Plin u zemljinoj atmosferi. Slojevi atmosfere poredani od površine zemlje. Promjena aurore

Atmosfera je ono što omogućuje život na Zemlji. Dobivamo prve informacije i činjenice o atmosferi tamo osnovna škola. U srednjoj školi se s ovim konceptom bliže upoznajemo na nastavi geografije.

Pojam zemljine atmosfere

Ne samo Zemlja, nego i druga nebeska tijela imaju atmosferu. Ovo je naziv za plinoviti omotač koji okružuje planete. Sastav ovog plinskog sloja značajno varira od planeta do planeta. Pogledajmo osnovne informacije i činjenice o drugačije nazvanom zraku.

Njegov najvažniji sastojak je kisik. Neki ljudi pogrešno misle da se zemljina atmosfera u potpunosti sastoji od kisika, ali zapravo je zrak mješavina plinova. Sadrži 78% dušika i 21% kisika. Preostalih jedan posto uključuje ozon, argon, ugljični dioksid i vodenu paru. Iako je postotak ovih plinova mali, oni obavljaju važnu funkciju - apsorbiraju značajan dio sunčeve energije zračenja, čime sprječavaju svjetiljku da sav život na našem planetu pretvori u pepeo. Svojstva atmosfere mijenjaju se ovisno o nadmorskoj visini. Na primjer, na visini od 65 km, dušik je 86%, a kisik 19%.

Sastav Zemljine atmosfere

  • Ugljični dioksid neophodni za ishranu biljaka. U atmosferi se pojavljuje kao rezultat procesa disanja živih organizama, truljenja i izgaranja. Njegov nedostatak u atmosferi onemogućio bi postojanje bilo koje biljke.
  • Kisik- vitalna komponenta atmosfere za ljude. Njegovo prisustvo uvjet je postojanja svih živih organizama. Čini oko 20% ukupnog volumena atmosferskih plinova.
  • Ozon prirodni je apsorber sunčevog ultraljubičastog zračenja koje štetno djeluje na žive organizme. Najveći dio čini zaseban sloj atmosfere - ozonski ekran. Nedavno je ljudska aktivnost dovela do toga da se postupno počinje urušavati, ali budući da je od velike važnosti, aktivno se radi na njegovom očuvanju i obnovi.
  • vodena para određuje vlažnost zraka. Njegov sadržaj može varirati ovisno o različitim čimbenicima: temperaturi zraka, teritorijalnom položaju, sezoni. Na niskim temperaturama vodene pare u zraku ima vrlo malo, možda manje od jedan posto, a na visokim temperaturama njezina količina doseže 4%.
  • Uz sve navedeno, sastav zemljine atmosfere uvijek sadrži određeni postotak čvrste i tekuće nečistoće. Ovo je čađa, pepeo, morska sol, prašina, kapljice vode, mikroorganizmi. Mogu dospjeti u zrak prirodnim i antropogenim putem.

Slojevi atmosfere

Temperatura, gustoća i kvalitetni sastav zraka nisu isti na različitim nadmorskim visinama. Zbog toga je uobičajeno razlikovati različite slojeve atmosfere. Svaki od njih ima svoje karakteristike. Otkrijmo koji se slojevi atmosfere razlikuju:

  • Troposfera - ovaj sloj atmosfere je najbliži površini Zemlje. Njegova visina je 8-10 km iznad polova i 16-18 km u tropima. Ovdje se nalazi 90% sve vodene pare u atmosferi, pa dolazi do aktivnog stvaranja oblaka. Također se u ovom sloju promatraju procesi poput kretanja zraka (vjetra), turbulencije i konvekcije. Temperature se kreću od +45 stupnjeva u podne u toploj sezoni u tropima do -65 stupnjeva na polovima.
  • Stratosfera je drugi najudaljeniji sloj atmosfere. Nalazi se na nadmorskoj visini od 11 do 50 km. U donjem sloju stratosfere temperatura je približno -55; udaljavajući se od Zemlje penje se na +1˚S. Ovo područje se naziva inverzija i granica je stratosfere i mezosfere.
  • Mezosfera se nalazi na visini od 50 do 90 km. Temperatura na donjoj granici je oko 0, a na gornjoj doseže -80...-90 ˚S. Meteoriti koji ulaze u Zemljinu atmosferu potpuno izgaraju u mezosferi, uzrokujući da se ovdje pojavljuju žarenja zraka.
  • Termosfera je debela otprilike 700 km. U ovom sloju atmosfere pojavljuje se sjeverno svjetlo. Nastaju zbog utjecaja kozmičkog zračenja i zračenja Sunca.
  • Egzosfera je zona disperzije zraka. Ovdje je koncentracija plinova mala i oni postupno bježe u međuplanetarni prostor.

Smatra se da je granica između zemljine atmosfere i svemira 100 km. Ova se linija naziva Karmanova linija.

Atmosferski pritisak

Kada slušamo vremensku prognozu, često čujemo očitanja barometarskog tlaka. Ali što znači atmosferski tlak i kako on može utjecati na nas?

Shvatili smo da se zrak sastoji od plinova i nečistoća. Svaka od ovih komponenti ima svoju težinu, što znači da atmosfera nije bestežinska, kako se vjerovalo do 17. stoljeća. Atmosferski tlak je sila kojom svi slojevi atmosfere pritišću površinu Zemlje i sve objekte.

Znanstvenici su izvršili složene izračune i dokazali da atmosfera pritišće silom od 10.333 kg po kvadratnom metru površine. To znači da je ljudsko tijelo izloženo pritisku zraka, čija je težina 12-15 tona. Zašto to ne osjećamo? Spašava nas unutarnji pritisak, koji uravnotežuje vanjski. Pritisak atmosfere možete osjetiti dok ste u zrakoplovu ili visoko u planinama, budući da je atmosferski tlak na visini mnogo manji. U tom slučaju moguća je fizička nelagoda, začepljenost ušiju i vrtoglavica.

Mnogo toga se može reći o atmosferi koja ga okružuje. Znamo mnogo zanimljivih činjenica o njoj, a neke od njih mogu djelovati iznenađujuće:

  • Težina zemljine atmosfere je 5 300 000 000 000 000 tona.
  • Pospješuje prijenos zvuka. Na visini većoj od 100 km ovo svojstvo nestaje zbog promjena u sastavu atmosfere.
  • Kretanje atmosfere izazvano je neravnomjernim zagrijavanjem Zemljine površine.
  • Za određivanje temperature zraka koristi se termometar, a za određivanje tlaka atmosfere barometar.
  • Prisutnost atmosfere spašava naš planet od 100 tona meteorita svaki dan.
  • Sastav zraka bio je fiksan nekoliko stotina milijuna godina, ali se počeo mijenjati s početkom brze industrijske aktivnosti.
  • Vjeruje se da se atmosfera proteže do visine od 3000 km.

Važnost atmosfere za čovjeka

Fiziološka zona atmosfere je 5 km. Na nadmorskoj visini od 5000 m nadmorske visine, osoba počinje osjećati gladovanje kisikom, što se izražava u smanjenju njegove učinkovitosti i pogoršanju dobrobiti. To pokazuje da čovjek ne može preživjeti u prostoru u kojem nema te nevjerojatne mješavine plinova.

Sve informacije i činjenice o atmosferi samo potvrđuju njezinu važnost za ljude. Zahvaljujući njegovoj prisutnosti, postalo je moguće razviti život na Zemlji. Već danas, procijenivši razmjere štete koju je čovječanstvo svojim djelovanjem sposobno nanijeti životvornom zraku, treba razmišljati o daljnjim mjerama za očuvanje i obnovu atmosfere.

Plinoviti omotač koji okružuje naš planet Zemlju, poznat kao atmosfera, sastoji se od pet glavnih slojeva. Ovi slojevi potječu s površine planeta, od razine mora (ponekad ispod) i dižu se u svemir sljedećim slijedom:

  • Troposfera;
  • Stratosfera;
  • mezosfera;
  • termosfera;
  • Egzosfera.

Dijagram glavnih slojeva Zemljine atmosfere

Između svakog od ovih glavnih pet slojeva nalaze se prijelazne zone koje se nazivaju "pauze" gdje se događaju promjene u temperaturi, sastavu i gustoći zraka. Zajedno s pauzama, Zemljina atmosfera uključuje ukupno 9 slojeva.

Troposfera: mjesto gdje se pojavljuju vremenske prilike

Od svih slojeva atmosfere, troposfera je ona koja nam je najpoznatija (svjesni toga ili ne), budući da živimo na njenom dnu - površini planeta. Ona obavija površinu Zemlje i proteže se prema gore nekoliko kilometara. Riječ troposfera znači "promjena globusa". Vrlo prikladan naziv, budući da je ovaj sloj mjesto gdje se događa naše svakodnevno vrijeme.

Počevši od površine planeta, troposfera se diže do visine od 6 do 20 km. Donja trećina sloja, nama najbliža, sadrži 50% svih atmosferskih plinova. Ovo je jedini dio cijele atmosfere koji diše. Zbog činjenice da se zrak zagrijava odozdo od strane zemlje, koja apsorbira toplinsku energiju Sunca, temperatura i tlak troposfere opadaju s povećanjem nadmorske visine.

Na vrhu se nalazi tanki sloj koji se naziva tropopauza, a koji je samo tampon između troposfere i stratosfere.

Stratosfera: dom ozona

Stratosfera je sljedeći sloj atmosfere. Prostire se od 6-20 km do 50 km iznad površine Zemlje. Ovo je sloj u kojem leti većina komercijalnih zrakoplova i putuju baloni na vrući zrak.

Ovdje zrak ne struji gore-dolje, već se kreće paralelno s površinom u vrlo brzim zračnim strujanjima. Kako se dižete, temperatura raste, zahvaljujući obilju prirodnog ozona (O3), nusproizvoda sunčevog zračenja i kisika, koji ima sposobnost apsorbiranja štetnih ultraljubičastih zraka sunca (svako povećanje temperature s visinom u meteorologiji je poznato kao "inverzija") .

Budući da stratosfera ima toplije temperature pri dnu i niže temperature pri vrhu, konvekcija (vertikalno kretanje zračnih masa) je rijetka u ovom dijelu atmosfere. Zapravo, iz stratosfere možete vidjeti oluju koja bjesni u troposferi jer sloj djeluje kao konvekcijska kapa koja sprječava prodor olujnih oblaka.

Nakon stratosfere opet postoji tamponski sloj, ovaj put nazvan stratopauza.

Mezosfera: srednja atmosfera

Mezosfera se nalazi otprilike 50-80 km od površine Zemlje. Gornja mezosfera je najhladnije prirodno mjesto na Zemlji, gdje temperature mogu pasti ispod -143°C.

Termosfera: gornja atmosfera

Nakon mezosfere i mezopauze dolazi termosfera koja se nalazi između 80 i 700 km iznad površine planeta i sadrži manje od 0,01% ukupnog zraka u atmosferskom omotaču. Temperature ovdje dosežu i do +2000° C, ali zbog ekstremne rijetkosti zraka i nedostatka molekula plina za prijenos topline, te se visoke temperature percipiraju kao vrlo niske.

Egzosfera: granica između atmosfere i svemira

Na visini od oko 700-10 000 km iznad zemljine površine nalazi se egzosfera - vanjski rub atmosfere, koji graniči sa svemirom. Ovdje meteorološki sateliti kruže oko Zemlje.

Što je s ionosferom?

Ionosfera nije zaseban sloj, već se taj izraz zapravo koristi za označavanje atmosfere između 60 i 1000 km nadmorske visine. Obuhvaća najviše gornje dijelove mezosfere, cijelu termosferu i dio egzosfere. Ionosfera je dobila ime jer je u ovom dijelu atmosfere zračenje Sunca ionizirano kada prolazi kroz Zemljina magnetska polja na i. Ovaj fenomen se promatra sa zemlje kao polarna svjetlost.

Točna veličina atmosfere je nepoznata, jer njena gornja granica nije jasno vidljiva. Međutim, struktura atmosfere dovoljno je proučena da svatko može dobiti predodžbu o tome kako je strukturiran plinoviti omotač našeg planeta.

Znanstvenici koji proučavaju fiziku atmosfere definiraju je kao područje oko Zemlje koje rotira s planetom. FAI daje sljedeće definicija:

  • Granica između svemira i atmosfere ide duž Karmanove linije. Ova linija, prema definiciji iste organizacije, je nadmorska visina koja se nalazi na nadmorskoj visini od 100 km.

Sve iznad ove linije je svemir. Atmosfera se postupno seli u međuplanetarni prostor, zbog čega postoje različita mišljenja o njezinoj veličini.

S donjom granicom atmosfere sve je mnogo jednostavnije - ona prolazi duž površine zemljine kore i vodene površine Zemlje - hidrosfere. U ovom slučaju granica se, moglo bi se reći, stapa sa zemljom i vodenim površinama, budući da su čestice tamo i otopljene čestice zraka.

Koji slojevi atmosfere ulaze u veličinu Zemlje?

Zanimljiva činjenica: zimi je niža, ljeti viša.

U tom sloju nastaju turbulencije, anticiklone i ciklone te nastaju oblaci. Upravo je ova sfera odgovorna za formiranje vremena, u njoj se nalazi oko 80% svih zračnih masa.

Tropopauza je sloj u kojem temperatura ne opada s visinom. Iznad tropopauze, na visini iznad 11 i do 50 km, nalazi se stratosfera. Stratosfera sadrži sloj ozona za koji je poznato da štiti planet od ultraljubičastih zraka. Zrak u ovom sloju je rijedak, što objašnjava karakterističnu ljubičastu nijansu neba. Brzina strujanja zraka ovdje može doseći 300 km/h. Između stratosfere i mezosfere nalazi se stratopauza – granična sfera u kojoj se javlja temperaturni maksimum.

Sljedeći sloj je mezosfera. Prostire se na visine od 85-90 kilometara. Boja neba u mezosferi je crna, pa se zvijezde mogu promatrati čak i ujutro i poslijepodne. Tu se odvijaju najsloženiji fotokemijski procesi pri kojima dolazi do sjaja atmosfere.

Između mezosfere i sljedećeg sloja, termosfere, nalazi se mezopauza. Definira se kao prijelazni sloj u kojem se uočava temperaturni minimum. Više gore, na nadmorskoj visini od 100 kilometara, nalazi se Karmanova linija. Iznad ove crte nalaze se termosfera (visinska granica 800 km) i egzosfera, koja se također naziva "zona disperzije". Na visini od otprilike 2-3 tisuće kilometara prelazi u blizak svemirski vakuum.

S obzirom da gornji sloj atmosfere nije jasno vidljiv, njegovu točnu veličinu nemoguće je izračunati. Osim toga, u različitim zemljama postoje organizacije koje imaju različita mišljenja o ovom pitanju. Treba napomenuti da Karmanova linija može se smatrati granicom zemljine atmosfere samo uvjetno, budući da različiti izvori koriste različite granične oznake. Tako u nekim izvorima možete pronaći informacije da gornja granica prolazi na nadmorskoj visini od 2500-3000 km.

NASA koristi oznaku od 122 kilometra za izračune. Nedavno su provedeni eksperimenti koji su razjasnili da se granica nalazi na oko 118 km.

ATMOSFERA
plinoviti omotač koji okružuje nebesko tijelo. Njegove karakteristike ovise o veličini, masi, temperaturi, brzini rotacije i kemijskom sastavu datog nebesko tijelo, a također su određeni poviješću njegova formiranja počevši od trenutka njegova nastanka. Zemljina atmosfera sastoji se od mješavine plinova koja se naziva zrak. Njegove glavne komponente su dušik i kisik u omjeru približno 4:1. Na osobu uglavnom utječe stanje donjih 15-25 km atmosfere, budući da je u tom donjem sloju koncentrirana većina zraka. Znanost koja proučava atmosferu naziva se meteorologija, iako je predmet ove znanosti i vrijeme i njegov utjecaj na čovjeka. Mijenja se i stanje gornjih slojeva atmosfere koji se nalaze na visinama od 60 do 300 pa čak i 1000 km od površine Zemlje. Ovdje se razvijaju jaki vjetrovi, oluje i nevjerojatni električni fenomeni poput polarne svjetlosti. Mnogi od navedenih fenomena povezani su s protokom Sunčevog zračenja, kozmičkog zračenja i Zemljinog magnetskog polja. Visoki slojevi atmosfere također su kemijski laboratorij, jer tamo, u uvjetima bliskim vakuumu, neki atmosferski plinovi pod utjecajem snažnog toka sunčeve energije stupaju u kemijske reakcije. Znanost koja proučava te međusobno povezane pojave i procese naziva se fizika visokih atmosfera.
OPĆE KARAKTERISTIKE ZEMLJINE ATMOSFERE
Dimenzije. Dok sondažne rakete i umjetni sateliti nisu istraživali vanjske slojeve atmosfere na udaljenostima nekoliko puta većim od polumjera Zemlje, vjerovalo se da kako se udaljavamo od Zemljine površine, atmosfera postupno postaje sve rjeđa i glatko prelazi u međuplanetarni prostor. . Sada je utvrđeno da tokovi energije iz dubokih slojeva Sunca prodiru u svemir daleko izvan Zemljine orbite, sve do vanjskih granica Sunčevog sustava. Ovaj tzv Sunčev vjetar struji oko Zemljinog magnetskog polja, tvoreći izduženu "šupljinu" unutar koje je koncentrirana Zemljina atmosfera. Zemljino magnetsko polje primjetno je suženo na dnevnoj strani okrenutoj Suncu i oblikuje dugački jezik koji se vjerojatno proteže izvan Mjesečeve orbite, na suprotnoj, noćnoj strani. Granica magnetsko polje Zemlja se naziva magnetopauza. Na dnevnoj strani, ova granica prolazi na udaljenosti od oko sedam radijusa Zemlje od površine, ali u razdobljima povećane Sunčeve aktivnosti ispada da je još bliža površini Zemlje. Magnetopauza je ujedno i granica Zemljine atmosfere, čiji se vanjski omotač naziva i magnetosfera, budući da su u njemu koncentrirane nabijene čestice (ioni) čije je kretanje određeno magnetskim poljem Zemlje. Ukupna težina atmosferskih plinova je približno 4,5 * 1015 tona. Dakle, "težina" atmosfere po jedinici površine, odnosno atmosferski tlak, iznosi približno 11 tona/m2 na razini mora.
Smisao za život. Iz navedenog proizlazi da je Zemlja od međuplanetarnog prostora odvojena snažnim zaštitnim slojem. Svemir je prožet snažnim ultraljubičastim i rendgenskim zračenjem Sunca te još težim kozmičkim zračenjem, a ta su zračenja razorna za sva živa bića. Na vanjskom rubu atmosfere intenzitet zračenja je smrtonosan, ali veći dio zadržava atmosfera daleko od površine Zemlje. Apsorpcija ovog zračenja objašnjava mnoga svojstva visokih slojeva atmosfere, a posebno električne pojave koje se tamo događaju. Najniži, prizemni sloj atmosfere posebno je važan za ljude, koji žive na mjestu dodira čvrste, tekuće i plinovite ljuske Zemlje. Gornji omotač "čvrste" Zemlje naziva se litosfera. Oko 72% Zemljine površine prekriveno je oceanskim vodama, koje čine najveći dio hidrosfere. Atmosfera graniči s litosferom i hidrosferom. Čovjek živi na dnu oceana zraka i blizu ili iznad razine oceana vode. Međudjelovanje ovih oceana jedan je od važnih čimbenika koji određuju stanje atmosfere.
Spoj. Donji slojevi atmosfere sastoje se od mješavine plinova (vidi tablicu). Osim onih navedenih u tablici, u zraku su u obliku malih nečistoća prisutni i drugi plinovi: ozon, metan, tvari poput ugljičnog monoksida (CO), dušikovi i sumporni oksidi, amonijak.

SASTAV ATMOSFERE


U visokim slojevima atmosfere mijenja se sastav zraka pod utjecajem jakog zračenja Sunca, što dovodi do raspada molekula kisika na atome. Atomski kisik glavna je komponenta visokih slojeva atmosfere. Konačno, u slojevima atmosfere najudaljenijim od Zemljine površine glavne komponente su najlakši plinovi - vodik i helij. Budući da je većina tvari koncentrirana u nižim 30 km, promjene u sastavu zraka na visinama iznad 100 km ne utječu na značajan utjecaj na opći sastav atmosfere.
Razmjena energije. Sunce je glavni izvor energije kojom se Zemlja opskrbljuje. Na udaljenosti od cca. 150 milijuna km od Sunca, Zemlja prima otprilike jedan dvomilijarditi dio energije koju emitira, uglavnom u vidljivom dijelu spektra, koji ljudi nazivaju "svjetlost". Većinu te energije apsorbira atmosfera i litosfera. Zemlja također emitira energiju, uglavnom u obliku dugovalnog infracrvenog zračenja. Na taj se način uspostavlja ravnoteža između energije primljene od Sunca, zagrijavanja Zemlje i atmosfere te obrnutog toka toplinske energije emitirane u svemir. Mehanizam te ravnoteže izuzetno je složen. Molekule prašine i plina raspršuju svjetlost, djelomično je reflektirajući u svemir. Još veći dio dolaznog zračenja reflektiraju oblaci. Dio energije apsorbiraju izravno molekule plina, ali uglavnom stijene, vegetacija i površinske vode. Vodena para i ugljikov dioksid prisutni u atmosferi propuštaju vidljivo zračenje, ali apsorbiraju infracrveno zračenje. Toplinska energija akumulira se uglavnom u nižim slojevima atmosfere. Sličan učinak događa se u stakleniku kada staklo dopušta ulazak svjetlosti i tlo se zagrijava. Budući da je staklo relativno neprozirno za infracrveno zračenje, toplina se akumulira u stakleniku. Zagrijavanje nižih slojeva atmosfere zbog prisutnosti vodene pare i ugljičnog dioksida često se naziva efektom staklenika. Naoblaka ima značajnu ulogu u održavanju topline u nižim slojevima atmosfere. Ako se oblaci razbistre ili zrak postane prozirniji, temperatura neizbježno pada jer Zemljina površina slobodno zrači toplinsku energiju u okolni prostor. Voda na površini Zemlje upija sunčevu energiju i isparava, pretvarajući se u plin – vodenu paru, koja nosi ogromnu količinu energije u niže slojeve atmosfere. Kada se vodena para kondenzira i nastanu oblaci ili magla, ta se energija oslobađa kao toplina. Otprilike polovica Sunčeve energije koja dospije na Zemljinu površinu troši se na isparavanje vode i ulazi u niže slojeve atmosfere. Tako se zbog efekta staklenika i isparavanja vode atmosfera zagrijava odozdo. To djelomično objašnjava visoku aktivnost njegove cirkulacije u usporedbi s cirkulacijom Svjetskog oceana, koji se zagrijava samo odozgo i stoga je mnogo stabilniji od atmosfere.
Vidi također METEOROLOGIJA I KLIMATOLOGIJA. Osim općeg zagrijavanja atmosfere sunčevom svjetlošću, dolazi do značajnog zagrijavanja nekih njezinih slojeva zbog ultraljubičastog i rendgenskog zračenja Sunca. Struktura. U usporedbi s tekućinama i čvrstim tvarima, u plinovite tvari sila privlačenja između molekula je minimalna. Kako se udaljenost između molekula povećava, plinovi se mogu neograničeno širiti ako ih ništa ne spriječi. Donja granica atmosfere je površina Zemlje. Strogo govoreći, ova barijera je neprobojna, budući da se izmjena plinova odvija između zraka i vode, pa čak i između zraka i stijena, ali u ovom slučaju ti se čimbenici mogu zanemariti. Budući da je atmosfera sferna ljuska, ona nema bočne granice, već samo donju granicu i gornju (vanjsku) granicu, otvorenu sa strane međuplanetarnog prostora. Neki neutralni plinovi cure kroz vanjsku granicu, kao i materija koja ulazi iz okolnog vanjskog prostora. Većina nabijenih čestica, s izuzetkom visokoenergetskih kozmičkih zraka, magnetosfera ih uhvati ili odbije. Atmosfera je također pod utjecajem sile gravitacije, koja drži zračni omotač na površini Zemlje. Atmosferski plinovi su komprimirani pod vlastitom težinom. Ta je kompresija najveća na donjoj granici atmosfere, stoga je gustoća zraka ovdje najveća. Na bilo kojoj visini iznad površine zemlje, stupanj kompresije zraka ovisi o masi zračnog stupca koji se nalazi iznad, stoga s visinom gustoća zraka opada. Tlak, jednak masi gornjeg stupca zraka po jedinici površine, izravno ovisi o gustoći i stoga također opada s visinom. Kada bi atmosfera bila “idealni plin” sa stalnim sastavom neovisnim o nadmorskoj visini, stalnom temperaturom i stalnom silom gravitacije koja djeluje na nju, tada bi se tlak smanjio 10 puta za svakih 20 km visine. Prava atmosfera neznatno se razlikuje od idealnog plina do oko 100 km visine, a zatim tlak opada sporije s visinom kako se mijenja sastav zraka. Male promjene u opisani model unosi i smanjenje sile gravitacije s udaljenošću od središta Zemlje, koja iznosi cca. 3% na svakih 100 km nadmorske visine. Za razliku od atmosferskog tlaka, temperatura ne opada kontinuirano s visinom. Kao što je prikazano na sl. 1, smanjuje se do otprilike visine od 10 km, a zatim ponovno počinje rasti. To se događa kada ultraljubičasto sunčevo zračenje apsorbira kisik. Pritom nastaje plin ozon čije se molekule sastoje od tri atoma kisika (O3). Također apsorbira ultraljubičasto zračenje, pa se ovaj sloj atmosfere, nazvan ozonosfera, zagrijava. Na višim visinama temperatura ponovno opada, jer tamo ima mnogo manje molekula plina, pa je i apsorpcija energije smanjena. U još višim slojevima temperatura ponovno raste zbog apsorpcije najkraće valne duljine ultraljubičastog i rendgenskog zračenja Sunca od strane atmosfere. Pod utjecajem ovog snažnog zračenja dolazi do ionizacije atmosfere, tj. molekula plina gubi elektron i dobiva pozitivan električni naboj. Takve molekule postaju pozitivno nabijeni ioni. Zbog prisutnosti slobodnih elektrona i iona ovaj sloj atmosfere poprima svojstva električnog vodiča. Vjeruje se da temperatura nastavlja rasti do visina gdje tanka atmosfera prelazi u međuplanetarni prostor. Na udaljenosti od nekoliko tisuća kilometara od Zemljine površine vjerojatno će prevladavati temperature u rasponu od 5 000° do 10 000° C. Iako molekule i atomi imaju vrlo velike brzine gibanja, a time i visoke temperature, ovaj razrijeđeni plin nije "vruć" u uobičajenom smislu. Zbog malog broja molekula na velikim visinama, njihova ukupna toplinska energija je vrlo mala. Dakle, atmosfera se sastoji od zasebnih slojeva (tj. niza koncentričnih ljuski ili sfera), čije razdvajanje ovisi o tome koje je svojstvo od najvećeg interesa. Na temelju raspodjele prosječne temperature meteorolozi su razvili dijagram strukture idealne “prosječne atmosfere” (vidi sliku 1).

Troposfera je donji sloj atmosfere koji se proteže do prvog toplinskog minimuma (tzv. tropopauza). Gornja granica troposfere ovisi o geografska širina(u tropima - 18-20 km, u umjerenim geografskim širinama - oko 10 km) i doba godine. Nacionalna meteorološka služba SAD-a provela je sondiranje u blizini Južnog pola i otkrila sezonske promjene u visini tropopauze. U ožujku je tropopauza na nadmorskoj visini od cca. 7,5 km. Od ožujka do kolovoza ili rujna dolazi do postojanog hlađenja troposfere, a njezina granica se u kolovozu ili rujnu kratkotrajno diže do visine od približno 11,5 km. Zatim se od rujna do prosinca brzo smanjuje i doseže najniži položaj - 7,5 km, gdje ostaje do ožujka, fluktuirajući unutar samo 0,5 km. U troposferi se uglavnom formira vrijeme koje određuje uvjete ljudskog postojanja. Većina atmosferske vodene pare koncentrirana je u troposferi i tu prvenstveno nastaju oblaci, iako se neki, sastavljeni od kristala leda, nalaze u višim slojevima. Troposferu karakteriziraju turbulencije i snažna zračna strujanja (vjetrovi) i oluje. U gornjoj troposferi postoje snažna zračna strujanja u strogo određenom smjeru. Turbulentni vrtlozi, slični malim vrtlozima, nastaju pod utjecajem trenja i dinamičke interakcije između sporih i brzih zračnih masa. Budući da obično nema naoblake na ovim visokim razinama, ova se turbulencija naziva "turbulencija čistog zraka".
Stratosfera. Gornji sloj atmosfere često se pogrešno opisuje kao sloj s relativno konstantnim temperaturama, gdje vjetrovi pušu više ili manje postojano i gdje se meteorološki elementi malo mijenjaju. Gornji slojevi stratosfere zagrijavaju se kada kisik i ozon apsorbiraju ultraljubičasto zračenje Sunca. Gornja granica stratosfere (stratopauza) je mjesto gdje temperatura blago raste, dosežući srednji maksimum, koji se često može usporediti s temperaturom površinskog sloja zraka. Na temelju opažanja pomoću zrakoplova i balona dizajniranih za let na stalnim visinama, u stratosferi su utvrđeni turbulentni poremećaji i jaki vjetrovi koji pušu u različitim smjerovima. Kao iu troposferi, postoje snažni zračni vrtlozi koji su posebno opasni za letjelice velikih brzina. Jaki vjetrovi, koji se nazivaju mlazni vjetrovi, pušu u uskim zonama duž granica prema polovima umjerenih geografskih širina. Međutim, te se zone mogu pomaknuti, nestati i ponovno se pojaviti. Mlazne struje obično prodiru kroz tropopauzu i pojavljuju se u gornjoj troposferi, ali njihova brzina brzo opada sa smanjenjem nadmorske visine. Moguće je da dio energije koja ulazi u stratosferu (uglavnom potrošena na stvaranje ozona) utječe na procese u troposferi. Posebno aktivno miješanje povezano je s atmosferskim frontama, gdje su velika strujanja stratosferskog zraka zabilježena daleko ispod tropopauze, a troposferski zrak je uvučen u niže slojeve stratosfere. Postignut je značajan napredak u proučavanju vertikalne strukture nižih slojeva atmosfere zahvaljujući poboljšanju tehnologije za lansiranje radiosonda na visine od 25-30 km. Mezosfera, koja se nalazi iznad stratosfere, je ljuska u kojoj, do visine od 80-85 km, temperatura pada na minimalne vrijednosti za atmosferu u cjelini. Rekordno niske temperature od -110°C zabilježile su meteorološke rakete lansirane iz američko-kanadske instalacije u Fort Churchillu (Kanada). Gornja granica mezosfere (mezopauze) približno se podudara s donjom granicom područja aktivne apsorpcije rendgenskog i kratkovalnog ultraljubičastog zračenja Sunca, što je popraćeno zagrijavanjem i ionizacijom plina. U polarnim područjima oblačni sustavi često se pojavljuju tijekom mezopauze ljeti i zauzimaju velika površina , ali imaju neznatan vertikalni razvoj. Takvi oblaci koji svijetle noću često otkrivaju valovito kretanje zraka velikih razmjera u mezosferi. Sastav ovih oblaka, izvori vlage i kondenzacijske jezgre, dinamika i odnosi s meteorološkim čimbenicima još nisu dovoljno proučeni. Termosfera je sloj atmosfere u kojem temperatura neprestano raste. Njegova snaga može doseći 600 km. Tlak, a time i gustoća plina stalno opada s visinom. U blizini zemljine površine 1 m3 zraka sadrži cca. 2,5 x 1025 molekula, na visini od cca. 100 km, u nižim slojevima termosfere - približno 1019, na nadmorskoj visini od 200 km, u ionosferi - 5 * 10 15 i, prema izračunima, na visini od cca. 850 km - otprilike 1012 molekula. U međuplanetarnom prostoru koncentracija molekula je 10 8-10 9 po 1 m3. Na nadmorskoj visini od cca. 100 km broj molekula je mali i one se rijetko sudaraju jedna s drugom. Prosječna udaljenost koju kaotično gibajuća molekula prijeđe prije sudara s drugom sličnom molekulom naziva se njezin srednji slobodni put. Sloj u kojem se ta vrijednost povećava toliko da se vjerojatnost međumolekulskih ili međuatomskih sudara može zanemariti nalazi se na granici između termosfere i gornje ljuske (egzosfere) i naziva se termopauza. Termopauza je otprilike 650 km od Zemljine površine. Pri određenoj temperaturi brzina molekule ovisi o njezinoj masi: lakše se molekule gibaju brže od težih. U nižim slojevima atmosfere, gdje je slobodan put vrlo kratak, nema zamjetnog razdvajanja plinova po njihovoj molekulskoj masi, ali je ono izraženo iznad 100 km. Osim toga, pod utjecajem ultraljubičastog i rendgenskog zračenja Sunca, molekule kisika se raspadaju na atome čija je masa polovica mase molekule. Stoga, kako se udaljavamo od površine Zemlje, atomski kisik postaje sve važniji u sastavu atmosfere i na visini od cca. 200 km postaje njegova glavna komponenta. Više, na udaljenosti od približno 1200 km od površine Zemlje, prevladavaju laki plinovi - helij i vodik. Od njih se sastoji vanjski omotač atmosfere. Ovo odvajanje po težini, nazvano difuzna stratifikacija, slično je odvajanju smjesa pomoću centrifuge. Egzosfera je vanjski sloj atmosfere, nastao na temelju promjena temperature i svojstava neutralnog plina. Molekule i atomi u egzosferi rotiraju oko Zemlje u balističkim orbitama pod utjecajem gravitacije. Neke od tih orbita su parabolične i nalikuju putanjama projektila. Molekule mogu rotirati oko Zemlje iu eliptičnim orbitama, poput satelita. Neke molekule, uglavnom vodik i helij, imaju otvorene putanje i odlaze u svemir (slika 2).



SUNČEVO-ZEMLJINE VEZE I NJIHOV UTJECAJ NA ATMOSFERU
Atmosferske plime i oseke. Privlačenje Sunca i Mjeseca uzrokuje plime i oseke u atmosferi, slične plime i oseke na zemlji i moru. Ali atmosferske plime imaju značajnu razliku: atmosfera najjače reagira na privlačnost Sunca, dok Zemljina kora a ocean - pod privlačenjem Mjeseca. To se objašnjava činjenicom da se atmosfera zagrijava Suncem te se, osim gravitacijske, javlja i snažna toplinska plima. Općenito, mehanizmi nastanka atmosferske i morske plime su slični, s tim da je za predviđanje reakcije zraka na gravitacijske i toplinske utjecaje potrebno uzeti u obzir njegovu stlačivost i raspodjelu temperature. Nije posve jasno zašto poludnevne (12-satne) solarne plime u atmosferi prevladavaju nad dnevnim solarnim i poludnevnim lunarnim plimama, iako su pokretačke sile potonja dva procesa mnogo snažnije. Ranije se vjerovalo da u atmosferi nastaje rezonancija, koja pojačava oscilacije s periodom od 12 sati. Međutim, opažanja obavljena korištenjem geofizičkih raketa pokazuju nepostojanje temperaturnih razloga za takvu rezonanciju. Pri rješavanju ovog problema vjerojatno je potrebno uzeti u obzir sve hidrodinamičke i toplinske značajke atmosfere. Na zemljinoj površini u blizini ekvatora, gdje je utjecaj plimnih kolebanja najveći, osigurava promjenu atmosferskog tlaka od 0,1%. Brzina plimnog vjetra je cca. 0,3 km/h. Zbog složene toplinske strukture atmosfere (osobito prisutnosti minimalne temperature u mezopauzi), plimna zračna strujanja su pojačana, pa je, primjerice, na visini od 70 km njihova brzina približno 160 puta veća od brzine zemljine površine, što ima važne geofizičke posljedice. Vjeruje se da u donjem dijelu ionosfere (sloj E) plimne fluktuacije pokreću ionizirani plin okomito u Zemljinom magnetskom polju, pa stoga ovdje nastaju električne struje. Ti sustavi struja koji se stalno pojavljuju na Zemljinoj površini uspostavljaju se poremećajima u magnetskom polju. Dnevne varijacije magnetskog polja prilično se dobro slažu s izračunatim vrijednostima, što daje uvjerljiv dokaz u korist teorije plimnih mehanizama “atmosferskog dinama”. Električne struje koje se generiraju u donjem dijelu ionosfere (E sloj) moraju negdje putovati, pa stoga strujni krug mora biti dovršen. Analogija s dinamom postaje potpuna ako nadolazeće kretanje promatramo kao rad motora. Pretpostavlja se da se obrnuto kruženje električne struje događa u višem sloju ionosfere (F), a taj protutok može objasniti neke od neobičnih značajki ovog sloja. Konačno, učinak plime i oseke također bi trebao generirati horizontalna strujanja u E sloju, a time i u F sloju.
Ionosfera. Pokušavajući objasniti mehanizam nastanka aurore, znanstvenici 19.st. sugerirao da u atmosferi postoji zona s električki nabijenim česticama. U 20. stoljeću eksperimentalno su dobiveni uvjerljivi dokazi o postojanju sloja koji reflektira radio valove na visinama od 85 do 400 km. Trenutno je poznato da električna svojstva rezultat su ionizacije atmosferskog plina. Stoga se ovaj sloj obično naziva ionosfera. Učinak na radio valove uglavnom se javlja zbog prisutnosti slobodnih elektrona u ionosferi, iako je mehanizam širenja radio valova povezan s prisutnošću velikih iona. Potonji su također od interesa za proučavanje kemijskih svojstava atmosfere, jer su aktivniji od neutralnih atoma i molekula. Kemijske reakcije koje se odvijaju u ionosferi igraju važnu ulogu u njezinoj energetskoj i električnoj ravnoteži.
Normalna ionosfera. Promatranja obavljena korištenjem geofizičkih raketa i satelita pružila su mnoštvo novih informacija koje pokazuju da se ionizacija atmosfere događa pod utjecajem širokog raspona sunčevog zračenja. Njegov glavni dio (više od 90%) koncentriran je u vidljivom dijelu spektra. Ultraljubičasto zračenje, koje ima kraću valnu duljinu i veću energiju od ljubičastih svjetlosnih zraka, emitira vodik u Sunčevoj unutarnjoj atmosferi (kromosfera), a x-zrake, koje imaju još veću energiju, emitiraju plinovi u vanjskom omotaču Sunca. (korona). Normalno (prosječno) stanje ionosfere nastaje zbog stalnog snažnog zračenja. U normalnoj ionosferi događaju se redovite promjene zbog dnevne rotacije Zemlje i sezonskih razlika u kutu upada sunčevih zraka u podne, ali se događaju i nepredvidive i nagle promjene stanja ionosfere.
Poremećaji u ionosferi. Kao što je poznato, na Suncu se javljaju snažni ciklički ponavljajući poremećaji koji svakih 11 godina postižu maksimum. Promatranja u okviru programa Međunarodne geofizičke godine (IGY) poklopila su se s razdobljem najveće Sunčeve aktivnosti za cijelo razdoblje sustavnih meteoroloških motrenja, tj. s početka 18. stoljeća. Tijekom razdoblja velike aktivnosti, svjetlina nekih područja na Suncu se povećava nekoliko puta, a ona odašilju snažne pulseve ultraljubičastog i rendgenskog zračenja. Takve pojave nazivaju se solarne baklje. Traju od nekoliko minuta do jednog do dva sata. Tijekom baklje dolazi do erupcije sunčevog plina (uglavnom protona i elektrona), a elementarne čestice jurnu u svemir. Elektromagnetsko i korpuskularno zračenje Sunca tijekom takvih baklji snažno utječe na Zemljinu atmosferu. Početna reakcija opažena je 8 minuta nakon baklje, kada intenzivno ultraljubičasto i rendgensko zračenje dopire do Zemlje. Kao rezultat toga, ionizacija se naglo povećava; X-zrake prodiru kroz atmosferu do donje granice ionosfere; broj elektrona u tim slojevima raste toliko da se radio signali gotovo potpuno apsorbiraju („ugase“). Dodatna apsorpcija zračenja uzrokuje zagrijavanje plina, što pridonosi razvoju vjetrova. Ionizirani plin je električni vodič, a kada se kreće u Zemljinom magnetskom polju dolazi do dinamo efekta i struja. Takve struje pak mogu izazvati zamjetne poremećaje u magnetskom polju i manifestirati se u obliku magnetskih oluja. Ova početna faza traje samo kratko vrijeme, što odgovara trajanju Sunčeve baklje. Tijekom snažnih baklji na Suncu, tok ubrzanih čestica juri u svemir. Kad se usmjeri prema Zemlji, počinje druga faza koja ima veliki utjecaj na stanje atmosfere. Mnogi prirodni fenomeni, od kojih su najpoznatiji aurore, pokazuju da značajan broj nabijenih čestica stiže do Zemlje (vidi također AURORAURAL). Ipak, procesi odvajanja ovih čestica od Sunca, njihove putanje u međuplanetarnom prostoru i mehanizmi interakcije sa Zemljinim magnetskim poljem i magnetosferom još nisu dovoljno proučeni. Problem se zakomplicirao nakon što je 1958. James Van Allen otkrio ljuske koje se sastoje od nabijenih čestica koje drži geomagnetsko polje. Te se čestice kreću s jedne hemisfere na drugu, rotirajući u spiralama oko linija magnetskog polja. U blizini Zemlje, na visini koja ovisi o obliku linija polja i energiji čestica, nalaze se “točke refleksije” na kojima čestice mijenjaju smjer kretanja u suprotan (slika 3). Budući da jakost magnetskog polja opada s udaljenošću od Zemlje, orbite po kojima se ove čestice kreću su donekle iskrivljene: elektroni se skreću prema istoku, a protoni prema zapadu. Stoga su raspoređeni u obliku pojaseva diljem svijeta.



Neke posljedice zagrijavanja atmosfere Suncem. Sunčeva energija utječe na cjelokupnu atmosferu. Gore su već spomenuti pojasevi koje formiraju nabijene čestice u Zemljinom magnetskom polju i rotiraju oko njega. Ti se pojasevi najviše približavaju zemljinoj površini u subpolarnim područjima (vidi sliku 3), gdje se opažaju polarne svjetlosti. Slika 1 pokazuje da su u područjima polarne svjetlosti u Kanadi temperature termosfere znatno više nego u jugozapadnom dijelu Sjedinjenih Država. Vjerojatno je da uhvaćene čestice otpuštaju dio svoje energije u atmosferu, posebno pri sudaru s molekulama plina u blizini točaka refleksije, i napuštaju svoje prethodne orbite. Tako se zagrijavaju visoki slojevi atmosfere u auroralnoj zoni. Još jedno važno otkriće došlo se tijekom proučavanja orbita umjetnih satelita. Luigi Iacchia, astronom na Smithsonian Astrophysical Observatory, vjeruje da su mala odstupanja u tim orbitama posljedica promjena u gustoći atmosfere jer je zagrijava Sunce. Predložio je postojanje maksimalne gustoće elektrona na visini većoj od 200 km u ionosferi, što ne odgovara Sunčevom podnevu, ali pod utjecajem sila trenja kasni u odnosu na njega oko dva sata. U ovom trenutku, vrijednosti gustoće atmosfere tipične za nadmorsku visinu od 600 km promatraju se na razini od cca. 950 km. Osim toga, maksimalna gustoća elektrona doživljava nepravilne fluktuacije zbog kratkotrajnih bljeskova ultraljubičastog i rendgenskog zračenja Sunca. L. Iacchia je također otkrio kratkotrajne fluktuacije u gustoći zraka, koje odgovaraju sunčevim bakljama i poremećajima magnetskog polja. Te se pojave objašnjavaju upadom čestica sunčevog podrijetla u Zemljinu atmosferu i zagrijavanjem onih slojeva u kojima kruže sateliti.
ATMOSFERSKI ELEKTRICITET
U površinskom sloju atmosfere mali dio molekula podliježe ionizaciji pod utjecajem kozmičkih zraka, zračenja radioaktivnih stijena i produkata raspada radija (uglavnom radona) u samom zraku. Tijekom ionizacije atom gubi jedan elektron i dobiva pozitivan naboj. Slobodni elektron brzo se spaja s drugim atomom i tvori negativno nabijen ion. Takvi upareni pozitivni i negativni ioni imaju molekularne veličine. Molekule u atmosferi nastoje se grupirati oko tih iona. Nekoliko molekula u kombinaciji s ionom tvori kompleks koji se obično naziva "lagani ion". Atmosfera također sadrži komplekse molekula, u meteorologiji poznatih kao kondenzacijske jezgre, oko kojih, kada je zrak zasićen vlagom, počinje proces kondenzacije. Te jezgre su čestice soli i prašine, kao i zagađivači ispušteni u zrak iz industrijskih i drugih izvora. Laki ioni često se vežu za takve jezgre, tvoreći "teške ione". Pod utjecajem električno polje laki i teški ioni kreću se iz jednog područja atmosfere u drugo, prenoseći električne naboje. Iako se općenito ne smatra da je atmosfera električki vodljiva, ipak ima određenu vodljivost. Stoga nabijeno tijelo ostavljeno u zraku polako gubi naboj. Atmosferska vodljivost raste s nadmorskom visinom zbog povećanog intenziteta kozmičkih zraka, smanjenog gubitka iona pri nižem tlaku (a time i dužeg srednjeg slobodnog puta) i manjeg broja teških jezgri. Atmosferska vodljivost doseže najveću vrijednost na nadmorskoj visini od cca. 50 km, tzv "razina naknade". Poznato je da između Zemljine površine i "kompenzacijske razine" postoji stalna potencijalna razlika od nekoliko stotina kilovolti, tj. konstantno električno polje. Pokazalo se da je razlika potencijala između određene točke koja se nalazi u zraku na visini od nekoliko metara i površine Zemlje vrlo velika - više od 100 V. Atmosfera ima pozitivan naboj, a zemljina površina negativno . Budući da je električno polje područje u čijoj svakoj točki postoji određena vrijednost potencijala, možemo govoriti o gradijentu potencijala. Za vedrog vremena, unutar nižih nekoliko metara, jakost električnog polja atmosfere je gotovo konstantna. Zbog razlika u električnoj vodljivosti zraka u površinskom sloju, gradijent potencijala podložan je dnevnim fluktuacijama, čiji tijek značajno varira od mjesta do mjesta. U nedostatku lokalnih izvora onečišćenja zraka - iznad oceana, visoko u planinama ili u polarnim regijama - dnevna varijacija potencijalnog gradijenta ista je za vedrog vremena. Veličina gradijenta ovisi o univerzalnom ili srednjem vremenu po Greenwichu (UT) i doseže maksimum u 19 sati E. Appleton je predložio da se ta maksimalna električna vodljivost vjerojatno podudara s najvećom grmljavinskom aktivnošću na planetarnoj razini. Udari munje tijekom grmljavinske oluje nose negativan naboj na Zemljinu površinu, budući da baze najaktivnijih kumulonimbusnih grmljavinskih oblaka imaju značajan negativni naboj. Vrhovi grmljavinskih oblaka imaju pozitivan naboj, koji se, prema proračunima Holzera i Saxona, za vrijeme grmljavinske oluje slijeva s njihovih vrhova. Bez stalnog nadopunjavanja, naboj na zemljinoj površini bio bi neutraliziran atmosferskom vodljivošću. Pretpostavka da se potencijalna razlika između zemljine površine i "kompenzacijske razine" održava grmljavinskim nevremenima potkrijepljena je statističkim podacima. Na primjer, najveći broj grmljavinskih oluja opažen je u dolini rijeke. Amazonke. Tu se grmljavinska nevremena najčešće javljaju krajem dana, tj. U REDU. 19:00 Srednje vrijeme po Greenwichu, kada je potencijalni gradijent maksimalan bilo gdje u svijetu. Štoviše, sezonske varijacije u obliku krivulja dnevne varijacije potencijalnog gradijenta također su u potpunom skladu s podacima o globalnoj distribuciji grmljavinskih oluja. Neki istraživači tvrde da izvor Zemljinog električnog polja može biti vanjskog porijekla, jer se vjeruje da električna polja postoje u ionosferi i magnetosferi. Ova okolnost vjerojatno objašnjava pojavu vrlo uskih izduženih oblika aurora, sličnih kulisima i lukovima
(vidi također SVJETLA AURORE). Zbog prisutnosti potencijalnog gradijenta i atmosferske vodljivosti, nabijene čestice počinju se kretati između "kompenzacijske razine" i Zemljine površine: pozitivno nabijeni ioni kreću se prema površini Zemlje, a negativno nabijeni ioni kreću se prema gore od nje. Jačina te struje je cca. 1800 A. Iako se ova vrijednost čini velikom, mora se zapamtiti da je raspoređena po cijeloj površini Zemlje. Snaga struje u stupcu zraka s baznom površinom od 1 m2 je samo 4 * 10 -12 A. S druge strane, jakost struje tijekom pražnjenja munje može doseći nekoliko ampera, iako, naravno, takav pražnjenje ima kratko trajanje - od djelića sekunde do cijele sekunde ili malo više s ponovljenim udarima. Munje su od velikog interesa ne samo kao neobičan prirodni fenomen. Omogućuje promatranje električnog pražnjenja u plinovitom mediju pri naponu od nekoliko stotina milijuna volti i udaljenosti između elektroda od nekoliko kilometara. Godine 1750. B. Franklin predložio je Kraljevskom društvu u Londonu provođenje eksperimenta sa željeznom šipkom postavljenom na izolacijsku podlogu i postavljenom na visoki toranj. Očekivao je da će se, kako se grmljavinski oblak približava tornju, naboj suprotnog predznaka koncentrirati na gornjem kraju prvobitno neutralne šipke, a naboj istog predznaka kao u podnožju oblaka koncentrirati na donjem kraju . Ako se jakost električnog polja tijekom izbijanja munje dovoljno poveća, naboj s gornjeg kraja štapića djelomično će otjecati u zrak, a štapić će dobiti naboj istog predznaka kao baza oblaka. Pokus koji je predložio Franklin nije izveden u Engleskoj, ali ga je 1752. godine u Marlyju kraj Pariza izveo francuski fizičar Jean d'Alembert.Upotrebio je željeznu šipku dugu 12 m umetnutu u staklenu bocu (koja je služila kao izolator), ali ga nije postavio na toranj. 10. svibnja njegov je pomoćnik izvijestio da su, kada je grmljavinski oblak bio iznad utega, nastale iskre kada mu se približila uzemljena žica. Sam Franklin, nesvjestan uspješnog eksperimenta provedenog u Francuskoj , u lipnju iste godine izveo je svoj poznati eksperiment sa zmajem i promatrao električne iskre na kraju žice koja je bila vezana za njega.Sljedeće godine, dok je proučavao naboje prikupljene sa šipke, Franklin je otkrio da su baze grmljavinskih oblaka obično negativno nabijene. Detaljnija proučavanja munja postala su moguća krajem 19. stoljeća zahvaljujući poboljšanju fotografske tehnike, posebice nakon izuma aparata s rotirajućim lećama, koji je omogućio snimanje brzo razvijajućih procesa. Ova vrsta kamere naširoko je korištena u proučavanju iskričastog pražnjenja. Utvrđeno je da postoji više vrsta munja, a najčešće su linijske, ravne (u oblaku) i kuglaste (zračni pražnjenja). Linearna munja je pražnjenje iskre između oblaka i zemljine površine, prateći kanal s granama prema dolje. Ravna munja pojavljuje se unutar grmljavinskog oblaka i pojavljuje se kao bljesak difuzne svjetlosti. Zračna pražnjenja kuglaste munje, koja počinju iz grmljavinskog oblaka, često su usmjerena vodoravno i ne dopiru do površine zemlje.



Pražnjenje munje obično se sastoji od tri ili više ponovljenih pražnjenja - impulsa koji slijede istu putanju. Intervali između uzastopnih impulsa su vrlo kratki, od 1/100 do 1/10 s (to je ono što uzrokuje treptanje munje). Općenito, bljesak traje oko sekundu ili manje. Tipičan proces razvoja munje može se opisati na sljedeći način. Prvo, slabo svjetleće vodeće pražnjenje juri odozgo na površinu zemlje. Kada ga dosegne, jarko sjajni povratni, ili glavni, pražnjenje prolazi od zemlje prema gore kroz kanal koji je postavio vođa. Vodeći iscjedak, u pravilu, kreće se cik-cak. Brzina njegovog širenja kreće se od sto do nekoliko stotina kilometara u sekundi. Na svom putu ionizira molekule zraka, stvarajući kanal povećane vodljivosti, kroz koji se reverzno pražnjenje kreće prema gore približno sto puta većom brzinom od vodećeg pražnjenja. Veličinu kanala teško je odrediti, ali se promjer vodećeg ispusta procjenjuje na 1-10 m, a promjer povratnog ispusta je nekoliko centimetara. Munje stvaraju radio smetnje emitirajući radio valove u širokom rasponu - od 30 kHz do ultra niskih frekvencija. Najveća emisija radio valova vjerojatno je u rasponu od 5 do 10 kHz. Takve niskofrekventne radio smetnje "koncentrirane" su u prostoru između donje granice ionosfere i zemljine površine i mogu se širiti na udaljenosti od tisuća kilometara od izvora.
PROMJENE U ATMOSFERI
Utjecaj meteora i meteorita. Iako kiše meteora ponekad stvaraju dramatičan prikaz svjetlosti, pojedinačni se meteori rijetko vide. Puno su brojniji nevidljivi meteori, premali da bi bili vidljivi kada se apsorbiraju u atmosferu. Neki od najmanjih meteora vjerojatno se uopće ne zagrijavaju, već ih samo uhvati atmosfera. Ove male čestice veličine od nekoliko milimetara do desettisućinki milimetra nazivaju se mikrometeoriti. Količina meteorskog materijala koji ulazi u atmosferu svaki dan kreće se od 100 do 10 000 tona, a većina tog materijala dolazi od mikrometeorita. Budući da meteorska tvar djelomično izgara u atmosferi, njezin se plinski sastav nadopunjuje tragovima raznih kemijski elementi. Na primjer, stjenoviti meteori unose litij u atmosferu. Izgaranje metalnih meteora dovodi do stvaranja sitnih kuglastih željeznih, željezno-nikalnih i drugih kapljica koje prolaze kroz atmosferu i talože se na površini zemlje. Mogu se pronaći na Grenlandu i Antarktici, gdje ledene ploče godinama ostaju gotovo nepromijenjene. Oceanolozi ih nalaze u sedimentima dna oceana. Većina meteorskih čestica koje ulaze u atmosferu taloži se unutar otprilike 30 dana. Neki znanstvenici vjeruju da ta kozmička prašina igra važnu ulogu u stvaranju atmosferskih pojava poput kiše jer služi kao kondenzacijska jezgra za vodenu paru. Stoga se pretpostavlja da su oborine statistički povezane s velikim kišama meteora. Međutim, neki stručnjaci vjeruju da, budući da je ukupna zaliha meteorskog materijala nekoliko desetaka puta veća od one čak i najveće meteorske kiše, promjena ukupne količine tog materijala koja proizlazi iz jedne takve kiše može se zanemariti. No, nema sumnje da najveći mikrometeoriti i, naravno, vidljivi meteoriti ostavljaju duge tragove ionizacije u visokim slojevima atmosfere, uglavnom u ionosferi. Takvi se tragovi mogu koristiti za radiokomunikacije na velikim udaljenostima, budući da odražavaju visokofrekventne radiovalove. Energija meteora koji ulaze u atmosferu troši se uglavnom, a možda i potpuno, na njezino zagrijavanje. Ovo je jedna od manjih komponenti toplinska ravnoteža atmosfera.
Ugljični dioksid industrijskog podrijetla. Tijekom razdoblja karbona drvenasta vegetacija bila je široko rasprostranjena na Zemlji. Većina ugljičnog dioksida koju su biljke apsorbirale u to vrijeme nakupila se u naslagama ugljena i naftonosnim sedimentima. Čovjek je naučio koristiti ogromne rezerve ovih minerala kao izvor energije i sada ubrzano vraća ugljični dioksid u ciklus tvari. Fosilno stanje je vjerojatno ca. 4*10 13 tona ugljika. Tijekom prošlog stoljeća čovječanstvo je sagorjelo toliko fosilnog goriva da je otprilike 4*10 11 tona ugljika ponovno ušlo u atmosferu. Trenutno ima cca. 2 * 10 12 tona ugljika, au sljedećih stotinu godina zbog izgaranja fosilnih goriva ta bi se brojka mogla udvostručiti. Međutim, neće sav ugljik ostati u atmosferi: dio će se otopiti u oceanskim vodama, dio će apsorbirati biljke, a dio će biti vezan u procesu trošenja stijena. Još nije moguće predvidjeti koliko će ugljičnog dioksida biti sadržano u atmosferi ili kakav će točan utjecaj imati na klimu svijeta. No, smatra se da će svako povećanje njegova sadržaja uzrokovati zatopljenje, iako uopće nije nužno da će ikakvo zatopljenje značajno utjecati na klimu. Koncentracija ugljičnog dioksida u atmosferi, prema rezultatima mjerenja, primjetno raste, iako sporim tempom. Klimatski podaci za Svalbard i Little America Station na Ross Ice Shelfu na Antarktici ukazuju na porast prosječnih godišnjih temperatura od 5°C odnosno 2,5°C u razdoblju od otprilike 50 godina.
Izloženost kozmičkom zračenju. Kada visokoenergetske kozmičke zrake međudjeluju s pojedinim komponentama atmosfere, nastaju radioaktivni izotopi. Među njima se ističe izotop ugljika 14C koji se nakuplja u biljnim i životinjskim tkivima. Mjerenjem radioaktivnosti organskih tvari koje dugo nisu izmjenjivale ugljik s okolinom može se odrediti njihova starost. Radiokarbonska metoda etablirala se kao najpouzdanija metoda datiranja fosilnih organizama i predmeta materijalne kulture, čija starost ne prelazi 50 tisuća godina. Drugi radioaktivni izotopi s dugim poluživotom mogu se koristiti za datiranje materijala starih stotinama tisuća godina ako se može riješiti temeljni izazov mjerenja ekstremno niskih razina radioaktivnosti.
(vidi također RADIOKARBONSKO DATIRANJE).
PORIJEKLO ZEMLJINE ATMOSFERE
Povijest nastanka atmosfere još nije potpuno pouzdano rekonstruirana. Ipak, identificirane su neke vjerojatne promjene u njegovom sastavu. Stvaranje atmosfere počelo je odmah nakon nastanka Zemlje. Postoje prilično dobri razlozi za vjerovanje da je u procesu evolucije Zemlje i njezinog stjecanja dimenzija i mase bliskih modernim, ona gotovo potpuno izgubila svoju izvornu atmosferu. Vjeruje se da je u ranoj fazi Zemlja bila u rastaljenom stanju i ca. Oblikovao se prije 4,5 milijardi godina čvrsta. Taj se miljokaz uzima kao početak geološke kronologije. Od tog vremena dolazi do spore evolucije atmosfere. Neki geološki procesi, poput izlijevanja lave tijekom vulkanskih erupcija, bili su popraćeni ispuštanjem plinova iz utrobe Zemlje. Vjerojatno su uključivali dušik, amonijak, metan, vodenu paru, ugljikov monoksid i dioksid. Pod utjecajem sunčevog ultraljubičastog zračenja vodena para se razgradila na vodik i kisik, ali je oslobođeni kisik reagirao s ugljičnim monoksidom u ugljični dioksid. Amonijak se razgradio na dušik i vodik. Tijekom procesa difuzije vodik se dizao prema gore i napuštao atmosferu, a teži dušik nije mogao ispariti i postupno se akumulirao, postavši njegova glavna komponenta, iako se dio vezao tijekom kemijske reakcije. Pod utjecajem ultraljubičastih zraka i električnih pražnjenja, mješavina plinova koja je vjerojatno bila prisutna u izvornoj atmosferi Zemlje ulazila je u kemijske reakcije, što je rezultiralo stvaranjem organskih tvari, posebice aminokiselina. Posljedično, život je mogao nastati u atmosferi bitno različitoj od moderne. Pojavom primitivnih biljaka započeo je proces fotosinteze (vidi također FOTOSINTEZA), popraćen oslobađanjem slobodnog kisika. Taj je plin, osobito nakon difuzije u gornje slojeve atmosfere, počeo štititi njezine donje slojeve i površinu Zemlje od po život opasnog ultraljubičastog i rendgenskog zračenja. Procjenjuje se da bi prisutnost samo 0,00004 modernog volumena kisika mogla dovesti do stvaranja sloja s upola manjom koncentracijom ozona, koji je ipak pružao vrlo značajnu zaštitu od ultraljubičastih zraka. Također je vjerojatno da je primarna atmosfera sadržavala mnogo ugljičnog dioksida. Potrošeno je tijekom fotosinteze, a njegova se koncentracija morala smanjivati ​​s razvojem biljnog svijeta te zbog apsorpcije tijekom određenih geoloških procesa. Budući da je efekt staklenika povezan s prisutnošću ugljičnog dioksida u atmosferi, neki znanstvenici smatraju da su fluktuacije u njegovoj koncentraciji jedan od važnih uzroka velikih klimatskih promjena u povijesti Zemlje, poput ledenih doba. Helij prisutan u modernoj atmosferi vjerojatno je uglavnom proizvod radioaktivnog raspada urana, torija i radija. Ovi radioaktivni elementi emitiraju alfa čestice, koje su jezgre atoma helija. Budući da se tijekom radioaktivnog raspada ne stvara niti gubi električni naboj, svaka alfa čestica ima dva elektrona. Kao rezultat toga, spaja se s njima, tvoreći neutralne atome helija. Radioaktivni elementi nalaze se u mineralima raspršenim u debljini stijena, pa se znatan dio helija koji nastaje kao posljedica radioaktivnog raspada zadržava u njima, vrlo sporo izlazeći u atmosferu. Difuzijom se određena količina helija diže prema gore u egzosferu, no zbog stalnog dotoka sa zemljine površine volumen tog plina u atmosferi je konstantan. Na temelju spektralne analize svjetlosti zvijezda i proučavanja meteorita, moguće je procijeniti relativnu zastupljenost različitih kemijskih elemenata u Svemiru. Koncentracija neona u svemiru je oko deset milijardi puta veća nego na Zemlji, kriptona deset milijuna puta, a ksenona milijun puta. Iz toga slijedi da se koncentracija tih inertnih plinova, koji su u početku bili prisutni u Zemljinoj atmosferi i nisu se obnavljali tijekom kemijskih reakcija, jako smanjila, vjerojatno čak iu fazi gubitka primarne atmosfere Zemlje. Izuzetak je inertni plin argon, jer u obliku izotopa 40Ar još uvijek nastaje tijekom radioaktivnog raspada izotopa kalija.
OPTIČKI FENOMENI
Raznolikost optičkih pojava u atmosferi posljedica je raznih razloga. Najčešći fenomeni uključuju munje (vidi gore) i vrlo spektakularne sjeverne i južne aurore (vidi također AURORA). Osim toga, posebno su zanimljivi duga, gal, parhelij (lažno sunce) i lukovi, korona, aureole i Brocken duhovi, fatamorgane, vatre svetog Elma, svjetleći oblaci, zelene i mrazne zrake. Duga je najljepša atmosferska pojava. Obično je to ogroman luk koji se sastoji od raznobojnih pruga, promatra se kada Sunce osvjetljava samo dio neba, a zrak je zasićen kapljicama vode, na primjer za vrijeme kiše. Višebojni lukovi raspoređeni su u spektralni niz (crvena, narančasta, žuta, zelena, plava, indigo, ljubičasta), ali boje gotovo nikad nisu čiste jer se pruge međusobno preklapaju. Obično, fizičke karakteristike Duge se značajno razlikuju, stoga su vrlo raznolike po izgledu. Njihovo zajedničko obilježje je da se središte luka uvijek nalazi na ravnoj liniji povučenoj od Sunca prema promatraču. Glavna duga je luk koji se sastoji od najsvjetlijih boja - crvene izvana i ljubičaste iznutra. Ponekad je vidljiv samo jedan luk, ali često se sekundarni pojavljuje s vanjske strane glavne duge. Nije tako svijetle boje kao prvi, a crvene i ljubičaste pruge u njemu mijenjaju mjesta: crvena se nalazi iznutra. Nastanak glavne duge objašnjava se dvostrukim lomom (vidi također OPTIKA) i jednostrukim unutarnjim odbijanjem sunčevih zraka (vidi sliku 5). Prodirući u kapljicu vode (A), zraka svjetlosti se lomi i razlaže, kao da prolazi kroz prizmu. Zatim dospije na suprotnu površinu kapi (B), reflektira se od nje i ostavi kap izvana (C). U tom slučaju se svjetlosna zraka lomi drugi put prije nego što stigne do promatrača. Početna bijela zraka se rastavlja na zrake različitih boja s kutom divergencije od 2°. Kada se formira sekundarna duga, dolazi do dvostrukog loma i dvostrukog odbijanja sunčevih zraka (vidi sliku 6). U tom slučaju dolazi do loma svjetlosti koja prodire u kap kroz njen donji dio (A) i odbija se od unutarnje površine kapi prvo u točki B, zatim u točki C. U točki D svjetlost se lomi, ostavljajući kap prema promatraču.





Pri izlasku i zalasku sunca promatrač vidi dugu u obliku luka, jednako pola krug, budući da je os duge paralelna s horizontom. Ako je Sunce više iznad horizonta, dugin luk je manji od polovine opsega. Kada se Sunce digne iznad 42° iznad horizonta, duga nestaje. Svugdje, osim na visokim geografskim širinama, duga se ne može pojaviti u podne, kada je Sunce previsoko. Zanimljivo je procijeniti udaljenost do duge. Iako se čini da se višebojni luk nalazi u istoj ravnini, to je iluzija. Naime, duga ima ogromnu dubinu, a može se zamisliti kao površina šupljeg stošca na čijem se vrhu nalazi promatrač. Os stošca povezuje Sunce, promatrača i središte duge. Promatrač gleda kao duž površine ovog stošca. Ne postoje dvije osobe koje mogu vidjeti potpuno istu dugu. Naravno, možete primijetiti u biti isti učinak, ali dvije duge zauzimaju različite položaje i formiraju ih različite kapljice vode. Kada kiša ili prskalica oblikuju dugu, puni optički učinak postiže se kombiniranim učinkom svih kapljica vode koje prelaze površinu duginog stošca s promatračem na vrhu. Uloga svake kapi je prolazna. Površina duginog stošca sastoji se od nekoliko slojeva. Brzo ih prelazeći i prolazeći kroz niz kritičnih točaka, svaka kap u trenutku razlaže sunčevu zraku na čitav spektar u strogo određenom nizu - od crvene do ljubičaste. Mnoge kapi sijeku površinu stošca na isti način, tako da se duga promatraču čini kao neprekinuta i duž i poprijeko svog luka. Haloi su bijeli ili prelivajući se svjetlosni lukovi i krugovi oko diska Sunca ili Mjeseca. Nastaju zbog loma ili odbijanja svjetlosti od kristala leda ili snijega u atmosferi. Kristali koji tvore aureolu nalaze se na površini zamišljenog stošca čija je os usmjerena od promatrača (od vrha stošca) prema Suncu. Pod određenim uvjetima, atmosfera može biti zasićena malim kristalima, čija mnoga lica tvore pravi kut s ravninom koja prolazi kroz Sunce, promatrača i te kristale. Takva lica reflektiraju nadolazeće svjetlosne zrake s odstupanjem od 22°, tvoreći aureolu koja je iznutra crvenkasta, ali se može sastojati i od svih boja spektra. Rjeđe je aureola s kutnim polumjerom od 46°, smještena koncentrično oko aureole od 22°. Njegova unutarnja strana također ima crvenkastu nijansu. Razlog tome je i lom svjetlosti, koji se u ovom slučaju događa na rubovima kristala koji tvore prave kutove. Širina prstena takve aureole prelazi 2,5°. Aureole od 46 i 22 stupnja obično su najsvjetlije na vrhu i dnu prstena. Rijetka aureola od 90 stupnjeva slabo je svjetlucav, gotovo bezbojan prsten koji dijeli zajedničko središte s dvije druge aureole. Ako je u boji, imat će crvenu boju s vanjske strane prstena. Mehanizam nastanka ove vrste aureole nije u potpunosti razjašnjen (slika 7).



Parhelije i lukovi. Parhelički krug (ili krug lažnih sunaca) je bijeli prsten sa središtem u točki zenita, koji prolazi kroz Sunce paralelno s horizontom. Razlog njegovog nastanka je refleksija sunčeve svjetlosti od rubova površina ledenih kristala. Ako su kristali dovoljno ravnomjerno raspoređeni u zraku, postaje vidljiv cijeli krug. Parhelije ili lažna sunca su jarko svijetleće točke koje podsjećaju na Sunce koje se formiraju na sjecištima parhelične kružnice s aureolama koje imaju kutne radijuse od 22°, 46° i 90°. Najčešći i najsvjetliji parhelij nastaje na sjecištu s aureolom od 22 stupnja, obično obojen u gotovo sve dugine boje. Lažna sunca na sjecištima s aureolama od 46 i 90 stupnjeva opažaju se puno rjeđe. Parhelije koje se pojavljuju na sjecištima s aureolama od 90 stupnjeva nazivaju se parantelije ili lažna protusunca. Ponekad je vidljiv i antelium (antis-sunce) - svijetla točka koja se nalazi na prstenu parhelija točno nasuprot Suncu. Pretpostavlja se da je uzrok ove pojave dvostruki unutarnji odraz sunčeve svjetlosti. Reflektirana zraka slijedi isti put kao i upadna zraka, ali u suprotnom smjeru. Luk blizu zenita, koji se ponekad netočno naziva gornji tangentni luk aureole od 46 stupnjeva, je luk od 90° ili manje sa središtem u zenitu, koji se nalazi približno 46° iznad Sunca. Rijetko je vidljiv i samo nekoliko minuta, svijetlih je boja, a crvena je ograničena na vanjsku stranu luka. Luk blizu zenita je izvanredan po svojoj boji, svjetlini i jasnim obrisima. Još jedan zanimljiv i vrlo rijedak optički efekt tipa halo je Lowitzov luk. Nastaju kao nastavak parhelija na sjecištu s aureolom od 22 stupnja, pružaju se s vanjske strane aureole i blago su konkavni prema Suncu. Stupovi bjelkaste svjetlosti, poput raznih križeva, ponekad su vidljivi u zoru ili sumrak, osobito u polarnim područjima, a mogu pratiti i Sunce i Mjesec. Ponekad se opažaju mjesečevi haloi i drugi efekti slični gore opisanim, s najčešćim lunarnim haloom (prstenom oko Mjeseca) koji ima kutni polumjer od 22°. Baš kao i lažna sunca, lažni mjeseci mogu nastati. Korone ili krune su mali koncentrični prstenovi boje oko Sunca, Mjeseca ili drugih svijetlih objekata koji se povremeno promatraju kada je izvor svjetlosti iza prozirnih oblaka. Polumjer korone manji je od polumjera aureole i iznosi cca. 1-5°, plavi ili ljubičasti prsten je najbliži Suncu. Korona nastaje kada se svjetlost rasprši na male kapljice vode, tvoreći oblak. Ponekad se korona pojavljuje kao svjetleća mrlja (ili aureola) koja okružuje Sunce (ili Mjesec), a koja završava crvenkastim prstenom. U drugim slučajevima, najmanje dva koncentrična prstena većeg promjera, vrlo slabo obojena, vidljiva su izvan aureole. Ovu pojavu prate oblaci duginih boja. Ponekad rubovi vrlo visokih oblaka imaju svijetle boje.
Glorija (aureole). U posebnim uvjetima dolazi do neobičnih atmosferskih pojava. Ako je Sunce iza promatrača, a njegova se sjena projicira na obližnje oblake ili zavjesu od magle, pod određenim stanjem atmosfere oko sjene nečije glave možete vidjeti obojeni svjetleći krug - aureolu. Tipično, takav halo nastaje zbog refleksije svjetlosti od kapljica rose na travnatom travnjaku. Glorije se također često nalaze oko sjene koju zrakoplov baca na oblake ispod njih.
Duhovi Brockena. U nekim dijelovima svijeta, kada sjena promatrača koji se nalazi na brdu pri izlasku ili zalasku sunca padne iza njega na oblake koji se nalaze na maloj udaljenosti, otkriva se zapanjujući učinak: sjena dobiva kolosalne dimenzije. To se događa zbog odbijanja i loma svjetlosti od sitnih kapljica vode u magli. Opisani fenomen nazvan je "Duh Brockena" po vrhu u planinama Harz u Njemačkoj.
fatamorgane- optički efekt uzrokovan lomom svjetlosti pri prolasku kroz slojeve zraka različite gustoće i izražen u pojavi virtualne slike. U tom slučaju, udaljeni objekti mogu izgledati kao da su podignuti ili spušteni u odnosu na njihov stvarni položaj, a mogu se i iskriviti i poprimiti nepravilne, fantastične oblike. Fatamorgane se često opažaju u vrućim klimama, kao što su pješčane ravnice. Niže fatamorgane su uobičajene, kada daleka, gotovo ravna pustinjska površina poprima izgled otvorene vode, posebno kada se gleda s blagog uzvišenja ili se jednostavno nalazi iznad sloja zagrijanog zraka. Ova se iluzija obično javlja na zagrijanoj asfaltnoj cesti, koja daleko ispred sebe izgleda kao vodena površina. U stvarnosti, ova površina je odraz neba. Ispod razine očiju, predmeti se mogu pojaviti u ovoj "vodi", obično naopako. Nad zagrijanom kopnenom površinom formira se "zračni slojni kolač", pri čemu je sloj najbliži tlu najtopliji i toliko razrijeđen da su svjetlosni valovi koji prolaze kroz njega izobličeni, budući da brzina njihovog širenja varira ovisno o gustoći medija. . Gornje fatamorgane su rjeđe i slikovitije od donjih. Udaljeni objekti (često smješteni iza morskog horizonta) pojavljuju se naopako na nebu, a ponekad se i uspravna slika istog objekta pojavljuje iznad. Ova pojava je tipična za hladne krajeve, posebno kada postoji značajna temperaturna inverzija, kada se iznad hladnijeg sloja nalazi topliji sloj zraka. Ovaj optički učinak očituje se kao rezultat složenih obrazaca širenja fronte svjetlosnih valova u slojevima zraka nehomogene gustoće. S vremena na vrijeme pojavljuju se vrlo neobične fatamorgane, osobito u polarnim područjima. Kada se fatamorgane pojave na kopnu, drveće i drugi dijelovi krajolika su naopačke. U svim slučajevima, objekti su jasnije vidljivi u gornjim fatamorganama nego u donjim. Kada je granica dviju zračnih masa okomita ravnina, ponekad se opažaju bočne fatamorgane.
Vatra svetog Elma. Neke optičke pojave u atmosferi (primjerice sjaj i najčešća meteorološka pojava - munje) su električne prirode. Mnogo su rjeđa svjetla svetog Elma - svjetleći blijedoplavi ili ljubičasti kistovi duljine od 30 cm do 1 m ili više, obično na vrhovima jarbola ili na krajevima dvorišta brodova na moru. Ponekad se čini da je cijela oprema broda prekrivena fosforom i svijetli. Vatra svetog Elma ponekad se pojavljuje na planinskim vrhovima, kao i na tornjevima i oštrim uglovima visokih zgrada. Ova pojava predstavlja četkasto električno pražnjenje na krajevima električnih vodiča kada jakost električnog polja u atmosferi oko njih jako poraste. Will-o'-the-wisps su slabi plavičasti ili zelenkasti sjaj koji se ponekad može primijetiti u močvarama, grobljima i kriptama. Često izgledaju poput plamena svijeće podignutog oko 30 cm iznad tla, tiho gori, ne dajući toplinu i lebdeći na trenutak iznad predmeta. Svjetlo se čini potpuno neuhvatljivim i, kada se promatrač približi, kao da se pomiče na drugo mjesto. Razlog za ovu pojavu je razgradnja organskih ostataka i spontano sagorijevanje močvarnog plina metana (CH4) ili fosfina (PH3). Will-o'-the-wisps imaju različite oblike, ponekad čak i sferične. Zelena zraka - bljesak smaragdno zelene sunčeve svjetlosti u trenutku kada posljednja zraka Sunca nestane iza horizonta. Crvena komponenta sunčeve svjetlosti nestaje prva, sve ostale slijede redom, a zadnja ostaje smaragdno zelena. Ova pojava događa se samo kada samo rub sunčevog diska ostane iznad horizonta, inače dolazi do miješanja boja. Krepuskularne zrake su divergentne zrake sunčeve svjetlosti koje postaju vidljive zbog njihove iluminacije prašine u visokim slojevima atmosfere. Sjene oblaka tvore tamne pruge, a zrake se šire između njih. Ovaj efekt se javlja kada je Sunce nisko na horizontu prije zore ili nakon zalaska sunca.

Atmosfera je plinoviti omotač našeg planeta koji se okreće zajedno sa Zemljom. Plin u atmosferi naziva se zrak. Atmosfera je u dodiru s hidrosferom i djelomično pokriva litosferu. Ali gornje granice teško je odrediti. Konvencionalno je prihvaćeno da se atmosfera proteže prema gore otprilike tri tisuće kilometara. Tamo glatko teče u bezzračni prostor.

Kemijski sastav Zemljine atmosfere

Formiranje kemijskog sastava atmosfere počelo je prije otprilike četiri milijarde godina. U početku se atmosfera sastojala samo od lakih plinova - helija i vodika. Prema znanstvenicima, prvi preduvjeti za stvaranje plinske ljuske oko Zemlje bile su vulkanske erupcije koje su, zajedno s lavom, ispuštale ogromne količine plinova. Nakon toga je započela izmjena plinova s ​​vodenim prostorima, sa živim organizmima i s proizvodima njihovih aktivnosti. Sastav zraka postupno se mijenjao i moderni oblik zabilježen prije nekoliko milijuna godina.

Glavne komponente atmosfere su dušik (oko 79%) i kisik (20%). Preostali postotak (1%) čine sljedeći plinovi: argon, neon, helij, metan, ugljikov dioksid, vodik, kripton, ksenon, ozon, amonijak, sumpor i dušikov dioksid, dušikov oksid i ugljikov monoksid, koji su uključeni u ovaj jedan posto.

Osim toga, zrak sadrži vodenu paru i čestice (pelud, prašinu, kristale soli, aerosolne nečistoće).

Nedavno su znanstvenici primijetili ne kvalitativnu, već kvantitativnu promjenu u nekim sastojcima zraka. A razlog tome je čovjek i njegove aktivnosti. Samo u posljednjih 100 godina, razine ugljičnog dioksida značajno su porasle! To je bremenito mnogim problemima, od kojih su najglobalniji klimatske promjene.

Formiranje vremena i klime

Atmosfera igra ključnu ulogu u oblikovanju klime i vremena na Zemlji. Mnogo ovisi o količini sunčeve svjetlosti, prirodi podloge i atmosferskoj cirkulaciji.

Pogledajmo čimbenike redom.

1. Atmosfera propušta toplinu sunčevih zraka i upija štetna zračenja. Stari Grci su znali da sunčeve zrake padaju na različite dijelove Zemlje pod različitim kutovima. Sama riječ "klima" u prijevodu sa starogrčkog znači "nagib". Dakle, na ekvatoru sunčeve zrake padaju gotovo okomito, zbog čega je ovdje jako vruće. Što je bliže polovima, to je veći kut nagiba. I temperatura pada.

2. Zbog neravnomjernog zagrijavanja Zemlje u atmosferi nastaju zračna strujanja. Klasificirani su prema veličini. Najmanji (desetci i stotine metara) su lokalni vjetrovi. Zatim slijede monsuni i pasati, ciklone i anticiklone te planetarne frontalne zone.

Sve te zračne mase neprestano se kreću. Neki od njih su prilično statični. Na primjer, pasati koji pušu iz suptropskog područja prema ekvatoru. Kretanje ostalih uvelike ovisi o atmosferskom tlaku.

3. Atmosferski tlak je još jedan faktor koji utječe na formiranje klime. To je tlak zraka na površini zemlje. Kao što je poznato, zračne mase kreću se iz područja visokog atmosferskog tlaka prema području gdje je taj tlak niži.

Dodijeljeno je ukupno 7 zona. Ekvator je zona niskog tlaka. Nadalje, s obje strane ekvatora do tridesetih geografskih širina nalazi se područje visokog tlaka. Od 30° do 60° - opet nizak tlak. A od 60° do polova je zona visokog tlaka. Između ovih zona kruže zračne mase. Oni koji dolaze s mora na kopno donose kišu i loše vrijeme, a oni koji pušu s kontinenata vedro i suho vrijeme. Na mjestima sudara zračnih struja formiraju se zone atmosferske fronte, koje karakteriziraju oborine i loše, vjetrovito vrijeme.

Znanstvenici su dokazali da čak i dobrobit osobe ovisi o atmosferskom tlaku. Prema međunarodnim standardima, normalni atmosferski tlak je 760 mm Hg. stupca na temperaturi od 0°C. Ovaj se pokazatelj izračunava za one površine kopna koje su gotovo na razini razine mora. S visinom tlak opada. Stoga, na primjer, za St. Petersburg 760 mm Hg. - ovo je norma. Ali za Moskvu, koja se nalazi više, normalni tlak je 748 mm Hg.

Tlak se ne mijenja samo okomito, već i vodoravno. Osobito se to osjeti tijekom prolaska ciklona.

Struktura atmosfere

Atmosfera podsjeća na slojevitu tortu. I svaki sloj ima svoje karakteristike.

. Troposfera- sloj najbliži Zemlji. "Debljina" ovog sloja mijenja se s udaljenošću od ekvatora. Iznad ekvatora, sloj se proteže prema gore za 16-18 km, u umjerenim zonama za 10-12 km, na polovima za 8-10 km.

Ovdje se nalazi 80% ukupne zračne mase i 90% vodene pare. Ovdje nastaju oblaci, nastaju ciklone i anticiklone. Temperatura zraka ovisi o nadmorskoj visini područja. U prosjeku se smanjuje za 0,65°C na svakih 100 metara.

. Tropopauza- prijelazni sloj atmosfere. Visina mu se kreće od nekoliko stotina metara do 1-2 km. Temperatura zraka ljeti je viša nego zimi. Na primjer, iznad polova zimi je -65° C. A iznad ekvatora je -70° C u bilo koje doba godine.

. Stratosfera- ovo je sloj čija gornja granica leži na nadmorskoj visini od 50-55 kilometara. Turbulencija je ovdje niska, sadržaj vodene pare u zraku je zanemariv. Ali ima puno ozona. Najveća mu je koncentracija na nadmorskoj visini od 20-25 km. U stratosferi temperatura zraka počinje rasti i doseže +0,8° C. To je zbog činjenice da ozonski omotač stupa u interakciju s ultraljubičastim zračenjem.

. Stratopauza- niski međusloj između stratosfere i mezosfere koji slijedi.

. Mezosfera- gornja granica ovog sloja je 80-85 kilometara. Ovdje se odvijaju složeni fotokemijski procesi koji uključuju slobodne radikale. Oni su ti koji daju taj nježni plavi sjaj našeg planeta, koji se vidi iz svemira.

Većina kometa i meteorita izgori u mezosferi.

. Mezopauza- sljedeći međusloj, temperatura zraka u kojoj je najmanje -90 °.

. Termosfera- donja granica počinje na nadmorskoj visini od 80 - 90 km, a gornja granica sloja ide približno na 800 km. Temperatura zraka raste. Može varirati od +500° C do +1000° C. Tijekom dana temperaturne fluktuacije iznose stotine stupnjeva! Ali zrak je ovdje toliko razrijeđen da razumijevanje pojma "temperatura" kako ga mi zamišljamo ovdje nije prikladno.

. Ionosfera- objedinjuje mezosferu, mezopauzu i termosferu. Ovdje se zrak uglavnom sastoji od molekula kisika i dušika, kao i kvazineutralne plazme. Sunčeve zrake koje ulaze u ionosferu snažno ioniziraju molekule zraka. U nižem sloju (do 90 km) stupanj ionizacije je nizak. Što je veći, veća je ionizacija. Dakle, na visini od 100-110 km elektroni su koncentrirani. To pomaže u reflektiranju kratkih i srednjih radio valova.

Najvažniji sloj ionosfere je onaj gornji koji se nalazi na visini od 150-400 km. Njegova je osobitost da reflektira radio valove, što olakšava prijenos radio signala na znatne udaljenosti.

U ionosferi se pojavljuje takav fenomen kao što je aurora.

. Egzosfera- sastoji se od atoma kisika, helija i vodika. Plin u ovom sloju je vrlo razrijeđen i atomi vodika često pobjegnu u svemir. Stoga se ovaj sloj naziva "zona disperzije".

Prvi znanstvenik koji je sugerirao da naša atmosfera ima težinu bio je Talijan E. Torricelli. Ostap Bender je, primjerice, u svom romanu “Zlatno tele” žalio kako je svaki čovjek pritisnut stupom zraka od 14 kg! Ali veliki spletkar se malo prevario. Odrasla osoba doživljava pritisak od 13-15 tona! Ali mi ne osjećamo tu težinu, jer je atmosferski tlak uravnotežen unutarnjim pritiskom osobe. Težina naše atmosfere je 5 300 000 000 000 000 tona. Brojka je kolosalna, iako je samo milijunti dio težine našeg planeta.