Атмосфера Земли - презентация

1 ПОДГОТОВИЛИ СТУДЕНТЫ 1-ГО КУРСА ФОМ 28-2 ГРУППЫ: ОМАР ЕЛМУРАТ, КАЛМАКОВА АЛИНА. Атмосфера

2 Что такое атмосфера? Атмосфера газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку не существует резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством, то обычно атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое. Толщина атмосферы некоторых планет, состоящих в основном из газов (газовые планеты), может быть очень большой. Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода, потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая её обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения и метеоритов.

3 Атмосферное давление Атмосферное давление это физическая величина, численно равная силе, действующей в атмосфере на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к планете. В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях. В средствах массовой информации давление атмосферы характеризуется также в миллиметрах ртутного столба. При «нормальных условиях», согласно Международной стандартной атмосфере, давление воздуха на среднем уровне моря при температуре 15 °C принято равным Па или 760 мм рт. ст. Давление атмосферы уменьшается с высотой в соответствии с барометрической формулой.

4 Состав Атмосферы Начальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и температурных свойств солнца в период формирования планет и последующего выхода внешних газов. Затем состав газовой оболочки эволюционирует под действием различных факторов. Атмосфера Венеры и Марса в основном состоят из диоксида углерода с небольшими добавлениями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени является продуктом живущих в ней организмов. Приблизительный состав атмосферы Земли: 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, изменяющееся количество водяного пара (в среднем около 1 %), 0,93 % аргона, 0,038 % диоксида углерода, и небольшое количество водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

5 Состав Атмосферы

6 Состав атмосферы Азот Образование большого количества азота N 2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О 2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы. Кислород Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа. Углекислый газ Содержание в атмосфере СО 2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Благородные газы Источник инертных газов аргона, гелия и криптона вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространствоаргонагелиякриптона

7 Что такое воздух? Воздух естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода % в сумме, а также аргона, углекислого газа, воды, водорода), образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования на Земле живых организмов. Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха, используя метод сжижения, добывают инертные газы. Состав воздуха может меняться: в крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах; в горах пониженное содержание кислорода, вследствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. В различных частях земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа

8 История образования атмосферы Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера. На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера. Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами: утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство; химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов. Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

9 Граница атмосферы Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое; при таком определении атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере, начинающейся на высоте около 1000 км от поверхности Земли, граница атмосферы также может условно проводиться по высоте в 1300 км. По определению, предложенному Международной Авиационной Федерацией, граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана, расположенной на высоте около 100 км, выше которой аэронавтика становится полностью невозможной. NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 километра; недавние эксперименты уточняют границу атмосферы Земли и ионосферы, как находящуюся на высоте 118 километров

10 Строение атмосферы Планетарный пограничный слой («пограничный слой атмосферы», «слой трения») нижний слой газовой оболочки планеты, свойства и динамика которого в значительной мере определяются взаимодействием с твёрдой (или жидкой) поверхностью планеты (так называемой «подстилающей поверхностью»). Благодаря молекулярному взаимодействию, действию вязкости происходит «прилипание» газа к поверхности, над которой он движется. Пограничный слой атмосферы является той частью тропосферы, которая подвержена суточным вариациям. При обычных условиях на Земле толщина планетарного пограничного слоя составляет примерно 1 3 км. Свойствами планетарного пограничного слоя в значительной мере определяются вертикальные турбулентные потоки тепла, влаги и количества движения а также локальные вертикальные упорядоченные токи (конвективные явления) благодаря которым и осуществляется динамическое и термическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. В свою очередь, в планетарном пограничном слое выделяют три слоя:

11 Строение атмосферы Слой шероховатости. Действие вязкости воздуха на динамику пограничного слоя существенно зависит от шероховатости подстилающей поверхности. Относятся моделирование потока внутри растительного покрова, внутри городской застройки, в переходном волновом слое между атмосферой и океаном. В таких задачах форма поверхности, являющейся границей потока, является и случайной и подвижной. Приземный слой Нижняя часть пограничного слоя атмосферы, толщиной м, называется «приземный слой атмосферы». В этом слое при стационарных условиях наблюдается баланс силы барического градиента и силы турбулентного трения, а вертикальные турбулентные потоки тепла и количества примерно постоянны по высоте. В таком приближении уравнения гидродинамики можно свести к простому решению, с которого и началась теория пограничного слоя атмосферы. Слой Экмана По мере удаления от подстилающей поверхности роль силы трения падает, скорость ветра быстро увеличивается с высотой и, связанная с ней сила Кориолиса, усиливает своё влияние. В результате совместного действия трёх сил (силы трения, силы Кориолиса и силы барического градиента) ветер поворачивает с высотой по спирали на угол ~ 20° 40° в сторону направления геострофического ветра. Поворот ветра с высотой в пограничном слое атмосферы называется «спираль Экмана».

12 Строение атмосферы Тропосфера нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 810 км, в умеренных широтах до 1012 км, на экваторе 1618 км. При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 градуса через каждые 100 м. Верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопаузой. В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией. Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосфера.

13 Строение атмосферы Тропопауза слой атмосферы, в котором происходит резкое снижение вертикального температурного градиента, переходный слой между тропосферой и стратосферой. В тропосфере температура воздуха уменьшается с высотой примерно на 0,50,7 °С на 100 м. В 1902 году Леон Тейсерен де Бор обнаружил, что на некоторой высоте температура воздуха перестает понижаться и далее, с увеличением высоты, начинает повышаться. Он назвал эту границу «тропопаузой», и изобрел термины «стратосфера» – для атмосферы, которая находится выше границы, и «тропосфера» – для нижнего слоя. Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 23 километров. В земной атмосфере высоты и температуры тропопаузы зависят от географической широты и подвержены сезонным и суточным колебаниям вследствие изменений инсоляции. В полярных районах тропопауза расположена на высотах 810 км (над уровнем моря), её температура составляет в умеренных зонах на высотах км, и K в тропиках, на высотах 1618 км. В высоких и умеренных широтах тропопауза в зимний сезон на 1-2 км ниже и на 8-15 К теплее, чем в летний период; в тропических широтах сезонные колебания параметров тропопаузы значительно меньше. В областях вне тропических струйных течений разрывы тропопаузы, как правило отсутствуют. Высота тропопаузы также подвержена непериодическим изменениям при синоптических процессах она снижается над циклонами и холодными воздушными массами и повышается над антициклонами и теплыми воздушными массами. В 1980-х годах, космический аппарат NASA обнаружил, что тропопаузы характерны и для таких планет, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, а также для спутника Сатурна Титана. Интересно, что эта невидимая граница проходит на одном и том же уровне в атмосфере этих, таких разных, миров – там, где давление составляет около 0.1 бар, или одну десятую давления на поверхности Земли.

14 Строение атмосферы Стратосфера слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 1125 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 2540 км от 56,5С до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 0 °C, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше, чем на уровне моря. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 1520 до км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О 3 ) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,74,0 мм. В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений. В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют на атомы. В стратосфере почти нет водяного пара. Стратопауза слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы около 0 °C. Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу. На Земле стратопауза находится на высоте км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря.

15 Строение атмосферы Мезосфера слой атмосферы на высотах от 4050 до 8090 км. Характеризуется понижением температуры с высотой; максимум (0°C) температуры расположен на нижней границе, после чего температура начинает убывать до 70° или 80°C вблизи мезопаузы переходного слоя к термосфере. Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоёв, постоянен и содержит около 80 % азота и 20 % кислорода. Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой. Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере. Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты (на высоте 50 км плотность воздуха в 1000 раз меньше, чем на уровне моря), и в то же время слишком плотен для полётов искусственных спутников на такой низкой орбите. Прямые исследования мезосферы проводятся в основном с помощью суборбитальных метеорологических ракет; в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы, в связи с чем учёные прозвали её «игноросферой».

16 Строение атмосферы Мезопауза - слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 8090 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около 100 °C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

17 Строение атмосферы Линия Кармана высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 километров над уровнем моря. Название высота получила по имени американского ученого Теодора фон Кармана. Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

18 Строение атмосферы Термосфера слой атмосферы следующий за мезосферой. Начинается на высоте 8090 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьировать от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности. Причиной является поглощение ультрафиолетового излучения Солнца на высотах км, обусловленное ионизацией атмосферного кислорода. В нижней части термосферы рост температуры в сильной мере обусловлен энергией, выделяющейся при объединении (рекомбинации) атомов кислорода в молекулы О2. Термопауза верхний слой атмосферы планеты, расположенный над термосферой, характеризующийся переходом к постоянной температуре (с увеличением расстояния от планеты). Выше расположена экзосфера. Расположение термопаузы зависит от уровня солнечной активности и может колебаться от 400 до 800 километров. Температура составляет K в зависимости от времени суток и солнечной активности. Постоянство температуры означает, что выше нет заметных источников энергии, кроме солнечного излучения. Поглощение незначительное, поэтому поступление тепла мало изменяется с высотой.

19 Строение атмосферы Экзосфера самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет, характеризующаяся низкой концентрацией нейтральных атомов. Нижняя граница экзосферы экзобаза определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений. Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы. Корона Земли (геокорона) распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км, а корона Венеры до 200 тыс.км.

20 Итог На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы около 20 %; масса мезосферы не более 0,3 %, термосферы менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

21 Свойства атмосферы влияющие на организм человека Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород. Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода. В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст. На высоте около 1920 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 1519 км.

22 Загрязнение атмосферы Загрязнение атмосферы Земли принесение в атмосферный воздух новых, нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение их естественной концентрации.

23 Виды загрязнения По источникам загрязнения: естественное антропогенное По характеру загрязнения атмосферы: физическое механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы),электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны) и тепловое загрязнение (например, выбросы тёплого воздуха и т. п.) химическое загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды,альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы биологическое в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.

24 Источники загрязнения Основными источниками загрязнения атмосферы являются: Природные (естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относят извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльцу растений, выделения животных и др.) Искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп: Транспортные загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта; Производственные загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении; Бытовые загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов. По масштабу антропогенные загрязнения делятся на: o 1. Местное o 2. Региональное o 3. Глобальное По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы также можно разделить на несколько групп: Механические загрязнители пыль цементных заводов, пыль от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, истирающиеся автопокрышки и т. д.; Химические загрязнители пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции; Радиоактивные загрязнители

25 Борьба с загрязнением В целях борьбы с загрязнением атмосферы, и в частности с целью уменьшения выброса углекислого газа многими странами в 1997 году был подписан Киотский протокол. Киотский протокол международное соглашение, дополнительный документ к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (1992), принятое в Киото (Япония) в декабре 1997 года. К началу 2005 г. Киотский протокол ратифицировали 124 государств, после чего он вступил в силу. Оно обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов. В 2002 г. Был принят Закон РК «Об охране атмосферного воздуха»

26 Озоновый слой Озоновый слой часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических широтах 2530 км, в умеренных 2025, в полярных 1520), с наибольшим содержанием озона (вещества, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода, О 3 ), образующегося в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород (О 2 ). При этом с наибольшей интенсивностью, именно благодаря процессам диссоциации кислорода, атомы которого затем образуют озон, происходит поглощение ближней (к видимому свету) части ультрафиолета солнечного спектра. Кроме того, диссоциация озона под воздействием ультрафиолетового излучения приводит к поглощению наиболее жесткой его части.

27 Озоновые дыры Озоновая дыра это локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и фторсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя

28 Парниковый эффект Парниковый эффект повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Антипарниковый эффект атмосферный эффект, производящий противоположное парниковому эффекту действие, а именно охлаждающий поверхность небесного тела. В отличие от парникового эффекта, в данном случае атмосфера хорошо поглощает солнечное излучение, однако пропускает инфракрасное от поверхности. В совокупности это приводит к охлаждению поверхности.

29

30 Заключение Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая формировалась несколько миллиардов лет. Атмосфера дает нам жизнь. Под жизнью я могу сказать, что: 1. Кислород 2. Озоновый слой 3. Парциальное давление 4. Регулятор температуры и многое др.

31

32 Меркурий Венера Земля Марс Юпитер

33 Спасибо за внимание!!!