Что нужно знать об атмосфере — основные сведения

Что такое атмосфера

На некоторых планетах, состоящих в основном из газа, этот слой может обладать особенной плотностью и глубиной.

Описание признаков атмосферы

Земная атмосфера достигает около 10000 км от поверхности планеты и содержит в разных слоях газы, необходимые для сохранения стабильной планетарной температуры и обеспечения развития жизни. Присутствующие в ней воздушные потоки тесно связаны с гидросферой (планетарным водным массивом) и взаимно влияют друг на друга.

Атмосфера — это газовый слой, который окутывает землю и удерживается вместе с планетой силой тяжести. Среди ее наиболее важных функций следует отметить, что она обеспечивает живые существа газами, необходимыми для жизни, является частью гидрологического цикла, служит для защиты от космических лучей и распределяет энергию Солнца по всей Земле.

Структура и состав земной атмосферы

Атмосфера Земли имеет толщину около 1000 километров и, в свою очередь, делится на несколько последовательных концентрических слоев, которые простираются от поверхности планеты в космическое пространство. С учетом классификации в зависимости от распределения температуры мы можем разделить ее на:

• тропосферу;
• стратосферу;
• мезосферу;
• термосферу.

Этой газовой оболочке, окружающей Землю, понадобилось миллионы лет, чтобы достичь нынешней структуры и состава, которые делают жизнь возможной, поскольку она защищает живое существо от вредного воздействия ультрафиолетового солнечного излучения.

Она является главным защитным механизмом различных форм жизни. Атмосферные газы образуют смесь, которую мы знаем как воздух. Уже в древние времена «воздух» считался одним из основных элементов или элементарных веществ наряду с огнем, водой и землей.

Из чего состоит атмосфера

Земная атмосфера состоит из различных типов газов, основная масса которых накапливается на первых 11 км высоты (95 % воздуха находится в его начальном слое), а их общая масса составляет около 5,1⋅10¹⁸ кг.

Ее толщина невелика, так как его масса (около 99 %) сосредоточена в первых 30 км от поверхности земли. По этой причине элементы концентрируются и сжимаются вблизи поверхности, хотя они рассеиваются по мере увеличения высоты.

Основными газами, составляющими его, являются:

• азот (78,08 %);
• кислород (20,94 %);
• водяной пар (от 1 до 4 % на поверхностном уровне);
• аргон (0,93 %).

Другие газы присутствуют в незначительных количествах:

• диоксид углерода (0,04 %);
• неон (0,0018 %);
• гелий (0,0005 %);
• метан (0,0001 %) и другие. 

Все эти газы оказывают существенное влияние на климат Земли. Доли азота и кислорода необходимы для жизни человека, но оказывают меньшее влияние на атмосферные процессы и климат, причем наибольшее влияние оказывают переменные компоненты.

Со своей стороны, гетеросфера состоит из дифференцированных слоев молекулярного азота (80–400 км), атомарного кислорода (400–1100 км), гелия (1100–3500 км) и водорода (3500–10000 км).

Атмосферное давление и температура уменьшаются с высотой, поэтому внешние слои холодные и неплотные.

Считается, что нынешняя атмосфера развивалась из газов, выбрасываемых вулканами. Кислород, от которого зависит вся жизнь животных, вероятно, накапливается как избыток выбросов от растений, производящих его в качестве отходов во время фотосинтеза. Деятельность человека может влиять на уровни некоторых важных компонентов атмосферы, особенно углекислого газа и озона.

Атмосфера практически прозрачна для коротковолнового солнечного излучения, хотя она может поглощать длинноволновое излучение, которое является земным излучением. По этой причине она нагревается снизу.

Чем дальше от Земли, тем ниже температура. Часть излучения Земли поглощается газами в атмосфере, что предотвращает утечку всего тепла. Другими парниковыми газами являются пары CO2 и воды, которые также поглощают инфракрасное излучение. Это способствует повышению температуры в нижней части тропосферы.

Слои атмосферы Земли в порядке возрастания

Из каких слоев состоит атмосфера

Внутреннее строение атмосферы можно разделить на вертикальные слои, определяемые тем, как температура изменяется с высотой. Самый близкий к поверхности слой — тропосфера, которая содержит более 80 % атмосферной массы и почти весь водяной пар.

Следующий слой, стратосфера, содержит большую часть озона атмосферы, который поглощает высокоэнергетическое излучение Солнца и делает возможной жизнь на поверхности. Над стратосферой находятся мезосфера и термосфера. Эти два слоя включают области заряженных атомов и молекул или ионов. Названный ионосферой, этот регион важен для радиосвязи, поскольку радиоволны могут отскакивать от слоя и перемещаться на большие расстояния.

Зоны атмосферы

Ниже приведена классификация слоев атмосферы на основе распределения температур и в зависимости от высоты. 

Тропосфера

В ней происходят вертикальные и горизонтальные движения воздушных масс. Он хранит около 75% атмосферного материала планеты, в нем происходят метеорологические явления, поэтому его называют климатическим слоем и, кроме того, он действует как тепловой контроллер.

В этом слое температура уменьшается с высотой. Каждые 100 м подъема температура уменьшается на 0,64 °С.

Температура тропосферы

В целом можно считать, что тропосфера имеет однородный состав, поскольку существует непрерывная смесь газов из-за перепадов давлений, которые вызывают глобальную циркуляцию больших воздушных масс на Земле. Также на местном уровне в зависимости от рельефа местности и метеорологии происходят движения и смешивание воздушных масс.

В этом слое, где происходят значительные вертикальные и горизонтальные движения воздушных масс (ветров), рассеивается большая часть загрязняющих веществ, и именно здесь происходят погодные явления.

Тропосфера делает жизнь возможной, потому что в ней сосредоточено большинство атмосферных жидкостей и водяного пара, что облегчает ее развитие. Она контролирует различные температуры планеты; без этого тепловые различия между днем и ночью были бы слишком большими, и человек не смог бы выжить.

Воздух теплее во внутренней части тропосферы вблизи границы земли, оттуда тепло выделяется в воздух над ним, и горячий воздух поднимается вверх, именно так солнечный свет нагревает Землю и океаны. Все это объединяет газы тропосферы.

В верхней части воздух охлаждается, температура составляет около -56 °C, а по мере его подъема воздух также становится легче (поэтому альпинисты нуждаются в дополнительном кислороде), давление и концентрация воздуха также ниже на больших высотах.

Практически все молекулы водяного пара и пыли из атмосферы расположены в тропосфере, поэтому большая часть облаков также находится в этом более глубоком слое. Нижняя часть тропосферы, которая находится над поверхностью Земли, называется «пограничным слоем».

В верхней части тропосферы находится тропопауза — идеальная поверхность, обозначающая начало стратосферы, на высоте, где температура достигает примерно -57 °C.

Из слоев атмосферы тропосфера является наиболее неудобной для астрономов, поскольку она препятствует правильному наблюдению за звездами, что привело к созданию орбитальных космических телескопов. Важно отметить, что тропосфера содержит 75 % всего скопления газов в атмосфере и 98 % всего водяного пара.

Кроме того, температура воды снижается с высотой на 4–6 °C/км. В этом слое теплопередачи возникают из-за турбулентности и ветра, водный обмен из-за газификации и осадков, скорость ветра растет с высотой, а самые высокие облака описывают высоту 10 км.

Стратосфера

Стратосфера простирается от тропопаузы (высота 15 км) до стратопаузы (высота 50 км). В ней мы можем выделить две части: нижнюю стратосферу с постоянной температурой, и верхнюю стратосферу, в которой температура увеличивается по мере того, как мы поднимаемся и можем достичь 60 °C в самой высокой точке, совпадающей со стратопаузой.

Повышение температуры в стратосфере обусловлено присутствием озона (O3), который расположен примерно на высоте 20–40 километров и способен поглощать большую часть ультрафиолетового излучения (с λ менее 360 нм), исходящего от Солнца, что приводит к эффекту потепления.

Около 20 % массы атмосферы содержится в стратосфере. Стратосфера стратифицирована по температуре, с более теплыми слоями наверху и более холодными слоями ближе к Земле. Повышение температуры с высотой является результатом поглощения ультрафиолетового излучения Солнца озоном. Это контрастирует с тропосферой вблизи поверхности Земли, где температура уменьшается с высотой.

1. Этот слой достигает 50–60 км.
2. В этом слое температура постепенно повышается с увеличением высоты, что объясняется присутствием озона (присутствующий озон поглощает ультрафиолетовые (УФ) лучи и нагревается).
3. Озон представляет собой газ, состоящий из трех атомов кислорода, который остается стабильным только при определенных условиях температуры и давления, следовательно, имеет различную толщину.
4. Этот слой содержит около 90 % общего озона атмосферы. Он действует как фильтр, поглощая высокочастотное ультрафиолетовое излучение.

Мезосфера

Температура уменьшается с высотой по всей мезосфере. Самые низкие температуры в атмосфере Земли (≈ -90 °C) находятся вблизи верхней части этого слоя.

Граница между мезосферой и термосферой называется мезопаузой. В нижней части мезосферы находится стратопауза, граница между мезосферой и стратосферой.

Ученые используют приборы на зондирующих ракетах для непосредственного отбора проб мезосферы, но такие полеты кратковременны и нечасты. Поскольку трудно проводить измерения мезосферы непосредственно с помощью приборов, многое в мезосфере все еще остается загадочным.

Большинство метеоритов испаряется в мезосфере. Некоторый материал от метеоритов задерживается в мезосфере, в результате чего в этом слое относительно высокая концентрация атомов железа и других металлов.

В мезосфере вблизи полюсов иногда образуются очень странные высотные облака, называемые «серебристыми облаками» или «полярными мезосферными облаками». Эти своеобразные облака формируются намного выше, чем другие типы облаков.

Мезосфера, как и стратосфера под ней, намного суше, чем влажная тропосфера, в которой мы живем, что делает образование облаков в этом слое немного неожиданным. Странные электрические разряды, похожие на молнии, называемые «эльфами», иногда появляются в мезосфере в десятках километров над грозовыми облаками в тропосфере внизу.

Стратосферу и мезосферу вместе иногда называют средней атмосферой. В мезопаузе (верхней части мезосферы) и ниже газы, состоящие из различных типов атомов и молекул, тщательно перемешиваются в результате турбулентности в атмосфере. Над мезосферой, в термосфере и за ее пределами частицы газа сталкиваются так редко, что газы становятся несколько разделенными в зависимости от типов содержащихся в них химических элементов.

Различные типы волн и приливов в атмосфере влияют на мезосферу. Эти волны и приливы переносят энергию из тропосферы и стратосферы вверх в мезосферу, управляя большей частью ее глобальной циркуляции.

1. Простирается до 80 км.
2. Температура в данном слое снова снижается до -100 °C.
3. Это слой очень низкой плотности.
4. Этот слой содержит только около 1 % от общей массы атмосферы.
5. В ней происходит распад метеоритов.

Термосфера

Температура

Как и в стратосфере, температура в термосфере увеличивается с увеличением расстояния от Земли. Температура в верхней термосфере может варьироваться от 500 °C до 2000 °C или выше, что делает его самым горячим слоем атмосферы. Известно, что термосфера обычно на 200 °C теплее днем, чем ночью.

Далее мы находим термосферу или ионосферу. Она простирается от примерно 90 км (56 миль) в высоту до 500–1000 км (311–621 миль) над нашей планетой. Ее толщина колеблется от 400 до 900 км.

Состав термосферы

Воздух в нижних слоях атмосферы состоит в основном из 80 % молекул азота (N2) и 20 % молекул кислорода (O2). В термосфере атомарный кислород, атомный азот и гелий являются основными компонентами воздуха. Там частицы газа сталкиваются так редко, что газы разделяются в зависимости от типов химических элементов, которые они содержат.

1. Переходная зона между термосферой и мезосферой известна как мезопауза.
2. Область перехода между термосферой и экзосферой известна как термопауза.
3. Хотя термосфера по-прежнему считается частью атмосферы Земли, она имеет такую низкую плотность воздуха, что ее часто считают частью космического пространства. Фактически, станция и международный космический челнок вращаются вокруг Земли в этом атмосферном слое.
4. По оценкам, 99,99 % атмосферы Земли находится ниже термосферы, несмотря на ее размер. Это потому, что воздух в этом слое очень тонкий.

Термосфера помогает защищать и регулировать температуру Земли, поглощая большую часть ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей, испускаемых Солнцем. Когда Солнце более активно, термосфера нагревается и увеличивается в размерах, увеличивая свою защитную силу. Ультрафиолетовое излучение играет фундаментальную роль в этом слое из-за его способности диссоциировать существующие молекулы азота и кислорода.

Как и в океанах, атмосфера Земли испытывает волны и приливы, которые помогают перемещать энергию внутри нее. Ветры и общая циркуляция термосферы являются сильными движущими силами этих приливов и волн.

Одно из самых удивительных и видимых человеку природных явлений происходит в основном в термосфере — речь идет о северном сиянии.

Экзосфера

От 600 до 800 км начинается внешний слой (или экзосфера), который содержит только 1 % от общей массы атмосферы. Его газы находятся в атомном состоянии и могут простираться до 1200 км.

Высота и толщина

1. Экзосфера начинается на расстоянии 500–1000 км от поверхности Земли и заканчивается примерно в 10 000 км от поверхности.
2. Теоретическая верхняя граница экзосферы составляет 190000 км (на полпути к Луне), в точке, в которой излучение, исходящее от Солнца, преодолевает гравитационное притяжение Земли на атмосферные частицы. Однако большинство ученых считают 10 000 км официальной границей между земной атмосферой и межпланетным пространством.
3. Учитывая, что на границу экзосферы по-прежнему влияет гравитация Земли (в 190 000 км от поверхности земли), тогда экзосфера будет самым большим/самым толстым слоем атмосферы, достигающим толщины более 189 000 км.

Температура

Температура в экзосфере резко варьируется, так как она может варьироваться от 0 до более 1700 °C. Температура падает ночью и поднимается в течение дня.

Состав и плотность

Слой экзосферы состоит в основном из очень низких плотностей водорода, гелия и других более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ ближе к экзобазе. Атомы и молекулы находятся так далеко друг от друга, что они могут путешествовать на сотни километров, не сталкиваясь друг с другом; вот почему экзосфера больше не ведет себя как газ, и ее частицы постоянно выходят в космос.

1. Геокорона — это часть экзосферы, которая видна с Земли.
2. Давление в экзосфере создается солнечными штормами, которые сжимают ее.
3. Экзосфера простирается в темно-черную/синюю область за пределами Земли, в то время как мезосфера темно-синяя, а стратосфера и тропосфера являются облачными областями, будучи ближе к Земле.

Хотя экзосфера является самым отдаленным слоем земной атмосферы, она представляет собой первую линию защиты планеты от солнечных лучей. Это также первый слой, который вступает в контакт и защищает Землю от метеоров, астероидов и космических лучей.

Известно, что термосфера расширяется при воздействии солнечного излучения. Поэтому, если бы не экзосфера, термосфера не могла бы перестать расширяться, и атмосфера Земли не работала бы должным образом.

Экзосфера является идеальным слоем для размещения спутников, так как в ней очень мало трения, и спутники могут довольно легко вращаться.

Границы, давление и толщина атмосферы Земли

Атмосфера не заканчивается внезапно на определенной высоте, но становится все тоньше и тусклее с высотой. Для некоторых земная атмосфера заканчивается там, где простираются самые внешние слои Земли: термосфера и экзосфера. Если бы это было так, концепция атмосферы достигла бы примерно 10 000 км над уровнем моря. Там плотность воздуха крайне низкая.

Другое более строгое определение предполагает, что оно заканчивается там, где плотность атмосферы становится настолько низкой, что скорость воздушного судна для аэродинамического подъема с помощью крыльев и пропеллеров должна быть сопоставима с орбитальной скоростью на той же высоте, и поэтому, достигнув этой высоты с помощью этих средств, крылья больше не будут использоваться для поддержания космического корабля.

Так возникает так называемая Линия Кармана, которая является произвольным определением на основе соображений авиационного типа. Линия Кармана определяется как граница между атмосферой и космическим пространством для целей авиации и космонавтики.

Это определение принимается Международной авиационной федерацией, которая является организацией, занимающейся установлением международных стандартов и признающей рекорды в аэронавтике и космонавтике. Ее высота составляет порядка 100 км, но 122 км используется в качестве эталона линии повторного входа космических аппаратов.

Атмосфера состоит из пяти слоев, простирающихся от поверхности Земли до высоты от 600 до 10000 км. Далее мы окажемся в космосе.

Тропосфера (0–12 км), Стратосфера (12–50 км), Мезосфера (50–80 км), Термосфера (80–500 км) и Экзосфера (500–10000 км). Слой, прикрепленный к поверхности планеты, является тропосферой, и внутри нее находится пограничный слой.

Этот слой простирается от земли примерно до 1 км в высоту. Это необычайно важно для нас, потому что именно в нем развиваются почти все погодные явления, которые влияют на нас ежедневно, и где существуют различные типы климата.

В этом слое смешиваются водяной пар, загрязнение, аэрозоли и молекулярные частицы. Его высота варьируется в зависимости от множества факторов, таких как интенсивность ветра, природа лесной массы и сама топография ландшафта.

От этого зависит степень нагрева или охлаждения почвы. Все эти факторы влияют на то, что эта зона увеличивается или уменьшается в зависимости от часового пояса дня и местоположения. Короче говоря, это самый важный слой для развития человеческой жизни.

Давление атмосферы

Чем выше высота поверхности земли относительно уровня моря, тем ниже давление воздуха.

Атмосферное давление обусловлено весом воздуха над определенной точкой земной поверхности, поэтому, логично предположить, что чем выше находится точка, тем меньше будет давление.

Возьмем в качестве эталона уровень моря, где атмосферному давлению присваивается значение 1 атм. Тогда на вершине, расположенной на высоте около 1500 метров над уровнем моря, атмосферное давление стоит около 0,83 атм, то есть давление уменьшается с высотой.

Атмосферное давление на поверхности Земли получает единицу 1,0 атмосферы (атм). Единицей СИ для давления является Паскаль (Па).

Ключевым показателем газофазных молекул является их давление.

1. Все атомы и молекулы в атмосфере Земли находятся в руках гравитационной силы планеты. Сила уменьшается с расстоянием, поэтому частицы остаются менее плотными с увеличением расстояния между ними и Землей (высота).
2. Плотность газа, которая представляет собой массу частиц газа в каждом литре объема, уменьшается с увеличением высоты.
3. Вес колонны частиц газа, то есть гравитационная сила Земли, действующая на массу частиц газа, должна уменьшаться с увеличением высоты. Этот вес — атмосферное давление.

Отмечается, что чем выше высота, тем ниже давление в атмосфере. Таблица давления атмосферы в зависимости от высоты.

Толщина атмосферы Земли

Атмосфера Земли имеет толщину около 1000 км, но большая часть ее массы находится в первых 16 км от поверхности.

1. Экзосфера: это внешний слой атмосферы, толщиной около 500 км. Его плотность низкая, так как она состоит из легких газов, таких как молекулярный водород. В ней перемещаются вокруг Земли искусственные спутники, которые очень важны для радиоволновой и телевизионной связи.
2. Термосфера: простирается примерно на 400 км от поверхности нашей планеты. В его самой высокой зоне радиоволны отражаются для передачи в другие точки Земли. Он действует на экране, защищая нас от падения метеоритов. В ней происходит северное сияние.
3. Мезосфера: простирается от верхнего края стратосферы до 80 км. Она состоит из озона и азота.
4. Стратосфера: достигает примерно 30 км над поверхностью Земли. В ней начинается озоновый слой.
5. Тропосфера: ее толщина колеблется от 8 до 16 км. Она содержит почти весь водяной пар, и в нем образуются облака.

Значение атмосферы Земли

Атмосфера играет жизненно важную роль в защите планеты и, следовательно, жизни. Ее плотность отклоняет или ослабляет формы электромагнитного излучения, исходящие из космоса, а также возможные метеориты и объекты, большинство из которых растворяется в результате трения с газами при входе в нее.

Кроме того, в стратосфере находится озоновый слой (озоносфера), препятствующий прямому доступу солнечной радиации к поверхности Земли, тем самым поддерживающий стабильную температуру планеты. В то же время масса газов препятствует быстрому рассеиванию тепла в космос, что называется парниковым эффектом.

Наконец, атмосфера содержит газы, необходимые для жизни, как мы ее знаем, и играет жизненно важную роль в сохранении водного цикла испарения, конденсации и осаждения воды.

В качестве основного определения климат — это состояние атмосферы. Большая часть климата происходит в тропосфере, самом нижнем слое атмосферы. Климат состоит из нескольких параметров, включая температуру воздуха, атмосферное давление, влажность, осадки, солнечную радиацию и ветер. Каждый из этих факторов может быть измерен для определения типичных погодных условий и для определения качества местных атмосферных условий.

Обычные взаимодействия между гидросферой и атмосферой состоят в основном из глобального круговорота воды. В этом цикле вода с поверхности земли и почвы испаряется из-за тепла солнца. Полученный водяной пар перемещается в атмосферу, где он превращается в капли воды при охлаждении; затем эти капли объединяются, образуют облака в процессе, известном как конденсация, и снова падают в виде осадков, обычно в виде дождя. Оказавшись на земле, вода течет в реки, ручьи, озера и падает прямо в океан, где цикл начинается снова.

Миллионы лет назад атмосфера образовалась в результате дегазации планеты, когда она находилась в процессе охлаждения, в начале ее образования; в этом процессе значительная часть газообразных веществ превращалась в жидкие или твердые.

В атмосфере Земли происходят такие погодные явления, как дождь, ветер, штормы и циклоны. Живые существа адаптировались к некоторым из них в ходе эволюции. Атмосфера отвечает за регулирование температуры поверхности Земли, поскольку она фильтрует солнечные лучи, которые падают на нее; без атмосферы жизнь на Земле не существовала бы.

Значение атмосферных газов

Углекислый газ (CO2) влияет на климат Земли и играет важную вспомогательную роль в биосфере, для популяции живых существ, населяющих поверхность Земли. Только около 0,0325 % атмосферы составляет CO2. Жизнь растений требует углекислого газа для фотосинтеза, процесса использования солнечного света для хранения энергии в виде простых сахаров, от которых зависит вся жизнь на Земле. 

Углекислый газ также является одним из класса соединений, называемых парниковыми газами. Эти газы состоят из молекул, поглощающих и излучающих инфракрасное излучение, которое мы чувствуем как тепло.

Солнечная энергия, излучаемая от Солнца, в основном находится в видимом диапазоне, в узкой полосе длин волн. Это излучение поглощается поверхностью Земли, а затем излучается обратно в космос не как видимый свет, а как инфракрасное излучение с более длинной длиной волны.

Молекулы парниковых газов поглощают часть этого излучения до того, как оно выйдет в космос, и возвращают часть его обратно на поверхность. Таким образом, эти газы улавливают часть уходящего тепла и повышают общую температуру атмосферы. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, поверхность земли, по оценкам, была бы на 32 °C холоднее.

Водяной пар (Н2О) находится в атмосфере в небольших и сильно изменяющихся количествах. Хотя он почти отсутствует в большей части атмосферы, его концентрация может варьироваться до 4 % в очень теплых и влажных районах у поверхности. Несмотря на относительную нехватку, атмосферная вода, вероятно, оказывает большее влияние на землю, чем любой из основных газов, кроме кислорода.

При достаточном охлаждении водяной пар образует облака, которые при конденсации образуют капли жидкой воды или, при более низких температурах, твердые кристаллы льда. Помимо создания дождя или снега, облака влияют на климат Земли, отражая часть энергии, исходящей от солнца, делая планету несколько холоднее. Водяной пар также является важным парниковым газом. Он сосредоточен вблизи поверхности и гораздо чаще встречается вблизи тропиков, чем в полярных регионах.

Озон (O3) находится почти полностью в слое около 15–60 км. Озоновый газ раздражает глаза и кожу людей и химически атакует резину и растительную ткань. Однако он жизненно важен для жизни на Земле, потому что поглощает большую часть высокоэнергетического излучения Солнца, которое вредно для растений и животных.

Часть энергии, излучаемой солнцем, находится в ультрафиолетовой (УФ) области. Это излучение с более короткой длиной волны отвечает за бронзаторы и достаточно мощно, чтобы повредить клетки, вызвать рак кожи и солнечный ожог.

Молекулы озона вместе с молекулами кислорода О2 поглощают почти все высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, защищая поверхность Земли от самого вредного излучения. Первый шаг в этом процессе происходит в атмосфере, где молекулы О2 поглощают ультрафиолетовое излучение очень высокой энергии.

При этом каждая поглощающая молекула делится на два атома кислорода. Атомы кислорода в конечном итоге сталкиваются с другой молекулой О2, образуя молекулу озона (третья молекула требуется при столкновении для удаления избыточной энергии).

Озон, в свою очередь, может поглощать ультрафиолетовые лучи немного более длинной длины волны, которая удаляет один из его атомов кислорода и оставляет О2. Свободный атом кислорода, будучи очень реактивным, почти сразу рекомбинирует с другим O2, образуя больше озона.

Последние два этапа этого цикла повторяются, но они не создают новых химических соединений; они действуют только для поглощения ультрафиолетового излучения. Количество озона в стратосфере незначительно. Если бы все было перенесено на поверхность, озоновый газ образовал бы слой толщиной около 2,5–4,0 мм). Этого слоя, столь же тонкого, как и он, достаточно, чтобы защитить обитателей Земли от вредной солнечной радиации.

Влияние человека на атмосферу

С тех пор как началась промышленная революция, деятельность человека (главным образом промышленная деятельность и сжигание ископаемого топлива) в больших масштабах меняет химический состав составляющих атмосферы (т. е. компонентов, которые не являются кислородом, азотом или аргоном). Эти изменения в химическом составе атмосферы можно разделить на три вида в зависимости от их воздействия:

• разрушение компонентов, защищающих живые организмы;
• выбросы вредных для здоровья газов и твердых частиц;
• выбросы газов и твердых частиц, которые нарушают радиационный баланс Земли и тем самым изменяют климат.

1. Первый тип включает разрушение озонового слоя в стратосфере (атмосферный слой высотой от 10 до 50 км) в результате выбросов ХФУ (газов, используемых в контурах охлаждения). Озоновый слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения от солнца. Истончение озонового слоя приводит к тому, что большее количество ультрафиолетового излучения достигает поверхности Земли, что оказывает вредное воздействие на живые существа. Монреальский протокол согласился прекратить производство этих газов, в результате чего они перестали выбрасываться в атмосферу. Тем не менее те, которые были выпущены в прошлом, все еще будут оставаться в стратосфере довольно много лет. Озоновый слой перестал ухудшаться, но еще не восстановил свою толщину до выбросов ХФУ.
2. Второй тип охватывает выпуск реактивных газов (оксидов азота, оксидов серы, оксида углерода, аммиака, летучих органических соединений) и аэрозолей (твердых или жидких частиц, например, нитратов и сульфатов), которые влияют на качество воздуха. Наличие высоких концентраций этих соединений в непосредственной близости от излучающих очагов может оказывать пагубное воздействие на здоровье людей и других живых существ. Органы, отвечающие за качество воздуха в городах, следят за тем, чтобы пороги концентрации, установленные действующим законодательством, не превышались.
3. Третий тип включает выбросы парниковых газов: диоксид углерода, метан, закись азота, тропосферный озон, гексафторид серы, ХФУ. Средняя температура на поверхности Земли определяется балансом между солнечной радиацией, поглощаемой земной поверхностью (нагревающей ее), и инфракрасным излучением, излучаемым в космос (охлаждающим ее). И то, и другое, видимый свет от солнца и инфракрасное излучение — это два различных типа электромагнитного излучения. Например, камеры ночного видения, позволяющие видеть в отсутствие видимого света, обнаруживают инфракрасное излучение. Поверхность земли и объекты на ней излучают инфракрасное излучение, тем больше, когда температура выше. Парниковые газы из атмосферы затрудняют выход инфракрасного излучения в космос, в результате чего температура поверхности земли становится выше, чем больше количество парниковых газов в атмосфере.

В отсутствие парниковых газов в атмосфере средняя температура планеты была бы намного холоднее: около -20 °C, а не нынешних +15 °C. Однако существенное увеличение выбросов парниковых газов в атмосферу в процентах после промышленной революции (углекислый газ увеличился на 38 %, метан — на 158 %, закись азота — на 19 %) усиливает парниковый эффект.

Мы находимся в переходном состоянии, когда потепление поглощением видимого света превосходит охлаждение излучением инфракрасного излучения, и поэтому средняя температура планеты растет, хотя и очень медленно, из-за большой тепловой инерции океанов. Температура будет продолжать расти до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние радиационного равновесия, соответствующее новым концентрациям парниковых газов.