Атмосфера Земли – прослойка, состоящая из газов, частично прилегающая к поверхности Земли. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и земную кору, внешняя плавно переходит в околоземную часть космического пространства.
Общая информация.
На долю тропосферы приходится примерно 80 % от общей массы атмосферы, на долю стратосферы – примерно 20 %; масса мезосферы – не более 0,3 %, термосферы – меньше 0,05 % от общей массы атмосферы.
На основании электрических свойств и процессов в атмосфере выделяют ионосферу и нейтросферу.
В зависимости от состава и содержания газов в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера – это область (слой), где электромагнитные поля оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит гомосфера, хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она находится на высоте около 120 км.
Свойства и воздействие атмосферы на организм человека.
На высоте около 5 км над уровнем моря у обычного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Дыхание человека становится невозможным на высоте около 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.
Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту снижается и парциальное давление кислорода. В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа – 40 мм рт. ст., а паров воды – 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным – 87 мм рт. ст. С точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте около 19–20 км. На этой высоте давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. и температура кипения воды равна температуре тела – 36,6 оC, что приводит к кипению воды в межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины, скафандре и др., на этих высотах смерть наступает почти мгновенно.
Плотные слои воздуха – тропосфера и стратосфера – защищают нас от поражающего действия излучений и радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация – первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.
По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и другие.
В разрежённых слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60–90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100–130 км, знакомые каждому лётчику понятия числа Маха и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область баллистического полёта, управлять которым можно, используя реактивные силы или взаимодействием электромагнитных полей корабля с электромагнитными полями земли.
На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства – способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (то есть с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.
Рисунок 1 – Строение атмосферы Земли и ее физические величины.
Строение атмосферы.
Пограничный слой атмосферы
Нижний слой тропосферы (1–2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.
Тропосфера
Верхняя граница находится на высоте 8–10 км в полярных, 10–12 км в умеренных и 16–18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65 оC/100 метров.
Суммарная масса воздуха в атмосфере – (5,1–5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ± 0,0003)·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 оC – 0,0036 %, при 25 оC – 0,0023 %. За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,225 кг/м3, барометрическое давление 101,325 кПа, температура +15 0C, влажность 0 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11–25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25–40 км от минус 56,5 до +0,8 оС (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 оC), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века полагали, что на высоте 12 км (6 тыс. туазов) заканчивается атмосфера Земли. В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.
Стратопауза
Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 оC).
Мезосфера
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80–90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25–0,3) оC /100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и так далее, обусловливают свечение атмосферы.
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 оC).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. В соответствии с всеобщей договоренностью, линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Термосфера
Верхний предел – около 800 км. Температура растёт до высот 200–300 км, где достигает значений порядка 1500 оC, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») – основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.
Термопауза
Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно, температура практически не изменяется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Экзосфера – зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 500–1000 км (в зависимости от солнечной активности). Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в космическое пространство (диссипация). До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 оC в стратосфере до минус 110 оC в мезосфере.
На высоте около 2000–3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и космического происхождения.
Рисунок 2 – Температура и давление в зависимости от высоты.
Для перевода температуры из шкалы Кельвина (К) в градусы Цельсия (оC), достаточно от величины Кельвина отнять значение равное 273,15 и полученная величина будет соответствовать градусам Цельсия (пример: 850К – 273,15 = 576,85 оC). Никогда не используйте «градусы», когда речь идет шкале Кельвина, чтобы правильно произнести «850 К», просто скажите: «восемьсот пятьдесят по Кельвину». В шкале Кельвина применяется «абсолютная температура», и градусы не используются.
Вся наша атмосфера делится на зоны, границами которых являются температурные паузы (тропопауза, стратопауза, мезопауза), на данных промежутках температура практически не изменяется, что создает эффект прослоек, что затрудняет перемещение газов между ними. За термопаузой на высоте 200-600 км температура достигает значений: ночью (в тени Земли) от 480 до 980 оC, днем (на солнечной стороне) от 1200 до 1700 оC, с набором высоты температура только растет, на высоте 400 км находится космическая станция (МКС). Согласно научной литературе (Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика., М.: 2005. — 576 с. гл. 12, рис. 12.3, стр. 254., и другим источникам со времен СССР) температура не опускается ниже 480 оC, а на освещенной Солнцем стороне только возрастает до ~ 1500 оC, передача тепла через космическое пространство при помощи конвекции невозможно, по словам самих космонавтов температура на поверхности коробля в тени Земли составляет – 100 оC,а на солнечной стороне +150 оC, что-то не совпадает научная литература с данными космонавтов. При работе всей электроники и устройств выделяется тепло, так в замкнутом пространстве (космической станции) происходило бы постоянное увеличение температуры, так куда расходуется это тепло, передать его за пределы станции просто невозможно, да еще снаружи постоянно подогревается корпус солнечным излучением.
Как же работают все спутники и электроника в таких излучениях, температурных условиях открытого космоса, электроника ох как не любит изменения температуры и не все тут так чисто и правдоподобно как нам рассказывают.
Отдельного внимания заслуживает тема температуры и давления в космосе его воздействия на космический корабль, космонавтов, да и образа жизни на космической станции.
Автор публикации
Я верю в каждого человека, ведь к вопросам данности и бытия приходят все, рано или поздно, пусть это будет раньше того момента, когда исправить что-то просто не хватит времени..!
Только вместе, мы можем все, ведь нет ничего невозможного!