 km di altitudine. A differenza della pressione atmosferica, la temperatura non diminuisce continuamente con l’altitudine. Come mostrato in fig. 1, diminuisce fino a circa 10 km per poi riprendere a salire. Ciò si verifica quando l'ossigeno assorbe la radiazione solare ultravioletta. In questo caso si forma gas ozono, le cui molecole sono costituite da tre atomi di ossigeno (O3). Assorbe anche la radiazione ultravioletta e quindi questo strato dell'atmosfera, chiamato ozonosfera, si riscalda. Più in alto la temperatura scende nuovamente, poiché ci sono molte meno molecole di gas e l'assorbimento di energia si riduce di conseguenza. Negli strati ancora più alti la temperatura aumenta nuovamente a causa dell'assorbimento da parte dell'atmosfera della radiazione ultravioletta e dei raggi X della lunghezza d'onda più corta del Sole. Sotto l'influenza di questa potente radiazione, l'atmosfera viene ionizzata, cioè Una molecola di gas perde un elettrone e acquisisce una carica elettrica positiva. Tali molecole diventano ioni caricati positivamente. A causa della presenza di elettroni e ioni liberi, questo strato dell'atmosfera acquisisce le proprietà di un conduttore elettrico. Si ritiene che la temperatura continui a salire fino alle altezze in cui l'atmosfera rarefatta passa nello spazio interplanetario. A una distanza di diverse migliaia di chilometri dalla superficie della Terra prevalgono probabilmente temperature comprese tra 5.000° e 10.000° C. Sebbene le molecole e gli atomi abbiano velocità di movimento molto elevate, e quindi una temperatura elevata, questo gas rarefatto non è "caldo" nel senso comune del termine... A causa del numero esiguo di molecole ad alta quota, la loro energia termica totale è molto piccola. Pertanto, l’atmosfera è costituita da strati separati (cioè una serie di gusci concentrici, o sfere), la cui selezione dipende da quale proprietà è di maggiore interesse. Sulla base della distribuzione media della temperatura, i meteorologi hanno sviluppato uno schema per la struttura di una "atmosfera media" ideale (vedi Fig. 1).
Troposfera - lo strato inferiore dell'atmosfera, che si estende fino al primo minimo termico (la cosiddetta tropopausa). Il limite superiore della troposfera dipende dalla latitudine geografica (ai tropici - 18-20 km, alle latitudini temperate - circa 10 km) e dal periodo dell'anno. Il Servizio Meteorologico Nazionale degli Stati Uniti ha condotto sondaggi vicino al Polo Sud e ha rivelato cambiamenti stagionali nell’altezza della tropopausa. Nel mese di marzo la tropopausa si trova ad un'altitudine di ca. 7,5 km. Da marzo ad agosto o settembre si verifica un raffreddamento costante della troposfera, e il suo confine si innalza per un breve periodo in agosto o settembre fino ad un'altezza di circa 11,5 km. Poi da settembre a dicembre diminuisce rapidamente e raggiunge la posizione più bassa - 7,5 km, dove rimane fino a marzo, oscillando entro soli 0,5 km. È nella troposfera che si forma principalmente il tempo, che determina le condizioni per l'esistenza umana. La maggior parte del vapore acqueo atmosferico è concentrato nella troposfera, e quindi le nuvole si formano principalmente qui, sebbene alcune di esse, costituite da cristalli di ghiaccio, si trovino anche negli strati più alti. La troposfera è caratterizzata da turbolenze e potenti correnti d'aria (venti) e tempeste. Nell'alta troposfera si verificano forti correnti d'aria con una direzione strettamente definita. I vortici turbolenti, come piccoli vortici, si formano sotto l'influenza dell'attrito e dell'interazione dinamica tra masse d'aria in movimento lento e veloce. Poiché di solito in questi strati alti non c'è copertura nuvolosa, questa turbolenza viene definita "turbolenza dell'aria limpida".
Stratosfera. Lo strato superiore dell'atmosfera viene spesso erroneamente descritto come uno strato a temperature relativamente costanti, dove i venti soffiano più o meno costanti e dove gli elementi meteorologici cambiano poco. Gli strati superiori della stratosfera si riscaldano poiché l’ossigeno e l’ozono assorbono la radiazione ultravioletta solare. Il limite superiore della stratosfera (stratopausa) viene disegnato dove la temperatura aumenta leggermente, raggiungendo un massimo intermedio, che spesso è paragonabile alla temperatura dello strato d'aria superficiale. Sulla base delle osservazioni effettuate con aeroplani e palloni adattati per volare ad un'altitudine costante, nella stratosfera sono stati stabiliti disturbi turbolenti e forti venti che soffiano in diverse direzioni. Come nella troposfera, si notano potenti vortici d'aria, particolarmente pericolosi per gli aerei ad alta velocità. Forti venti, chiamati correnti a getto, soffiano in zone ristrette lungo i confini delle latitudini temperate di fronte ai poli. Tuttavia, queste zone possono spostarsi, scomparire e riapparire. Le correnti a getto di solito penetrano nella tropopausa e compaiono nell'alta troposfera, ma la loro velocità diminuisce rapidamente con il diminuire dell'altitudine. È possibile che parte dell'energia che entra nella stratosfera (principalmente spesa per la formazione di ozono) influenzi i processi nella troposfera. Un mescolamento particolarmente attivo è associato ai fronti atmosferici, dove estesi flussi di aria stratosferica sono stati registrati significativamente al di sotto della tropopausa e l'aria troposferica è stata attirata negli strati inferiori della stratosfera. Sono stati compiuti progressi significativi nello studio della struttura verticale degli strati inferiori dell'atmosfera in connessione con il miglioramento della tecnica di lancio di radiosonde ad altitudini di 25-30 km. La mesosfera, situata al di sopra della stratosfera, è un guscio in cui, fino ad un'altezza di 80-85 km, la temperatura scende al minimo dell'intera atmosfera. Temperature minime record fino a -110°C sono state registrate dai razzi meteorologici lanciati dall'installazione statunitense-canadese di Fort Churchill (Canada). Il limite superiore della mesosfera (mesopausa) coincide approssimativamente con il limite inferiore della regione di assorbimento attivo dei raggi X e della radiazione ultravioletta a lunghezza d'onda più corta del Sole, che è accompagnata dal riscaldamento e dalla ionizzazione del gas. Nelle regioni polari in estate compaiono spesso nella mesopausa sistemi nuvolosi, che occupano una vasta area, ma hanno poco sviluppo verticale. Tali nubi che brillano di notte spesso consentono di rilevare movimenti d'aria ondulati su larga scala nella mesosfera. La composizione di queste nubi, le fonti di umidità e i nuclei di condensazione, la dinamica e la relazione con i fattori meteorologici non sono ancora sufficientemente studiate. La termosfera è uno strato dell'atmosfera in cui la temperatura aumenta continuamente. La sua potenza può raggiungere i 600 km. La pressione e, di conseguenza, la densità di un gas diminuiscono costantemente con l'altezza. In prossimità della superficie terrestre 1 m3 di aria contiene ca. 2,5x1025 molecole, ad un'altezza di ca. 100 km, negli strati inferiori della termosfera - circa 1019, ad un'altitudine di 200 km, nella ionosfera - 5 * 10 15 e, secondo i calcoli, ad un'altitudine di ca. 850 km - circa 1012 molecole. Nello spazio interplanetario, la concentrazione di molecole è 10 8-10 9 per 1 m3. Ad un'altezza di ca. 100 km, il numero di molecole è piccolo e raramente si scontrano tra loro. La distanza media percorsa da una molecola in movimento casuale prima di scontrarsi con un'altra molecola simile è chiamata percorso libero medio. Lo strato in cui questo valore aumenta tanto da poter trascurare la probabilità di collisioni intermolecolari o interatomiche si trova al confine tra la termosfera e il guscio sovrastante (esosfera) e viene chiamato pausa termica. La termopausa si trova a circa 650 km dalla superficie terrestre. Ad una certa temperatura, la velocità di movimento di una molecola dipende dalla sua massa: le molecole più leggere si muovono più velocemente di quelle più pesanti. Nella bassa atmosfera, dove il percorso libero è molto breve, non si nota alcuna separazione dei gas in base al loro peso molecolare, ma è espressa al di sopra dei 100 km. Inoltre, sotto l'influenza della radiazione ultravioletta e dei raggi X del Sole, le molecole di ossigeno si dividono in atomi, la cui massa è la metà della massa della molecola. Pertanto, man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre, l'ossigeno atomico diventa sempre più importante nella composizione dell'atmosfera e ad un'altitudine di ca. 200 km diventano la sua componente principale. Più in alto, a una distanza di circa 1200 km dalla superficie terrestre, predominano i gas leggeri: elio e idrogeno. Sono lo strato esterno dell'atmosfera. Questa separazione in peso, detta separazione diffusa, assomiglia alla separazione delle miscele mediante una centrifuga. L'esosfera è lo strato esterno dell'atmosfera, che viene isolato in base ai cambiamenti di temperatura e alle proprietà del gas neutro. Le molecole e gli atomi nell'esosfera ruotano attorno alla Terra in orbite balistiche sotto l'influenza della gravità. Alcune di queste orbite sono paraboliche e simili alle traiettorie dei proiettili. Le molecole possono ruotare attorno alla Terra e in orbite ellittiche, come i satelliti. Alcune molecole, principalmente idrogeno ed elio, hanno traiettorie aperte e fuggono nello spazio (Fig. 2).
RAPPORTI SOLARE-TERRESTRE E LORO INFLUENZA SULL'ATMOSFERA
maree atmosferiche. L'attrazione del Sole e della Luna provoca maree nell'atmosfera, simili alle maree terrestri e marine. Ma le maree atmosferiche presentano una differenza significativa: l'atmosfera reagisce più fortemente all'attrazione del Sole, mentre la crosta terrestre e l'oceano reagiscono all'attrazione della Luna. Ciò è spiegato dal fatto che l'atmosfera è riscaldata dal Sole e, oltre alla marea gravitazionale, si verifica una potente marea termica. In generale, i meccanismi di formazione delle maree atmosferiche e marine sono simili, tranne per il fatto che per prevedere la reazione dell'aria agli effetti gravitazionali e termici, è necessario tener conto della sua compressibilità e della distribuzione della temperatura. Non è del tutto chiaro il motivo per cui le maree solari semidiurne (di 12 ore) nell'atmosfera predominano sulle maree solari diurne e sulle maree lunari semidiurne, sebbene le forze motrici di questi ultimi due processi siano molto più potenti. In precedenza, si credeva che nell'atmosfera si verificasse una risonanza, che amplifica precisamente le oscillazioni con un periodo di 12 ore. Tuttavia, le osservazioni effettuate con l'aiuto di razzi geofisici indicano che non vi sono ragioni di temperatura per tale risonanza. Nel risolvere questo problema, probabilmente si dovrebbero tenere conto di tutte le caratteristiche idrodinamiche e termiche dell'atmosfera. Sulla superficie terrestre vicino all'equatore, dove l'influenza delle fluttuazioni delle maree è massima, fornisce una variazione della pressione atmosferica dello 0,1%. La velocità dei venti di marea è di ca. 0,3 chilometri all'ora. A causa della complessa struttura termica dell'atmosfera (in particolare la presenza di una temperatura minima nella mesopausa), le correnti d'aria mareali si intensificano e, ad esempio, ad un'altitudine di 70 km la loro velocità è circa 160 volte superiore a quella della superficie terrestre , che ha importanti conseguenze geofisiche. Si ritiene che nella parte inferiore della ionosfera (strato E) le oscillazioni di marea muovano il gas ionizzato verticalmente nel campo magnetico terrestre e quindi qui si formano correnti elettriche. Questi sistemi di correnti costantemente emergenti sulla superficie della Terra sono stabiliti da perturbazioni del campo magnetico. Le variazioni diurne del campo magnetico sono in buon accordo con i valori calcolati, il che testimonia in modo convincente a favore della teoria dei meccanismi delle maree della "dinamo atmosferica". Le correnti elettriche che si formano nella parte inferiore della ionosfera (strato E) devono spostarsi da qualche parte e, quindi, il circuito deve essere chiuso. L'analogia con la dinamo diventa completa se consideriamo il movimento imminente come opera del motore. Si presuppone che la circolazione inversa della corrente elettrica avvenga in uno strato più alto della ionosfera (F), e questo controflusso può spiegare alcune delle caratteristiche peculiari di questo strato. Infine, l'effetto mareale deve generare correnti orizzontali anche nello strato E e quindi nello strato F.
Ionosfera. Cercando di spiegare il meccanismo del verificarsi delle aurore, scienziati del 19 ° secolo. ha suggerito che nell'atmosfera esiste una zona con particelle caricate elettricamente. Nel 20 ° secolo Sperimentalmente sono state ottenute prove convincenti dell'esistenza di uno strato che riflette le onde radio ad altitudini comprese tra 85 e 400 km. È ormai noto che le sue proprietà elettriche sono il risultato della ionizzazione del gas atmosferico. Pertanto, questo strato è solitamente chiamato ionosfera. L'impatto sulle onde radio è dovuto principalmente alla presenza di elettroni liberi nella ionosfera, sebbene il meccanismo di propagazione delle onde radio sia associato alla presenza di ioni di grandi dimensioni. Questi ultimi sono interessanti anche per lo studio delle proprietà chimiche dell'atmosfera, poiché sono più attivi degli atomi e delle molecole neutre. Le reazioni chimiche che si verificano nella ionosfera svolgono un ruolo importante nel suo equilibrio energetico ed elettrico.
ionosfera normale. Le osservazioni effettuate con l'aiuto di razzi geofisici e satelliti hanno fornito molte nuove informazioni, indicando che la ionizzazione dell'atmosfera avviene sotto l'influenza della radiazione solare ad ampio spettro. La sua parte principale (oltre il 90%) è concentrata nella parte visibile dello spettro. La radiazione ultravioletta con una lunghezza d'onda più corta e più energia rispetto ai raggi di luce viola viene emessa dall'idrogeno nella parte interna dell'atmosfera solare (cromosfera) e la radiazione a raggi X, che ha un'energia ancora maggiore, viene emessa dai gas nel guscio esterno del Sole (corona). Lo stato normale (medio) della ionosfera è dovuto a una radiazione potente e costante. Cambiamenti regolari si verificano nella ionosfera normale sotto l'influenza della rotazione quotidiana della Terra e delle differenze stagionali nell'angolo di incidenza dei raggi del sole a mezzogiorno, ma si verificano anche cambiamenti imprevedibili e bruschi nello stato della ionosfera.
Disturbi nella ionosfera. Come è noto, sul Sole si verificano potenti perturbazioni che si ripetono ciclicamente, che raggiungono il massimo ogni 11 anni. Le osservazioni nell'ambito del programma dell'Anno Geofisico Internazionale (IGY) hanno coinciso con il periodo di massima attività solare per l'intero periodo di osservazioni meteorologiche sistematiche, vale a dire dall'inizio del XVIII secolo Durante i periodi di intensa attività, alcune aree del Sole aumentano di luminosità più volte ed emettono potenti impulsi di radiazioni ultraviolette e di raggi X. Tali fenomeni sono chiamati brillamenti solari. Durano da alcuni minuti a una o due ore. Durante un brillamento, il gas solare (principalmente protoni ed elettroni) erutta e le particelle elementari si precipitano nello spazio. La radiazione elettromagnetica e corpuscolare del Sole nei momenti di tali brillamenti ha un forte effetto sull'atmosfera terrestre. La reazione iniziale si osserva 8 minuti dopo il lampo, quando un'intensa radiazione ultravioletta e di raggi X raggiunge la Terra. Di conseguenza, la ionizzazione aumenta notevolmente; i raggi X penetrano nell'atmosfera fino al limite inferiore della ionosfera; il numero di elettroni in questi strati aumenta così tanto che i segnali radio vengono quasi completamente assorbiti ("spenti"). L'ulteriore assorbimento delle radiazioni provoca il riscaldamento del gas, che contribuisce allo sviluppo dei venti. Il gas ionizzato è un conduttore elettrico e quando si muove nel campo magnetico terrestre appare un effetto dinamo e viene generata una corrente elettrica. Tali correnti possono a loro volta causare notevoli perturbazioni del campo magnetico e manifestarsi sotto forma di tempeste magnetiche. Questa fase iniziale dura solo un breve periodo, corrispondente alla durata di un brillamento solare. Durante i potenti bagliori del Sole, un flusso di particelle accelerate si precipita nello spazio. Quando è diretto verso la Terra inizia la seconda fase, che ha una grande influenza sullo stato dell'atmosfera. Molti fenomeni naturali, tra cui i più conosciuti sono le aurore, indicano che un numero significativo di particelle cariche raggiungono la Terra (vedi anche LUCI POLARI). Tuttavia, i processi di separazione di queste particelle dal Sole, le loro traiettorie nello spazio interplanetario e i meccanismi di interazione con il campo magnetico terrestre e la magnetosfera non sono ancora sufficientemente studiati. Il problema si complicò dopo la scoperta, nel 1958, da parte di James Van Allen, di gusci trattenuti dal campo geomagnetico, costituiti da particelle cariche. Queste particelle si muovono da un emisfero all'altro, ruotando a spirale attorno alle linee del campo magnetico. In prossimità della Terra, ad un'altezza che dipende dalla forma delle linee di forza e dall'energia delle particelle, si trovano dei "punti di riflessione", in cui le particelle cambiano la direzione del loro moto in direzione opposta (Fig. 3). Poiché l'intensità del campo magnetico diminuisce con la distanza dalla Terra, le orbite lungo le quali si muovono queste particelle sono alquanto distorte: gli elettroni deviano verso est e i protoni verso ovest. Pertanto, sono distribuiti sotto forma di cinture in tutto il mondo.
Alcune conseguenze del riscaldamento dell'atmosfera da parte del Sole. L’energia solare influenza l’intera atmosfera. Abbiamo già menzionato le cinture formate da particelle cariche nel campo magnetico terrestre e che ruotano attorno ad esso. Queste cinture sono più vicine alla superficie terrestre nelle regioni circumpolari (vedi Fig. 3), dove si osservano le aurore. La Figura 1 mostra che le regioni dell’aurora in Canada hanno temperature termosferiche significativamente più elevate rispetto a quelle del sud-ovest degli Stati Uniti. È probabile che le particelle catturate cedano parte della loro energia all'atmosfera, soprattutto quando entrano in collisione con molecole di gas vicino ai punti di riflessione, e lascino le loro orbite precedenti. Ecco come vengono riscaldati gli alti strati dell'atmosfera nella zona dell'aurora. Un'altra importante scoperta è stata fatta studiando le orbite dei satelliti artificiali. Luigi Iacchia, astronomo dell'Osservatorio Astrofisico Smithsonian, ritiene che le piccole deviazioni di queste orbite siano dovute ai cambiamenti nella densità dell'atmosfera riscaldata dal Sole. Ha suggerito l'esistenza di una densità elettronica massima nella ionosfera ad un'altitudine di oltre 200 km, che non corrisponde al mezzogiorno solare, ma sotto l'influenza delle forze di attrito resta indietro di circa due ore. In questo momento i valori della densità atmosferica, tipici per un'altitudine di 600 km, si osservano ad un livello di ca. 950 km. Inoltre, la concentrazione massima di elettroni subisce fluttuazioni irregolari dovute a lampi a breve termine di radiazioni ultraviolette e raggi X provenienti dal Sole. L. Yakkia scoprì anche fluttuazioni a breve termine nella densità dell'aria, corrispondenti ai brillamenti solari e ai disturbi del campo magnetico. Questi fenomeni si spiegano con l'intrusione di particelle di origine solare nell'atmosfera terrestre e il riscaldamento degli strati dove orbitano i satelliti.
ELETTRICITÀ ATMOSFERICA
Nello strato superficiale dell'atmosfera, una piccola parte delle molecole subisce la ionizzazione sotto l'influenza dei raggi cosmici, delle radiazioni delle rocce radioattive e dei prodotti di decadimento del radio (principalmente radon) nell'aria stessa. Nel processo di ionizzazione, un atomo perde un elettrone e acquisisce una carica positiva. Un elettrone libero si combina rapidamente con un altro atomo, formando uno ione carico negativamente. Tali ioni positivi e negativi accoppiati hanno dimensioni molecolari. Le molecole nell'atmosfera tendono a raggrupparsi attorno a questi ioni. Diverse molecole combinate con uno ione formano un complesso comunemente denominato "ione leggero". L'atmosfera contiene anche complessi di molecole, conosciuti in meteorologia come nuclei di condensazione, attorno ai quali, quando l'aria è satura di umidità, inizia il processo di condensazione. Questi nuclei sono particelle di sale e polvere, nonché sostanze inquinanti rilasciate nell'aria da fonti industriali e di altro tipo. Gli ioni leggeri spesso si attaccano a tali nuclei per formare "ioni pesanti". Sotto l'influenza di un campo elettrico, gli ioni leggeri e pesanti si spostano da un'area all'altra dell'atmosfera, trasferendo cariche elettriche. Sebbene l’atmosfera non sia generalmente considerata un mezzo elettricamente conduttivo, possiede una piccola quantità di conduttività. Pertanto, un corpo carico lasciato nell'aria perde lentamente la sua carica. La conduttività atmosferica aumenta con l'altezza a causa dell'aumento dell'intensità dei raggi cosmici, della ridotta perdita di ioni in condizioni di pressione più bassa (e quindi di un percorso libero medio più lungo) e del minor numero di nuclei pesanti. La conduttività dell'atmosfera raggiunge il suo valore massimo ad un'altezza di ca. 50 km, cosiddetti. "livello di compensazione". È noto che tra la superficie terrestre e il "livello di compensazione" esiste sempre una differenza di potenziale di diverse centinaia di kilovolt, cioè campo elettrico costante. Si è scoperto che la differenza di potenziale tra un certo punto nell'aria ad un'altezza di diversi metri e la superficie terrestre è molto grande: più di 100 V. L'atmosfera ha una carica positiva e la superficie terrestre è caricata negativamente. Poiché il campo elettrico è un'area in ogni punto della quale esiste un certo valore potenziale, possiamo parlare di gradiente potenziale. Con tempo sereno, nei pochi metri più bassi, l'intensità del campo elettrico dell'atmosfera è quasi costante. A causa delle differenze nella conduttività elettrica dell'aria nello strato superficiale, il gradiente di potenziale è soggetto a fluttuazioni diurne, il cui andamento varia notevolmente da luogo a luogo. In assenza di fonti locali di inquinamento atmosferico - sopra gli oceani, in alta montagna o nelle regioni polari - l'andamento giornaliero del gradiente potenziale con tempo sereno è lo stesso. L'entità del gradiente dipende dal Tempo universale, o Greenwich Mean, (UT) e raggiunge un massimo alle 19:00 E. Appleton ha suggerito che questa massima conduttività elettrica probabilmente coincide con la più grande attività temporalesca su scala planetaria. I fulmini durante i temporali trasportano una carica negativa sulla superficie terrestre, poiché le basi dei cumulonembi temporaleschi più attivi hanno una carica negativa significativa. Le sommità delle nuvole temporalesche hanno una carica positiva che, secondo i calcoli di Holzer e Saxon, scorre dalle loro sommità durante i temporali. Senza un rifornimento costante, la carica sulla superficie terrestre verrebbe neutralizzata dalla conduttività dell'atmosfera. L'ipotesi che la differenza di potenziale tra la superficie terrestre e il "livello di compensazione" venga mantenuta a causa dei temporali è supportata da dati statistici. Ad esempio, il numero massimo di temporali si osserva nella valle del fiume. Amazzoni. Molto spesso lì si verificano temporali alla fine della giornata, ad es. OK. 19:00 Greenwich Mean Time, quando il gradiente potenziale è al suo massimo in qualsiasi parte del mondo. Inoltre, anche le variazioni stagionali nella forma delle curve di variazione diurna del gradiente potenziale sono in pieno accordo con i dati sulla distribuzione globale dei temporali. Alcuni ricercatori sostengono che la fonte del campo elettrico terrestre potrebbe essere di origine esterna, poiché si ritiene che i campi elettrici esistano nella ionosfera e nella magnetosfera. Questa circostanza spiega probabilmente la comparsa di forme di aurore allungate molto strette, simili a quinte e archi.
(vedi anche LUCI POLARI). A causa della presenza del gradiente potenziale e della conduttività dell'atmosfera tra il "livello di compensazione" e la superficie terrestre, le particelle cariche iniziano a muoversi: ioni caricati positivamente verso la superficie terrestre e ioni caricati negativamente verso l'alto da essa. Questa corrente è di ca. 1800 A. Anche se questo valore sembra grande, bisogna ricordare che è distribuito su tutta la superficie della Terra. L'intensità di corrente in una colonna d'aria con una superficie di base di 1 m2 è di soli 4 * 10 -12 A. D'altra parte, l'intensità di corrente durante una scarica di fulmine può raggiungere diversi ampere, sebbene, ovviamente, tale scarica ha una breve durata: da frazioni di secondo a un secondo intero o poco più con scarichi ripetuti. Il fulmine è di grande interesse non solo come fenomeno peculiare della natura. Permette di osservare una scarica elettrica in un mezzo gassoso con una tensione di diverse centinaia di milioni di volt e una distanza tra gli elettrodi di diversi chilometri. Nel 1750 B. Franklin propose alla Royal Society di Londra di sperimentare un'asta di ferro fissata su una base isolante e montata su un'alta torre. Si aspettava che quando una nuvola temporalesca si avvicina alla torre, una carica del segno opposto sarà concentrata all'estremità superiore dell'asta inizialmente neutra, e una carica dello stesso segno che alla base della nuvola sarà concentrata all'estremità inferiore . Se l'intensità del campo elettrico durante la scarica di un fulmine aumenta sufficientemente, la carica dall'estremità superiore dell'asta verrà parzialmente scaricata nell'aria e l'asta acquisirà una carica dello stesso segno della base della nuvola. L'esperimento proposto da Franklin non fu effettuato in Inghilterra, ma fu messo a punto nel 1752 a Marly, vicino a Parigi, dal fisico francese Jean d'Alembert, utilizzando un'asta di ferro lunga 12 m inserita in una bottiglia di vetro (che fungeva da isolante), ma non lo pose sulla torre. Il 10 maggio il suo assistente riferì che quando una nuvola temporalesca era sopra un'asta, si producevano scintille quando vi veniva portato un filo con messa a terra. Lo stesso Franklin, ignaro dell'esperienza di successo realizzata in Francia, nel giugno di quell'anno condusse il suo famoso esperimento con un aquilone e osservò scintille elettriche all'estremità di un filo ad esso legato. L'anno successivo, studiando le cariche raccolte da un'asta, Franklin scoprì che le basi delle nubi temporalesche sono solitamente caricate negativamente Studi più dettagliati sui fulmini divennero possibili alla fine del XIX secolo grazie ai miglioramenti nei metodi fotografici, soprattutto dopo l'invenzione del dispositivo con lenti rotanti, che permise di fissare processi in rapido sviluppo. Tale fotocamera è stata ampiamente utilizzata nello studio delle scariche di scintille. Si è scoperto che esistono diversi tipi di fulmini, i più comuni sono lineari, piatti (intra-nuvole) e globulari (scariche d'aria). Il fulmine lineare è una scarica di scintilla tra una nuvola e la superficie terrestre, seguendo un canale con rami verso il basso. I fulmini piatti si verificano all'interno di una nube temporalesca e sembrano lampi di luce diffusa. Le scariche d'aria dei fulmini globulari, che partono da una nube temporalesca, sono spesso dirette orizzontalmente e non raggiungono la superficie terrestre.
Una scarica di fulmine consiste solitamente di tre o più scariche ripetute: impulsi che seguono lo stesso percorso. Gli intervalli tra gli impulsi successivi sono molto brevi, da 1/100 a 1/10 s (questo è ciò che provoca lo sfarfallio dei fulmini). In generale, il flash dura circa un secondo o meno. Un tipico processo di sviluppo dei fulmini può essere descritto come segue. Innanzitutto, un leader di scarica debolmente luminoso si precipita dall'alto verso la superficie terrestre. Quando lo raggiunge, una scarica inversa, o principale, brillantemente luminosa passa da terra lungo il canale tracciato dal leader. Il leader dello scarico, di regola, si muove a zigzag. La velocità della sua propagazione varia da cento a diverse centinaia di chilometri al secondo. Nel suo percorso ionizza le molecole d'aria, creando un canale con maggiore conduttività, attraverso il quale la scarica inversa si muove verso l'alto ad una velocità circa cento volte maggiore di quella della scarica principale. È difficile determinare la dimensione del canale, ma il diametro della portata principale è stimato tra 1 e 10 metri, e quello della portata inversa è di diversi centimetri. Le scariche dei fulmini creano interferenze radio emettendo onde radio in un'ampia gamma, da 30 kHz a frequenze ultrabasse. La massima radiazione delle onde radio è probabilmente compresa tra 5 e 10 kHz. Tali interferenze radio a bassa frequenza sono "concentrate" nello spazio tra il confine inferiore della ionosfera e la superficie terrestre ed sono in grado di propagarsi a distanze di migliaia di chilometri dalla sorgente.
CAMBIAMENTI NELL'ATMOSFERA
Impatto di meteore e meteoriti. Anche se a volte gli sciami meteorici impressionano profondamente con i loro effetti luminosi, raramente si vedono singole meteore. Molto più numerose sono le meteore invisibili, troppo piccole per essere viste nel momento in cui vengono inghiottite dall'atmosfera. Alcune delle meteore più piccole probabilmente non si riscaldano affatto, ma vengono solo catturate dall'atmosfera. Queste piccole particelle di dimensioni variabili da pochi millimetri a diecimillesimi di millimetro sono chiamate micrometeoriti. La quantità di materiale meteorico che entra nell'atmosfera ogni giorno varia da 100 a 10.000 tonnellate, la maggior parte di questa materia è costituita da micrometeoriti. Poiché la materia meteorica brucia parzialmente nell'atmosfera, la sua composizione gassosa viene reintegrata con tracce di vari elementi chimici. Ad esempio, le meteore di pietra portano il litio nell'atmosfera. La combustione delle meteore metalliche porta alla formazione di minuscole goccioline sferiche di ferro, ferro-nichel e altre goccioline che attraversano l'atmosfera e si depositano sulla superficie terrestre. Si trovano in Groenlandia e in Antartide, dove le calotte glaciali rimangono pressoché invariate per anni. Gli oceanologi li trovano nei sedimenti del fondo dell'oceano. La maggior parte delle particelle meteoriche che entrano nell'atmosfera si depositano entro circa 30 giorni. Alcuni scienziati ritengono che questa polvere cosmica svolga un ruolo importante nella formazione di fenomeni atmosferici come la pioggia, poiché funge da nucleo di condensazione del vapore acqueo. Pertanto, si presume che le precipitazioni siano statisticamente associate a grandi sciami meteorici. Tuttavia, alcuni esperti ritengono che, poiché l'apporto totale di materiale meteorico è molte decine di volte maggiore rispetto allo sciame meteorico più grande, la variazione nella quantità totale di questo materiale che si verifica a seguito di uno di questi sciami può essere trascurata. Tuttavia, non c'è dubbio che i micrometeoriti più grandi e, ovviamente, i meteoriti visibili lasciano lunghe tracce di ionizzazione negli strati alti dell'atmosfera, principalmente nella ionosfera. Tali tracce possono essere utilizzate per le comunicazioni radio a lunga distanza, poiché riflettono le onde radio ad alta frequenza. L'energia delle meteore che entrano nell'atmosfera viene spesa principalmente, e forse completamente, per il suo riscaldamento. Questo è uno dei componenti minori del bilancio termico dell'atmosfera.
Anidride carbonica di origine industriale. Nel periodo Carbonifero, la vegetazione legnosa era diffusa sulla Terra. La maggior parte dell'anidride carbonica assorbita dalle piante a quel tempo veniva accumulata nei depositi di carbone e nei depositi di petrolio. Le persone hanno imparato a utilizzare le enormi riserve di questi minerali come fonte di energia e ora stanno rapidamente reimmettendo l'anidride carbonica nella circolazione delle sostanze. Il fossile è probabilmente ca. 4*10 13 tonnellate di carbonio. Nell'ultimo secolo, l'umanità ha bruciato così tanto combustibile fossile che circa 4 * 10 11 tonnellate di carbonio sono state nuovamente immesse nell'atmosfera. Attualmente ci sono ca. 2 * 10 12 tonnellate di carbonio, e nei prossimi cento anni questa cifra potrebbe raddoppiare a causa della combustione di combustibili fossili. Tuttavia, non tutto il carbonio rimarrà nell'atmosfera: una parte si dissolverà nelle acque dell'oceano, una parte verrà assorbita dalle piante e una parte verrà legata nel processo di alterazione delle rocce. Non è ancora possibile prevedere quanta anidride carbonica sarà presente nell’atmosfera o quali effetti avrà sul clima mondiale. Tuttavia, si ritiene che qualsiasi aumento del suo contenuto causerà il riscaldamento, sebbene non sia affatto necessario che qualsiasi riscaldamento influisca in modo significativo sul clima. La concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, secondo i risultati delle misurazioni, sta aumentando notevolmente, anche se a ritmo lento. I dati climatici per le Svalbard e la stazione Little America sulla piattaforma di ghiaccio Ross in Antartide indicano un aumento delle temperature medie annuali su un periodo di circa 50 anni rispettivamente di 5° e 2,5°C.
L'impatto della radiazione cosmica. Quando i raggi cosmici ad alta energia interagiscono con i singoli componenti dell'atmosfera, si formano isotopi radioattivi. Tra questi spicca l'isotopo del carbonio 14C, che si accumula nei tessuti vegetali e animali. Misurando la radioattività delle sostanze organiche che da lungo tempo non scambiano carbonio con l'ambiente, è possibile determinarne l'età. Il metodo del radiocarbonio si è affermato come il metodo più affidabile per datare organismi fossili e oggetti di cultura materiale, la cui età non supera i 50mila anni. Altri isotopi radioattivi con lunghi tempi di dimezzamento potrebbero essere utilizzati per datare materiali vecchi di centinaia di migliaia di anni se si risolvesse il problema fondamentale di misurare livelli estremamente bassi di radioattività.
(vedi anche DATAZIONE AL RADIOCARBONE).
ORIGINE DELL'ATMOSFERA TERRESTRE
La storia della formazione dell'atmosfera non è stata ancora restaurata in modo assolutamente affidabile. Tuttavia sono stati individuati alcuni probabili cambiamenti nella sua composizione. La formazione dell'atmosfera iniziò immediatamente dopo la formazione della Terra. Ci sono buone ragioni per credere che nel processo di evoluzione della Pra-Terra e della sua acquisizione di dimensioni e massa prossime a quelle moderne, abbia perso quasi completamente la sua atmosfera originaria. Si ritiene che in una fase iniziale la Terra fosse allo stato fuso e ca. 4,5 miliardi di anni fa prese forma in un corpo solido. Questa pietra miliare è considerata l'inizio della cronologia geologica. Da quel momento c'è stata una lenta evoluzione dell'atmosfera. Alcuni processi geologici, come le eruzioni di lava durante le eruzioni vulcaniche, furono accompagnati dal rilascio di gas dalle viscere della Terra. Probabilmente includevano azoto, ammoniaca, metano, vapore acqueo, monossido di carbonio e anidride carbonica. Sotto l'influenza della radiazione solare ultravioletta, il vapore acqueo si decompone in idrogeno e ossigeno, ma l'ossigeno rilasciato reagisce con il monossido di carbonio per formare anidride carbonica. L'ammoniaca si decompone in azoto e idrogeno. L'idrogeno nel processo di diffusione si sollevò e lasciò l'atmosfera, mentre l'azoto più pesante non poteva fuoriuscire e gradualmente si accumulava, diventando il suo componente principale, sebbene una parte di esso fosse legata durante le reazioni chimiche. Sotto l'influenza dei raggi ultravioletti e delle scariche elettriche, una miscela di gas, probabilmente presente nell'atmosfera originaria della Terra, è entrata in reazioni chimiche, a seguito delle quali si sono formate sostanze organiche, in particolare aminoacidi. Di conseguenza, la vita potrebbe avere origine in un’atmosfera fondamentalmente diversa da quella moderna. Con l'avvento delle piante primitive iniziò il processo di fotosintesi (vedi anche FOTOSINTESI), accompagnato dal rilascio di ossigeno libero. Questo gas, soprattutto dopo la diffusione nell'alta atmosfera, ha iniziato a proteggere i suoi strati inferiori e la superficie terrestre dalle radiazioni ultraviolette e dai raggi X potenzialmente letali. Si stima che la presenza di appena 0,00004 dell'attuale volume di ossigeno potrebbe portare alla formazione di uno strato con la metà dell'attuale concentrazione di ozono, che tuttavia fornisce una protezione molto significativa dai raggi ultravioletti. È anche probabile che l'atmosfera primaria contenesse molta anidride carbonica. È stato consumato durante la fotosintesi e la sua concentrazione deve essere diminuita con l'evoluzione del mondo vegetale e anche a causa dell'assorbimento durante alcuni processi geologici. Poiché l'effetto serra è associato alla presenza di anidride carbonica nell'atmosfera, alcuni scienziati ritengono che le fluttuazioni della sua concentrazione siano una delle cause importanti dei cambiamenti climatici su larga scala nella storia della Terra, come le ere glaciali. L'elio presente nell'atmosfera moderna è probabilmente principalmente un prodotto del decadimento radioattivo di uranio, torio e radio. Questi elementi radioattivi emettono particelle alfa, che sono i nuclei degli atomi di elio. Poiché durante il decadimento radioattivo non viene creata o distrutta alcuna carica elettrica, ci sono due elettroni per ogni particella alfa. Di conseguenza, si combina con loro formando atomi di elio neutri. Gli elementi radioattivi sono contenuti nei minerali dispersi nello spessore delle rocce, quindi una parte significativa dell'elio formatosi a seguito del decadimento radioattivo viene immagazzinata in essi, volatilizzandosi molto lentamente nell'atmosfera. Una certa quantità di elio sale nell'esosfera per diffusione, ma a causa del costante afflusso dalla superficie terrestre, il volume di questo gas nell'atmosfera rimane invariato. Sulla base dell'analisi spettrale della luce stellare e dello studio dei meteoriti, è possibile stimare l'abbondanza relativa di vari elementi chimici nell'Universo. La concentrazione di neon nello spazio è circa dieci miliardi di volte superiore a quella della Terra, di krypton - dieci milioni di volte e di xeno - un milione di volte. Ne consegue che la concentrazione di questi gas inerti, originariamente presenti nell'atmosfera terrestre e che non venivano reintegrati nel corso delle reazioni chimiche, diminuì notevolmente, probabilmente anche nella fase in cui la Terra perse la sua atmosfera primaria. Un'eccezione è il gas inerte argon, poiché si forma ancora sotto forma di isotopo 40Ar nel processo di decadimento radioattivo dell'isotopo di potassio.
FENOMENI OTTICI
La varietà dei fenomeni ottici nell'atmosfera è dovuta a vari motivi. I fenomeni più comuni includono i fulmini (vedi sopra) e le pittoresche aurore boreali e aurore boreali (vedi anche LUCI POLARI). Inoltre, di particolare interesse sono l'arcobaleno, la ragazza, il parhelion (falso sole) e gli archi, la corona, gli aloni e i fantasmi di Brocken, i miraggi, i fuochi di Sant'Elmo, le nuvole luminose, i raggi verdi e crepuscolari. L'arcobaleno è il fenomeno atmosferico più bello. Di solito si tratta di un enorme arco costituito da strisce multicolori, osservato quando il sole illumina solo una parte del cielo e l'aria è satura di gocce d'acqua, ad esempio durante la pioggia. Gli archi multicolori sono disposti in una sequenza spettrale (rosso, arancione, giallo, verde, ciano, indaco, viola), ma i colori non sono quasi mai puri perché le bande si sovrappongono. Di norma, le caratteristiche fisiche degli arcobaleni variano in modo significativo e quindi hanno un aspetto molto diverso. La loro caratteristica comune è che il centro dell'arco si trova sempre su una linea retta tracciata dal Sole all'osservatore. L'arcobaleno principale è un arco costituito dai colori più brillanti: rosso all'esterno e viola all'interno. A volte è visibile un solo arco, ma spesso ne appare uno secondario all'esterno dell'arcobaleno principale. Non ha colori brillanti come il primo e le strisce rosse e viola cambiano posto: il rosso si trova all'interno. La formazione dell'arcobaleno principale è spiegata dalla doppia rifrazione (vedi anche OTTICA) e dalla singola riflessione interna dei raggi solari (vedi Fig. 5). Penetrando all'interno di una goccia d'acqua (A), un raggio di luce viene rifratto e scomposto, come quando passa attraverso un prisma. Successivamente raggiunge la superficie opposta della goccia (B), si riflette da questa ed esce dalla goccia verso l'esterno (C). In questo caso il fascio di luce, prima di raggiungere l'osservatore, viene rifratto una seconda volta. Il raggio bianco iniziale viene scomposto in raggi di colore diverso con angolo di divergenza di 2°. Quando si forma un arcobaleno secondario, si verificano la doppia rifrazione e la doppia riflessione dei raggi solari (vedi Fig. 6). In questo caso la luce viene rifratta, penetrando all'interno della goccia attraverso la sua parte inferiore (A), e viene riflessa dalla superficie interna della goccia, prima nel punto B, poi nel punto C. Nel punto D la luce viene rifratta , lasciando la caduta verso l'osservatore.
All'alba e al tramonto l'osservatore vede l'arcobaleno sotto forma di un arco pari a mezzo cerchio, poiché l'asse dell'arcobaleno è parallelo all'orizzonte. Se il Sole è più alto sopra l'orizzonte, l'arco dell'arcobaleno è inferiore a mezzo cerchio. Quando il Sole supera i 42° sopra l'orizzonte, l'arcobaleno scompare. Ovunque, tranne che alle alte latitudini, l'arcobaleno non può apparire a mezzogiorno quando il sole è troppo alto. È interessante stimare la distanza dall'arcobaleno. Anche se sembra che l'arco multicolore si trovi sullo stesso piano, questa è un'illusione. L'arcobaleno, infatti, ha una grande profondità e può essere rappresentato come la superficie di un cono cavo, alla sommità del quale si trova l'osservatore. L'asse del cono collega il Sole, l'osservatore e il centro dell'arcobaleno. L'osservatore guarda, per così dire, lungo la superficie di questo cono. Due persone non potranno mai vedere esattamente lo stesso arcobaleno. Naturalmente in generale si può osservare lo stesso effetto, ma i due arcobaleni si trovano in posizioni diverse e sono formati da gocce d'acqua diverse. Quando la pioggia o la nebbia formano un arcobaleno, l'effetto ottico completo è ottenuto dall'effetto combinato di tutte le gocce d'acqua che attraversano la superficie del cono dell'arcobaleno con l'osservatore all'apice. Il ruolo di ogni goccia è fugace. La superficie del cono arcobaleno è composta da diversi strati. Attraversandoli rapidamente e attraversando una serie di punti critici, ogni goccia decompone istantaneamente il raggio solare nell'intero spettro in una sequenza rigorosamente definita, dal rosso al viola. Molte gocce attraversano la superficie del cono allo stesso modo, tanto che l'arcobaleno appare all'osservatore come continuo sia lungo che attraverso il suo arco. Alone: archi e cerchi di luce bianchi o iridescenti attorno al disco del Sole o della Luna. Sono causati dalla rifrazione o riflessione della luce da parte dei cristalli di ghiaccio o di neve nell'atmosfera. I cristalli che formano l'alone si trovano sulla superficie di un cono immaginario con l'asse diretto dall'osservatore (dalla sommità del cono) al Sole. In determinate condizioni, l'atmosfera è satura di piccoli cristalli, molte delle cui facce formano un angolo retto con il piano che passa attraverso il Sole, l'osservatore e questi cristalli. Tali sfaccettature riflettono i raggi luminosi in arrivo con una deviazione di 22°, formando un alone che all'interno è rossastro, ma può anche essere costituito da tutti i colori dello spettro. Meno comune è un alone con un raggio angolare di 46°, situato concentricamente attorno a un alone di 22 gradi. Anche il suo lato interno ha una tinta rossastra. La ragione di ciò è anche la rifrazione della luce, che in questo caso avviene sulle facce del cristallo che formano angoli retti. La larghezza dell'anello di tale alone supera i 2,5°. Sia gli aloni a 46 gradi che quelli a 22 gradi tendono ad essere più luminosi nella parte superiore e inferiore dell'anello. Il raro alone a 90 gradi è un anello debolmente luminoso, quasi incolore, che ha un centro comune con gli altri due aloni. Se è colorato, ha un colore rosso all'esterno dell'anello. Il meccanismo della comparsa di questo tipo di alone non è stato completamente chiarito (Fig. 7).
Parhelia e archi. Cerchio parelico (o cerchio dei falsi soli) - un anello bianco centrato nel punto zenitale, che passa attraverso il Sole parallelamente all'orizzonte. Il motivo della sua formazione è il riflesso della luce solare dai bordi delle superfici dei cristalli di ghiaccio. Se i cristalli sono distribuiti in modo sufficientemente uniforme nell'aria, diventa visibile un cerchio completo. Le parelie, o falsi soli, sono macchie luminosissime somiglianti al Sole, che si formano nei punti di intersezione del cerchio parelico con l'alone, aventi raggi angolari di 22°, 46° e 90°. Il parhelion più frequentemente formato e più luminoso si forma all'intersezione con un alone di 22 gradi, solitamente colorato in quasi tutti i colori dell'arcobaleno. I falsi soli alle intersezioni con aloni di 46 e 90 gradi si osservano molto meno frequentemente. Le parhelie che si verificano alle intersezioni con aloni di 90 gradi sono chiamate parantelie o falsi controsoli. A volte è visibile anche un antelium (controsole), un punto luminoso situato sull'anello del parhelio esattamente di fronte al Sole. Si presume che la causa di questo fenomeno sia la doppia riflessione interna della luce solare. Il raggio riflesso segue lo stesso percorso del raggio incidente, ma in direzione opposta. L'arco circumzenitale, a volte erroneamente indicato come arco tangente superiore dell'alone di 46 gradi, è un arco di 90° o meno centrato sul punto zenitale e circa 46° sopra il Sole. È visibile raramente e solo per pochi minuti, ha colori vivaci, e il colore rosso è confinato al lato esterno dell'arco. L'arco circumzenitale è notevole per la sua colorazione, luminosità e contorni chiari. Un altro curioso e rarissimo effetto ottico di tipo alone è l'arco di Lovitz. Sorgono come continuazione del parhelia all'intersezione con l'alone di 22 gradi, passano dal lato esterno dell'alone e sono leggermente concavi verso il Sole. Colonne di luce biancastra, così come varie croci, si vedono talvolta all'alba o al tramonto, soprattutto nelle regioni polari, e possono accompagnare sia il Sole che la Luna. A volte si osservano aloni lunari e altri effetti simili a quelli sopra descritti, tra cui l'alone lunare più comune (anello attorno alla Luna) che ha un raggio angolare di 22°. Come i falsi soli, possono sorgere false lune. Le corone, o corone, sono piccoli anelli concentrici colorati attorno al Sole, alla Luna o ad altri oggetti luminosi che si osservano di tanto in tanto quando la fonte di luce si trova dietro nuvole traslucide. Il raggio della corona è più piccolo del raggio dell'alone ed è di ca. 1-5°, l'anello blu o viola è il più vicino al Sole. Una corona si forma quando la luce viene diffusa da piccole goccioline d'acqua che formano una nuvola. A volte la corona si presenta come una macchia luminosa (o alone) che circonda il Sole (o la Luna), che termina con un anello rossastro. In altri casi, all'esterno dell'alone, sono visibili almeno due anelli concentrici di diametro maggiore, colorati molto debolmente. Questo fenomeno è accompagnato da nuvole iridescenti. A volte i bordi delle nuvole molto alte sono dipinti con colori vivaci.
Gloria (aureole). In condizioni particolari si verificano fenomeni atmosferici insoliti. Se il Sole è dietro l'osservatore e la sua ombra è proiettata sulle nuvole vicine o su una cortina di nebbia, in un certo stato dell'atmosfera attorno all'ombra della testa di una persona, puoi vedere un cerchio luminoso colorato: un alone. Di solito un tale alone si forma a causa del riflesso della luce da parte delle gocce di rugiada su un prato erboso. I gloria sono abbastanza comuni anche attorno all'ombra che l'aereo proietta sulle nuvole sottostanti.
Fantasmi del Brocken. In alcune regioni del globo, quando l'ombra di un osservatore su una collina all'alba o al tramonto cade dietro di lui sulle nuvole situate a breve distanza, si rivela un effetto sorprendente: l'ombra acquisisce dimensioni colossali. Ciò è dovuto alla riflessione e rifrazione della luce da parte delle più piccole gocce d'acqua nella nebbia. Il fenomeno descritto è chiamato il "fantasma del Brocken" dal nome della vetta nelle montagne dell'Harz in Germania.
Miraggi- un effetto ottico causato dalla rifrazione della luce quando passa attraverso strati d'aria di diversa densità e si esprime nell'aspetto di un'immagine virtuale. In questo caso, gli oggetti distanti possono risultare sollevati o abbassati rispetto alla loro posizione reale, oppure possono anche essere distorti e acquisire forme irregolari e fantastiche. I miraggi vengono spesso osservati nei climi caldi, come sulle pianure sabbiose. I miraggi inferiori sono comuni, quando la superficie lontana e quasi piatta del deserto assume l'aspetto di acque libere, specialmente se vista da una leggera elevazione o semplicemente sopra uno strato di aria riscaldata. Un'illusione simile di solito si verifica su una strada asfaltata riscaldata che sembra una superficie d'acqua molto più avanti. In realtà, questa superficie è un riflesso del cielo. Sotto il livello degli occhi, in questa "acqua" possono apparire oggetti, solitamente capovolti. Sopra la superficie terrestre riscaldata si forma una "torta d'aria" e lo strato più vicino alla terra è il più riscaldato e così rarefatto che le onde luminose che lo attraversano vengono distorte, poiché la loro velocità di propagazione varia a seconda della densità del mezzo. I miraggi superiori sono meno comuni e più scenografici dei miraggi inferiori. Gli oggetti distanti (spesso sotto l'orizzonte del mare) appaiono capovolti nel cielo, e talvolta appare anche un'immagine diretta dello stesso oggetto sopra. Questo fenomeno è tipico delle regioni fredde, soprattutto quando si verifica una significativa inversione di temperatura, quando uno strato d'aria più caldo si trova sopra lo strato più freddo. Questo effetto ottico si manifesta come risultato di complessi schemi di propagazione del fronte delle onde luminose in strati d'aria con densità non uniforme. Di tanto in tanto si verificano miraggi molto insoliti, soprattutto nelle regioni polari. Quando i miraggi si verificano sulla terra, gli alberi e gli altri componenti del paesaggio sono capovolti. In tutti i casi, gli oggetti nei miraggi superiori sono più chiaramente visibili che in quelli inferiori. Quando il confine di due masse d'aria è un piano verticale, a volte si osservano miraggi laterali.
Il fuoco di Sant'Elmo. Alcuni fenomeni ottici nell'atmosfera (ad esempio il bagliore e il fenomeno meteorologico più comune: i fulmini) sono di natura elettrica. Molto meno comuni sono i fuochi di Sant'Elmo: pennelli luminosi di colore azzurro o viola lunghi da 30 cm a 1 metro o più, di solito sulle cime degli alberi o sulle estremità dei pennoni delle navi in mare. A volte sembra che l'intero sartiame della nave sia ricoperto di fosforo e bagliori. I fuochi di Elmo a volte compaiono sulle cime delle montagne, così come sulle guglie e sugli angoli acuti degli edifici alti. Questo fenomeno è costituito da scariche elettriche a spazzola alle estremità dei conduttori elettrici, quando l'intensità del campo elettrico è notevolmente aumentata nell'atmosfera circostante. I fuochi fatui sono un debole bagliore bluastro o verdastro che a volte si vede nelle paludi, nei cimiteri e nelle cripte. Spesso appaiono come la fiamma di una candela che brucia tranquillamente, senza riscaldamento, sollevata a circa 30 cm dal suolo, sospesa per un momento sopra l'oggetto. La luce sembra essere del tutto sfuggente e, man mano che l'osservatore si avvicina, sembra spostarsi in un altro luogo. La ragione di questo fenomeno è la decomposizione dei residui organici e la combustione spontanea del gas di palude metano (CH4) o fosfina (PH3). Le luci vaganti hanno una forma diversa, a volte anche sferica. Raggio verde: un lampo di luce solare verde smeraldo nel momento in cui l'ultimo raggio di sole scompare sotto l'orizzonte. La componente rossa della luce solare scompare per prima, seguono in ordine tutte le altre e per ultima rimane il verde smeraldo. Questo fenomeno si verifica solo quando solo il bordo estremo del disco solare rimane sopra l'orizzonte, altrimenti si verifica una mescolanza di colori. I raggi crepuscolari sono raggi divergenti di luce solare che diventano visibili quando illuminano la polvere nell'alta atmosfera. Le ombre delle nuvole formano fasce scure e i raggi si propagano tra di loro. Questo effetto si verifica quando il Sole è basso sull'orizzonte prima dell'alba o dopo il tramonto.
- il guscio d'aria del globo che ruota con la Terra. Il limite superiore dell'atmosfera viene convenzionalmente effettuato ad altitudini di 150-200 km. Il limite inferiore è la superficie della Terra.
L’aria atmosferica è una miscela di gas. La maggior parte del suo volume nello strato d'aria superficiale è costituito da azoto (78%) e ossigeno (21%). Inoltre l'aria contiene gas inerti (argon, elio, neon, ecc.), anidride carbonica (0,03), vapore acqueo e varie particelle solide (polvere, fuliggine, cristalli di sale).
L'aria è incolore e il colore del cielo è spiegato dalle peculiarità della dispersione delle onde luminose.
L'atmosfera è composta da diversi strati: troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera.
Viene chiamato lo strato inferiore d'aria troposfera. A diverse latitudini, il suo potere non è lo stesso. La troposfera ripete la forma del pianeta e partecipa insieme alla Terra alla rotazione assiale. All'equatore lo spessore dell'atmosfera varia da 10 a 20 km. All'equatore è maggiore, ai poli è minore. La troposfera è caratterizzata dalla massima densità dell'aria, in essa sono concentrati i 4/5 della massa dell'intera atmosfera. La troposfera determina le condizioni meteorologiche: qui si formano varie masse d'aria, si formano nuvole e precipitazioni e si verifica un intenso movimento d'aria orizzontale e verticale.
Al di sopra della troposfera, fino ad un'altitudine di 50 km, si trova stratosfera.È caratterizzato da una minore densità dell'aria, non contiene vapore acqueo. Nella parte inferiore della stratosfera ad altitudini di circa 25 km. c'è uno "schermo di ozono" - uno strato dell'atmosfera con un'alta concentrazione di ozono, che assorbe la radiazione ultravioletta, che è fatale per gli organismi.
Ad un'altitudine compresa tra 50 e 80-90 km si estende mesosfera. All'aumentare dell'altitudine, la temperatura diminuisce con un gradiente verticale medio di (0,25-0,3)° / 100 m, e la densità dell'aria diminuisce. Il principale processo energetico è il trasferimento di calore radiante. Il bagliore dell'atmosfera è dovuto a complessi processi fotochimici che coinvolgono radicali, molecole eccitate vibrazionalmente.
Termosfera situato ad un'altitudine compresa tra 80-90 e 800 km. La densità dell'aria qui è minima, il grado di ionizzazione dell'aria è molto elevato. La temperatura cambia a seconda dell'attività del sole. A causa del gran numero di particelle cariche, qui si osservano aurore e tempeste magnetiche.
L'atmosfera è di grande importanza per la natura della Terra. Senza ossigeno, gli organismi viventi non possono respirare. Il suo strato di ozono protegge tutti gli esseri viventi dai dannosi raggi ultravioletti. L'atmosfera attenua le fluttuazioni della temperatura: la superficie terrestre non si raffredda eccessivamente di notte e non si surriscalda durante il giorno. Negli strati densi di aria atmosferica, che non raggiungono la superficie del pianeta, i meteoriti bruciano dalle spine.
L'atmosfera interagisce con tutti i gusci della terra. Con il suo aiuto, lo scambio di calore e umidità tra l'oceano e la terra. Senza l'atmosfera non ci sarebbero nuvole, precipitazioni, venti.
Le attività umane hanno un effetto negativo significativo sull’atmosfera. Si verifica l'inquinamento atmosferico, che porta ad un aumento della concentrazione di monossido di carbonio (CO 2). E questo contribuisce al riscaldamento globale e accresce “l’effetto serra”. Lo strato di ozono della Terra viene distrutto a causa dei rifiuti industriali e dei trasporti.
L'atmosfera deve essere protetta. Nei paesi sviluppati viene adottata una serie di misure per proteggere l'aria atmosferica dall'inquinamento.
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L'atmosfera è l'involucro d'aria della Terra. Si estende fino a 3000 km dalla superficie terrestre. Le sue tracce possono essere rintracciate fino ad un'altezza di 10.000 km. A. ha una densità irregolare di 50 5; le sue masse sono concentrate fino a 5 km, 75% - fino a 10 km, 90% - fino a 16 km.
L'atmosfera è costituita da aria, una miscela meccanica di diversi gas.
Azoto(78%) nell'atmosfera svolge il ruolo di diluente dell'ossigeno, regolando la velocità di ossidazione e, di conseguenza, la velocità e l'intensità dei processi biologici. L'azoto è l'elemento principale dell'atmosfera terrestre, che viene continuamente scambiato con la materia vivente della biosfera, e i componenti di quest'ultima sono composti azotati (amminoacidi, purine, ecc.). L'estrazione dell'azoto dall'atmosfera avviene in modo inorganico e biochimico, sebbene siano strettamente correlati. L'estrazione inorganica è associata alla formazione dei suoi composti N 2 O, N 2 O 5 , NO 2 , NH 3 . Si trovano nelle precipitazioni atmosferiche e si formano nell'atmosfera sotto l'azione di scariche elettriche durante i temporali o reazioni fotochimiche sotto l'influenza della radiazione solare.
La fissazione biologica dell'azoto viene effettuata da alcuni batteri in simbiosi con le piante superiori del suolo. L'azoto viene fissato anche da alcuni microrganismi planctonici e alghe nell'ambiente marino. In termini quantitativi, il legame biologico dell'azoto supera la sua fissazione inorganica. Lo scambio di tutto l'azoto presente nell'atmosfera dura circa 10 milioni di anni. L'azoto si trova nei gas di origine vulcanica e nelle rocce ignee. Quando vari campioni di rocce cristalline e meteoriti vengono riscaldati, l'azoto viene rilasciato sotto forma di molecole di N 2 e NH 3. Tuttavia la principale forma di presenza di azoto, sia sulla Terra che sui pianeti terrestri, è di tipo molecolare. L'ammoniaca, entrando nell'atmosfera superiore, viene rapidamente ossidata, rilasciando azoto. Nelle rocce sedimentarie è sepolto insieme alla sostanza organica e si trova in maggiore quantità nei depositi bituminosi. Nel processo di metamorfismo regionale di queste rocce, l'azoto in varie forme viene rilasciato nell'atmosfera terrestre.
Ciclo geochimico dell'azoto (
Ossigeno(21%) è utilizzato dagli organismi viventi per la respirazione, fa parte della materia organica (proteine, grassi, carboidrati). Ozono O3. bloccando le radiazioni ultraviolette pericolose per la vita provenienti dal sole.
L’ossigeno è il secondo gas più abbondante nell’atmosfera e svolge un ruolo estremamente importante in molti processi della biosfera. La forma dominante della sua esistenza è O 2 . Negli strati superiori dell'atmosfera, sotto l'influenza della radiazione ultravioletta, avviene la dissociazione delle molecole di ossigeno e, ad un'altitudine di circa 200 km, il rapporto tra ossigeno atomico e molecolare (O: O 2) diventa pari a 10. Quando queste forme di ossigeno interagiscono nell'atmosfera (ad un'altitudine di 20-30 km), nella cintura dell'ozono (scudo di ozono). L'ozono (O 3) è necessario agli organismi viventi poiché ritarda la maggior parte della radiazione solare ultravioletta che è loro dannosa.
Nelle prime fasi dello sviluppo della Terra, l'ossigeno libero si formava in quantità molto piccole a seguito della fotodissociazione dell'anidride carbonica e delle molecole d'acqua nell'atmosfera superiore. Tuttavia, queste piccole quantità venivano rapidamente consumate nell’ossidazione di altri gas. Con l'avvento degli organismi fotosintetici autotrofi nell'oceano, la situazione è cambiata in modo significativo. La quantità di ossigeno libero nell'atmosfera iniziò ad aumentare progressivamente, ossidando attivamente molti componenti della biosfera. Pertanto, le prime porzioni di ossigeno libero hanno contribuito principalmente alla transizione delle forme ferrose di ferro in ossido e dei solfuri in solfati.
Alla fine, la quantità di ossigeno libero nell'atmosfera terrestre ha raggiunto una certa massa e si è rivelata equilibrata in modo tale che la quantità prodotta è diventata uguale alla quantità assorbita. Nell'atmosfera è stata stabilita una relativa costanza del contenuto di ossigeno libero.
Ciclo geochimico dell'ossigeno (V.A. Vronskij, G.V. Voitkevich)
Diossido di carbonio, va alla formazione della materia vivente, e insieme al vapore acqueo crea il cosiddetto "effetto serra (serra)".
Carbonio (anidride carbonica): la maggior parte dell'atmosfera è sotto forma di CO 2 e molto meno sotto forma di CH 4. L'importanza della storia geochimica del carbonio nella biosfera è eccezionalmente grande, poiché fa parte di tutti gli organismi viventi. All'interno degli organismi viventi predominano le forme ridotte di carbonio e, nell'ambiente della biosfera, quelle ossidate. Si stabilisce così lo scambio chimico del ciclo vitale: CO 2 ↔ materia vivente.
La fonte primaria di anidride carbonica nella biosfera è l'attività vulcanica associata al degassamento secolare del mantello e degli orizzonti inferiori della crosta terrestre. Parte di questa anidride carbonica deriva dalla decomposizione termica di antichi calcari in varie zone metamorfiche. La migrazione della CO 2 nella biosfera procede in due modi.
Il primo modo si esprime nell'assorbimento di CO 2 nel processo di fotosintesi con formazione di sostanze organiche e successivo seppellimento in condizioni riducenti favorevoli nella litosfera sotto forma di torba, carbone, petrolio, scisti bituminosi. Secondo il secondo metodo, la migrazione del carbonio porta alla creazione di un sistema carbonatico nell'idrosfera, dove la CO 2 si trasforma in H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Quindi, con la partecipazione del calcio (meno spesso magnesio e ferro), la precipitazione dei carbonati avviene in modo biogenico e abiogenico. Appaiono spessi strati di calcari e dolomiti. Secondo A.B. Ronov, il rapporto tra carbonio organico (Corg) e carbonio carbonato (Ccarb) nella storia della biosfera era 1:4.
Insieme al ciclo globale del carbonio, esistono numerosi cicli minori. Quindi, sulla terra, le piante verdi assorbono CO 2 per il processo di fotosintesi durante il giorno e di notte la rilasciano nell'atmosfera. Con la morte degli organismi viventi sulla superficie terrestre, la materia organica viene ossidata (con la partecipazione di microrganismi) con rilascio di CO 2 nell'atmosfera. Negli ultimi decenni, un posto speciale nel ciclo del carbonio è stato occupato dalla massiccia combustione di combustibili fossili e dall’aumento del loro contenuto nell’atmosfera moderna.
Ciclo del carbonio in un involucro geografico (secondo F. Ramad, 1981)
Argon- il terzo gas atmosferico più comune, che lo distingue nettamente dagli altri gas inerti estremamente rari. Tuttavia, l’argon nella sua storia geologica condivide il destino di questi gas, che sono caratterizzati da due caratteristiche:
- l'irreversibilità del loro accumulo nell'atmosfera;
- stretta associazione con il decadimento radioattivo di alcuni isotopi instabili.
I gas inerti sono al di fuori della circolazione della maggior parte degli elementi ciclici nella biosfera terrestre.
Tutti i gas inerti possono essere suddivisi in primari e radiogenici. I primari sono quelli che furono catturati dalla Terra durante la sua formazione. Sono estremamente rari. La parte primaria dell'argon è rappresentata principalmente dagli isotopi 36 Ar e 38 Ar, mentre l'argon atmosferico è costituito interamente dall'isotopo 40 Ar (99,6%), che è indubbiamente radiogenico. Nelle rocce contenenti potassio, l'argon radiogenico si accumula a causa del decadimento del potassio-40 per cattura elettronica: 40 K + e → 40 Ar.
Pertanto, il contenuto di argon nelle rocce è determinato dalla loro età e dalla quantità di potassio. In questo senso, la concentrazione di elio nelle rocce è funzione della loro età e del contenuto di torio e uranio. L'argon e l'elio vengono rilasciati nell'atmosfera dall'interno della terra durante le eruzioni vulcaniche, attraverso le fessure della crosta terrestre sotto forma di getti di gas e anche durante l'erosione delle rocce. Secondo i calcoli di P. Dimon e J. Culp, nell'era moderna l'elio e l'argon si accumulano nella crosta terrestre ed entrano nell'atmosfera in quantità relativamente piccole. Il tasso di ingresso di questi gas radiogeni è così basso che durante la storia geologica della Terra non è stato in grado di fornire il loro contenuto osservato nell'atmosfera moderna. Pertanto, resta da supporre che la maggior parte dell'argon dell'atmosfera provenisse dalle viscere della Terra nelle prime fasi del suo sviluppo, e una parte molto più piccola sia stata aggiunta successivamente nel processo di vulcanismo e durante l'erosione del potassio- contenenti rocce.
Pertanto, durante il periodo geologico, l'elio e l'argon hanno avuto processi di migrazione diversi. C'è pochissimo elio nell'atmosfera (circa 5 * 10 -4%) e il "respiro di elio" della Terra era più leggero, poiché, essendo il gas più leggero, è fuggito nello spazio. E il "respiro dell'argon" è pesante e l'argon è rimasto nel nostro pianeta. La maggior parte dei gas primari inerti, come il neon e lo xeno, erano associati al neon primario catturato dalla Terra durante la sua formazione, nonché al rilascio nell'atmosfera durante il degasaggio del mantello. La totalità dei dati sulla geochimica dei gas nobili indica che l'atmosfera primaria della Terra è nata nelle prime fasi del suo sviluppo.
L'atmosfera contiene vapore acqueo E acqua allo stato liquido e solido. L’acqua nell’atmosfera è un importante accumulatore di calore.
Gli strati inferiori dell'atmosfera contengono una grande quantità di polvere e aerosol minerali e tecnogenici, prodotti di combustione, sali, spore e polline di piante, ecc.
Fino ad un'altezza di 100-120 km, a causa del completo mescolamento dell'aria, la composizione dell'atmosfera è omogenea. Il rapporto tra azoto e ossigeno è costante. In alto predominano i gas inerti, l'idrogeno, ecc .. Negli strati inferiori dell'atmosfera è presente il vapore acqueo. Allontanandosi dalla terra il suo contenuto diminuisce. In alto, il rapporto tra i gas cambia, ad esempio, a un'altitudine di 200-800 km, l'ossigeno prevale sull'azoto di 10-100 volte.
L'aria atmosferica è costituita da azoto (77,99%), ossigeno (21%), gas inerti (1%) e anidride carbonica (0,01%). La percentuale di anidride carbonica aumenta nel tempo a causa del fatto che i prodotti della combustione del carburante vengono rilasciati nell'atmosfera e, inoltre, diminuisce l'area delle foreste che assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno.
L'atmosfera contiene anche una piccola quantità di ozono, che si concentra ad un'altitudine di circa 25-30 km e forma il cosiddetto strato di ozono. Questo strato crea una barriera alla radiazione solare ultravioletta, pericolosa per gli organismi viventi della Terra.
Inoltre, l'atmosfera contiene vapore acqueo e varie impurità: particelle di polvere, ceneri vulcaniche, fuliggine e così via. La concentrazione di impurità è maggiore vicino alla superficie della terra e in alcune aree: sulle grandi città, nei deserti.
Troposfera- inferiore, contiene la maggior parte dell'aria e. L'altezza di questo strato non è la stessa: da 8-10 km vicino ai tropici a 16-18 km vicino all'equatore. nella troposfera diminuisce con l'altitudine: di 6°C per chilometro. Il tempo si forma nella troposfera, si formano venti, precipitazioni, nuvole, cicloni e anticicloni.
Lo strato successivo dell'atmosfera è stratosfera. L'aria al suo interno è molto più rarefatta, ha molto meno vapore acqueo. La temperatura nella parte inferiore della stratosfera è di -60 - -80°C e diminuisce con l'aumentare dell'altitudine. Lo strato di ozono si trova nella stratosfera. La stratosfera è caratterizzata da velocità del vento elevate (fino a 80-100 m/s).
Mesosfera- lo strato medio dell'atmosfera che si trova sopra la stratosfera ad altitudini comprese tra 50 e S0-S5 km. La mesosfera è caratterizzata da una diminuzione della temperatura media con altezza da 0°C al limite inferiore a -90°C al limite superiore. Vicino al limite superiore della mesosfera si osservano nubi nottilucenti, illuminate dal sole di notte. La pressione dell'aria al limite superiore della mesosfera è 200 volte inferiore a quella della superficie terrestre.
Termosfera- situato sopra la mesosfera, ad altitudini da SO a 400-500 km, in essa la temperatura dapprima lentamente, poi riprende a salire rapidamente. Il motivo è l'assorbimento della radiazione ultravioletta proveniente dal Sole ad altitudini di 150-300 km. Nella termosfera la temperatura aumenta continuamente fino ad un'altezza di circa 400 km, dove raggiunge i 700-1500°C (a seconda dell'attività solare). Sotto l'azione dei raggi ultravioletti, dei raggi X e delle radiazioni cosmiche, si verifica anche la ionizzazione dell'aria ("luci polari"). Le principali regioni della ionosfera si trovano all'interno della termosfera.
Esosfera- lo strato esterno e più rarefatto dell'atmosfera, inizia ad altitudini di 450-000 km e il suo confine superiore si trova a una distanza di diverse migliaia di km dalla superficie terrestre, dove la concentrazione di particelle diventa la stessa di quella interplanetaria spazio. L'esosfera è costituita da gas ionizzato (plasma); le parti inferiore e media dell'esosfera sono composte principalmente da ossigeno e azoto; con l'aumentare dell'altitudine, la concentrazione relativa dei gas leggeri, soprattutto dell'idrogeno ionizzato, aumenta rapidamente. La temperatura nell'esosfera è di 1300-3000°C; cresce lentamente con l'altezza. L'esosfera contiene le cinture di radiazione della Terra.
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