Структура биосферы

Структура биосферы

В 1875 г. в научной литературе появился термин «биосфера». Его предложил Эдуард Зюсс (1831–1914) – известный австрийский геолог. Введя в науку новый термин, Э. Зюсс не дал ему определения, поэтому слово «биосфера» стало изредка использоваться в геологической и географической литературе, причем каждый раз в различном значении.

В 1926 г. в Ленинграде вышла книга выдающегося русского ученого В. И. Вернадского «Биосфера». В этой книге впервые дано представление о биосфере Земли как о планетарной оболочке, наполненной, преобразованной и постоянно преобразуемой организмами. В. И. Вернадский распространил понятие «биосфера» не только на организмы, но и на среду обитания. Подчеркивая геологическую роль живых организмов, Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

 

Биосфе́ра — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности.

В составе биосферы различают:

♦ живое вещество, образованное совокупностью организмов;

♦ биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

♦ косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

♦ биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере.

Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

 

 

Атмосфера

 

Атмосфе́ра  — газовая оболочка планеты Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

 

 

Состав сухого воздуха  

 

Газ	Содержание  по объёму, %	Содержание  по массе, %
Азот	78,084	75,50
Кислород	20,946	23,10
Аргон	0,932	1,286
Углекислый газ	3,95·10−2	—
Неон	1,82·10−3	1,3·10−3
Гелий	4,6·10−4	7,2·10−5
Метан	1,7·10−4	—
Криптон	1,14·10−4	2,9·10−4
Водород	5·10−5	7,6·10−5
Ксенон	8,7·10−6	—
Закись азота	5·10−5	7,7·10−5

Строение атмосферы

 

Атмосфера состоит из :

 

• Тропосфера
• Тропопауза
• Стратосфера
• Стратопауза
• Мезосфера

 

 

 

 

 

• Мезопауза
• Линия Кармана
• Термосфера
• Термопауза
• Экзосфера

 

 

Тропосфера

 

Тропосфе́ра  — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км.

При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 градуса через каждые 100 м. Верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называют тропопаузой. Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера.

В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.

Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосфера.

 

Тропопауза

 

Тропопа́уза  — слой атмосферы, в котором происходит резкое снижение вертикального температурного градиента, переходный слой междутропосферой и стратосферой.

В тропосфере температура воздуха уменьшается с высотой примерно на 0,5—0,7 °С на 100 м. В 1902 году Леон Тейсерен де Бор обнаружил, что на некоторой высоте температура воздуха перестает понижаться и далее, с увеличением высоты, начинает повышаться. Он назвал эту границу «тропопаузой».

В земной атмосфере высоты и температуры тропопаузы зависят от географической широты и подвержены сезонным и суточным колебаниям вследствие изменений инсоляции. В полярных районах тропопауза расположена на высотах 8—10 км (над уровнем моря), ее температура составляет 210—220 К в умеренных зонах — на высотах 10-12 км, и 180—200 K — в тропиках, на высотах 16—18 км. В высоких и умеренных широтах тропопауза в зимний сезон на 1-2 км ниже и на 8-15 К теплее, чем в летний период; в тропических широтах сезонные колебания параметров тропопаузы значительно меньше.

В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы на границах циркуляционных атмосферных ячеек, обусловленные субтропическими струйными течениями со скоростями, превышающими 30 м/с, эти разрывы разграничивают низкую теплую полярную и холодную высокую тропическую тропопаузы. При вторжении холодных масс воздуха в низкие широты полярная тропопауза, расположенная на высотах 9-12 км, вклинивается под тропическую, находящуюся на уровне 15-17 км, в результате чего возникают две тропопаузы, после чего верхняя тропопауза постепенно разрушается.

В областях вне тропических струйных течений разрывы тропопаузы, как правило отсутствуют.

Высота тропопаузы также подвержена непериодическим изменениям при синоптических процессах — она снижается над циклонами и холодными воздушными массами и повышается над антициклонами и теплыми воздушными массами.

 

Стратосфера

 

Стратосфе́ра  — 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 −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше чем на уровне моря.

Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон(О3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О3составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

 

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.

В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО2 и Н2, выше 150 км — О2, выше 300 км — N2). На высоте 200—500  км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряжённых частиц (О+2, О−2, N+2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•2 и др.

В стратосфере почти нет водяного пара.

 

Полеты в стратосфере

 

Полёты в стратосферу начались в 1930-х годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 года на высоту 16,2 км. Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах в основном до 20 км (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.

В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом». Предполагается, что беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников.

 

Стратопауза

 

Стратопа́уза — слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы — около 0 °C.

Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

На Земле стратопауза находится на высоте 50 — 55 км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря.

 

Мезосфера

 

Мезосфе́ра  — слой атмосферы на высотах от 40—50 до 80—90 км. Характеризуется понижением температуры с высотой; максимум (0°C) температуры расположен на нижней границе, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C вблизи мезопаузы - переходного слоя к термосфере. Такое понижение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году.

Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит около 80 % азота и 20 % кислорода.

Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы — мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой.

Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.

Летом в средних и высоких широтах на высотах 78-94 км из-за чрезвычайно низкой температуры воздуха иногда возникают серебристые облака. Форма этих облаков свидетельствует о наличии на этих высотах волн с длиной до нескольких десятков км, а также крупных квазистандартных вихревых образований.

 

Мезосфера с точки зрения летательных аппаратов

 

Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» — воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты (на высоте 50 км плотность воздуха в 1000 раз меньше, чем на уровне моря), и в то же время слишком плотен для полётов искусственных спутников на такой низкой орбите. Прямые исследования мезосферы проводятся в основном с помощью суборбитальных метеорологических ракет; в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы, в связи с чем учёные прозвали её «игноросферой».

Мезопауза

 

Мезопа́уза — слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80—90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около −100 °C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) — снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака.

Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

 

Линия Кармана

 

Линия Ка́рмана — высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Название высота получила по имени Теодора фон Кармана, американского учёного еврейско-венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэродинамическая авиация становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.

Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.

 

Интересные факты

 

Первым в истории предметом, пересекшим линию Кармана, стала ракета «Фау-2».

Достижение Линии Кармана являлось первым условием для получения приза Ansari X Prize, так как это является основанием для признания полёта космическим.

Первыми млекопитающими, преодолевшими линию Кармана, были собаки Дезик и Цыган, запущенные в СССР 22 июля 1951 года с полигона Капустин Яр в Астраханской области в рамках проекта ВР-190 на высоту около 100—110 км.

 

Термосфера