Библиотечная система Университета Питтсбурга

Перейти к основному содержанию

Часов

Часов

Загляните в библиотеку за час до посещения!

Найти эксперта

Найти эксперта

Свяжитесь с экспертом в вашей области исследования!

Спросите нас

Спросите нас

Есть вопрос? Мы можем помочь!

В центре внимания…

Лаборатория текста и контекста, партнерство Центра творчества и университетской библиотечной системы на третьем этаже библиотеки Хиллмана, обеспечивает активную среду для создания, обработки и/или разборки текста, включая изготовление бумаги , переплет и многое другое!

•  
• 1 из 7
• следующий ›

Мероприятия и семинары

Подробнее…

Экспонаты

частей атмосферы

Мы живем на дне невидимого океана, называемого атмосферой, слоя газа, окружающего нашу планету. Азот и кислород составляют 99 процентов газов в сухом воздухе, при этом аргон, углекислый газ, гелий, неон и другие газы составляют ничтожную часть. Водяной пар и пыль также входят в состав атмосферы Земли. У других планет и лун совсем другая атмосфера, а у некоторых вообще нет атмосферы.

Атмосфера настолько растянута, что мы едва ее замечаем, но ее вес равен слою воды глубиной более 10 метров (34 фута), покрывающему всю планету. Нижние 30 километров (19 миль) атмосферы содержат около 98 процентов ее массы. Атмосфера — воздух — намного тоньше на больших высотах. В космосе нет атмосферы.

Ученые говорят, что многие газы в нашей атмосфере были выброшены в воздух ранними вулканами. В то время вокруг Земли было бы мало или совсем не было бы свободного кислорода. Свободный кислород состоит из молекул кислорода, не связанных с другим элементом, таким как углерод (для образования углекислого газа) или водород (для образования воды).

Свободный кислород мог быть добавлен в атмосферу примитивными организмами, возможно бактериями, во время фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс, который растения или другие автотрофы используют для получения пищи и кислорода из углекислого газа и воды. Позже более сложные формы растительной жизни добавили в атмосферу больше кислорода. На накопление кислорода в сегодняшней атмосфере, вероятно, ушли миллионы лет.

Атмосфера действует как гигантский фильтр, не пропускающий большую часть ультрафиолетового излучения и пропускающий солнечные лучи. Ультрафиолетовое излучение вредно для живых существ и вызывает солнечные ожоги. Солнечное тепло, с другой стороны, необходимо для всей жизни на Земле.

Атмосфера Земли имеет слоистую структуру. От земли к небу выделяют слои тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Другой слой, называемый ионосферой, простирается от мезосферы до экзосферы. За экзосферой находится космическое пространство. Границы между слоями атмосферы четко не определены и меняются в зависимости от широты и времени года.

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы. В среднем тропосфера простирается от земли до примерно 10 километров (шести миль) в высоту, от примерно 6 километров (четырех миль) на полюсах до более 16 километров (10 миль) на экваторе.

Почти вся погода развивается в тропосфере, потому что она содержит почти весь водяной пар атмосферы. Облака, от низинного тумана до грозовых до высокогорных перистых, формируются в тропосфере. Воздушные массы, области систем высокого и низкого давления, перемещаются ветрами в тропосфере. Эти погодные системы приводят к ежедневным изменениям погоды, а также к сезонным погодным условиям и климатическим системам, таким как Эль-Ниньо.

Воздух в тропосфере истончается по мере увеличения высоты. Например, на вершине горы Эверест в Непале меньше молекул кислорода, чем на пляже на Гавайях. Вот почему альпинисты часто используют баллоны с кислородом при восхождении на высокие вершины. Разреженный воздух также является причиной того, что вертолетам трудно маневрировать на больших высотах. На самом деле вертолет не мог приземлиться на Эверест до 2005 г.

По мере того, как воздух в тропосфере истончается, температура падает. Вот почему горные вершины обычно намного холоднее, чем долины под ними.

Солнечное тепло легко проникает в тропосферу. Этот слой также поглощает тепло, которое отражается от земли в процессе, называемом парниковым эффектом. Парниковый эффект необходим для жизни на Земле. Наиболее распространенными парниковыми газами в атмосфере являются углекислый газ, водяной пар и метан.

Быстрые высотные ветры, называемые струйными течениями, кружатся вокруг планеты вблизи верхней границы тропосферы. Реактивные потоки чрезвычайно важны для авиационной отрасли. Самолеты экономят время и деньги, летая в струйных течениях, а не в нижней тропосфере, где воздух плотнее.

Стратосфера
Тропосфера имеет тенденцию меняться внезапно и бурно, но стратосфера спокойна. Стратосфера простирается от тропопаузы, верхней границы тропосферы, примерно до 50 километров (32 миль) над поверхностью Земли.

В стратосфере дуют сильные горизонтальные ветры, но турбулентность небольшая. Это идеально подходит для самолетов, которые могут летать в этой части атмосферы.

Стратосфера очень сухая, а облака редки. Те, что образуются, тонкие и тонкие. Их называют перламутровыми облаками. Иногда их называют перламутровыми облаками, потому что их цвета похожи на те, что внутри раковины моллюска.

Стратосфера имеет решающее значение для жизни на Земле, потому что она содержит небольшое количество озона, формы кислорода, которая предотвращает попадание вредного ультрафиолетового излучения на Землю. Область в стратосфере, где находится эта тонкая оболочка озона, называется озоновым слоем. Озоновый слой стратосферы неравномерен и тоньше у полюсов. Количество озона в атмосфере Земли неуклонно снижается. Ученые связывают использование химических веществ, таких как хлорфторуглероды (ХФУ), с разрушением озонового слоя.

Мезосфера

Мезосфера простирается от стратопаузы (верхняя граница стратосферы) до примерно 85 километров (53 миль) над поверхностью Земли. Здесь температура снова начинает падать.

В мезосфере самые низкие температуры в атмосфере, опускающиеся до -120 градусов по Цельсию (-184 градуса по Фаренгейту или 153 кельвина). Мезосфера также имеет самые высокие облака атмосферы. В ясную погоду их иногда можно увидеть в виде серебристых клочков сразу после захода солнца. Их называют серебристыми облаками или светящимися ночью облаками. Мезосфера настолько холодна, что серебристые облака на самом деле представляют собой замороженный водяной пар — ледяные облака.

Падающие звезды — огненное выгорание метеоров, пыли и камней из космоса — видны в мезосфере. Большинство падающих звезд размером с песчинку и сгорают, прежде чем войти в стратосферу или тропосферу. Однако некоторые метеоры имеют размер гальки или даже валуна. Их внешние слои сгорают, когда они мчатся через мезосферу, но они достаточно массивны, чтобы провалиться сквозь нижние слои атмосферы и упасть на Землю в виде метеоритов.

Мезосфера — наименее изученная часть атмосферы Земли. Это слишком высоко для полета самолетов или метеозондов, но слишком низко для космических кораблей. Зондирующие ракеты предоставили метеорологам и астрономам единственные важные данные об этой важной части атмосферы. Ракеты-зонды — это беспилотные исследовательские инструменты, которые собирают данные во время суборбитальных полетов.

Возможно, из-за того, что мезосфера так мало изучена, в ней обитают две метеорологические загадки: духи и эльфы. Спрайты — это красноватые вертикальные электрические разряды, которые появляются высоко над грозовыми тучами, в верхних слоях стратосферы и мезосферы. Эльфы — это тусклые галообразные разряды, которые появляются еще выше в мезосфере.

Ионосфера

Ионосфера простирается от верхней половины мезосферы до экзосферы. Этот атмосферный слой проводит электричество.

Ионосфера названа в честь ионов, создаваемых энергичными частицами солнечного света и космоса. Ионы — это атомы, в которых количество электронов не равно количеству протонов, что придает атому положительный (меньше электронов, чем протонов) или отрицательный (больше электронов, чем протонов) заряд. Ионы создаются как мощные рентгеновские лучи, а ультрафиолетовые лучи выбивают электроны из атомов.

Ионосфера — слой свободных электронов и ионов — отражает радиоволны. Гульельмо Маркони, «отец беспроводной связи», помог доказать это в 1901, когда он отправил радиосигнал из Корнуолла, Англия, в Сент-Джонс, Ньюфаундленд, Канада. Эксперимент Маркони показал, что радиосигналы не распространяются по прямой линии, а отражаются от атмосферного слоя — ионосферы.

Ионосфера разбита на отдельные слои, называемые слоями D, E, F1 и F2. Как и все другие части атмосферы, эти слои меняются в зависимости от времени года и широты. Изменения в ионосфере на самом деле происходят ежедневно. Нижний слой D, который поглощает высокочастотные радиоволны, и слой E фактически исчезают ночью, а это означает, что радиоволны могут проникать выше в ионосферу. Вот почему AM-радиостанции могут каждую ночь увеличивать радиус действия на сотни километров.

Ионосфера также отражает частицы солнечного ветра, поток высокозаряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Эти электрические дисплеи создают полярные сияния (световые дисплеи), называемые северным и южным сиянием.

Термосфера

Термосфера — самый толстый слой атмосферы. Здесь встречаются только самые легкие газы, в основном кислород, гелий и водород.

Термосфера простирается от мезопаузы (верхняя граница мезосферы) до 690 километров (429 миль) над поверхностью Земли. Здесь тонкорассеянные молекулы газа поглощают рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Этот процесс поглощения разгоняет молекулы в термосфере до больших скоростей и высоких температур. Температура в термосфере может достигать 1500 градусов по Цельсию (2732 градуса по Фаренгейту или 1773 градуса по Кельвину).

Хотя температура очень высокая, тепла немного. Как это возможно? Тепло создается, когда молекулы возбуждаются и передают энергию от одной молекулы к другой. Тепло возникает в области высокого давления (представьте себе кипящую воду в кастрюле). Поскольку в термосфере очень мало давления, теплопередача незначительна.

Космический телескоп Хаббл и Международная космическая станция (МКС) вращаются вокруг Земли в термосфере. Несмотря на то, что термосфера является вторым по высоте слоем атмосферы Земли, работающие здесь спутники находятся на «низкой околоземной орбите».

Экзосфера

Область колебаний между термосферой и экзосферой называется турбопаузой. Самый нижний уровень экзосферы называется экзобазой. На верхней границе экзосферы ионосфера сливается с межпланетным пространством, или пространством между планетами.

Экзосфера расширяется и сжимается при соприкосновении с солнечными бурями. В солнечных бурях частицы выбрасываются в космос в результате взрывных явлений на Солнце, таких как солнечные вспышки и корональные выбросы массы (CME).

Солнечные бури могут сжать экзосферу всего до 1000 километров (620 миль) над Землей. Когда солнце спокойно, экзосфера может простираться на 10 000 километров (6 214 миль).

Водород, самый легкий элемент во Вселенной, доминирует в тонкой атмосфере экзосферы. Присутствуют только следовые количества гелия, углекислого газа, кислорода и других газов.

Многие метеорологические спутники вращаются вокруг Земли в экзосфере. Нижняя часть экзосферы включает низкую околоземную орбиту, а средняя околоземная орбита находится выше в атмосфере.

Верхняя граница экзосферы видна на спутниковых снимках Земли. Геокорона — это нечеткое голубое свечение, которое окружает Землю.

Внеземные атмосферы

Все планеты в нашей Солнечной системе имеют атмосферу. Большинство этих атмосфер радикально отличаются от земных, хотя и содержат многие из тех же элементов.

В Солнечной системе есть два основных типа планет: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).

Атмосферы планет земной группы чем-то похожи на земные. Атмосфера Меркурия содержит только тонкую экзосферу, в которой преобладают водород, гелий и кислород. Атмосфера Венеры намного толще земной, что препятствует четкому обзору планеты. В его атмосфере преобладает углекислый газ, а также клубящиеся облака серной кислоты. В атмосфере Марса также преобладает углекислый газ, хотя, в отличие от Венеры, она довольно разреженная.

Газовые гиганты состоят из газов. Их атмосферы почти полностью состоят из водорода и гелия. Присутствие метана в атмосферах Урана и Нептуна придает планетам ярко-синий цвет.

В нижних слоях атмосферы Юпитера и Сатурна облака воды, аммиака и сероводорода образуют четкие полосы. Быстрые ветры отделяют светлые полосы, называемые зонами, от темных полос, называемых поясами. Другие погодные явления, такие как циклоны и молнии, создают закономерности в зонах и поясах. Большое красное пятно Юпитера — циклон с многовековой историей, крупнейший шторм в Солнечной системе.

Спутники некоторых планет имеют собственную атмосферу. Самый большой спутник Сатурна, Титан, имеет плотную атмосферу, состоящую в основном из азота и метана. То, как солнечный свет разрушает метан в ионосфере Титана, помогает придать Луне оранжевый цвет.

Большинство небесных тел, включая все астероиды в поясе астероидов и нашу собственную Луну, не имеют атмосфер. Отсутствие атмосферы на Луне означает, что на ней не бывает погоды. Без ветра или воды, которые могли бы их разрушить, многие кратеры на Луне существуют уже сотни и даже тысячи лет.

То, как устроена атмосфера небесного тела и из чего она состоит, позволяет астробиологам строить предположения о том, какую жизнь может поддерживать планета или луна. Таким образом, атмосферы являются важными маркерами в исследовании космоса.

Атмосфера планеты или луны должна содержать определенные химические вещества для поддержания жизни, какой мы ее знаем. Эти химические вещества включают водород, кислород, азот и углерод. Хотя Венера, Марс и Титан имеют схожие атмосферные газы, нигде в Солнечной системе, кроме Земли, нет атмосферы, способной поддерживать жизнь. Атмосфера Венеры слишком плотная, Марса слишком тонкая, а Титан слишком холодный.

Краткий факт

Ингредиенты для жизни
Ученые собрали достаточно информации о других планетах нашей Солнечной системы, чтобы понять, что ни одна из них не может поддерживать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Жизнь невозможна без стабильной атмосферы, содержащей нужные химические ингредиенты для живых организмов: водород, кислород, азот и углерод. Эти ингредиенты должны быть сбалансированы — не слишком густые и не слишком жидкие. Жизнь также зависит от наличия воды.

Атмосферы Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна состоят в основном из водорода и гелия. Эти планеты называют газовыми гигантами, потому что они в основном состоят из газа и не имеют твердой внешней коры.

На Меркурии и Марсе есть нужные компоненты, но их атмосферы слишком разрежены для жизни. Атмосфера Венеры слишком плотная — температура поверхности планеты превышает 460 градусов по Цельсию (860 градусов по Фаренгейту).