Atmosfera terrestre. Come l'atmosfera di ossigeno della Terra ha formato l'intensità dell'aurora

Formazione dell'atmosfera. Oggi l'atmosfera terrestre è una miscela di gas: 78% di azoto, 21% di ossigeno e una piccola quantità di altri gas, come l'anidride carbonica. Ma quando il pianeta è apparso per la prima volta, non c'era ossigeno nell'atmosfera: era costituito da gas che originariamente esistevano nel sistema solare.

La Terra è nata quando piccoli corpi rocciosi, costituiti da polvere e gas della nebulosa solare, noti come planetoidi, si sono scontrati tra loro e hanno gradualmente assunto la forma di un pianeta. Man mano che cresceva, i gas contenuti nei planetoidi esplodevano e avvolgevano il globo. Dopo qualche tempo, le prime piante iniziarono a rilasciare ossigeno e l'atmosfera primordiale si sviluppò nell'attuale denso guscio d'aria.

Origine dell'atmosfera

1. Una pioggia di piccoli planetoidi colpì la nascente Terra 4,6 miliardi di anni fa. I gas della nebulosa solare, racchiusi all'interno del pianeta, sfuggirono alla collisione e formarono l'atmosfera primitiva della Terra, costituita da azoto, anidride carbonica e vapore acqueo.
2. Il calore rilasciato durante la formazione del pianeta è trattenuto da uno strato di dense nubi dell'atmosfera primordiale. I "gas serra" - come l'anidride carbonica e il vapore acqueo - impediscono l'emissione di calore nello spazio. La superficie della Terra è inondata da un mare ribollente di magma fuso.
3. Quando le collisioni dei planetoidi divennero meno frequenti, la Terra iniziò a raffreddarsi e apparvero gli oceani. Il vapore acqueo si condensa da dense nubi e la pioggia, che dura diversi eoni, inonda gradualmente le pianure. Così appaiono i primi mari.
4. L'aria viene purificata mentre il vapore acqueo si condensa e forma gli oceani. Nel tempo, l'anidride carbonica si dissolve in essi e l'atmosfera è ora dominata dall'azoto. A causa della mancanza di ossigeno, non si forma uno strato protettivo di ozono e i raggi ultravioletti del sole raggiungono liberamente la superficie terrestre.
5. La vita appare negli antichi oceani entro il primo miliardo di anni. Le alghe blu-verdi più semplici sono protette dai raggi ultravioletti acqua di mare. Usano la luce solare e l'anidride carbonica per produrre energia, mentre l'ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto, che inizia gradualmente ad accumularsi nell'atmosfera.
6. Miliardi di anni dopo, si forma un'atmosfera ricca di ossigeno. Le reazioni fotochimiche nell'alta atmosfera creano un sottile strato di ozono che disperde la dannosa luce ultravioletta. La vita può ora spostarsi dagli oceani sulla terraferma, dove molti organismi complessi emergono come risultato dell'evoluzione.

Miliardi di anni fa, uno spesso strato di alghe primitive iniziò a rilasciare ossigeno nell'atmosfera. Sono sopravvissuti fino ad oggi come fossili chiamati stromatoliti.

Origine vulcanica

1. Terra antica e senz'aria. 2. Eruzione di gas.

Secondo questa teoria, i vulcani eruttarono attivamente sulla superficie del giovane pianeta Terra. L'atmosfera primitiva si è probabilmente formata quando i gas intrappolati nel guscio di silicio del pianeta sono fuggiti attraverso gli ugelli dei vulcani.

Un notevole aumento del contenuto di ossigeno libero nell'atmosfera terrestre 2,4 miliardi di anni fa, a quanto pare, è stato il risultato di una transizione molto rapida da uno stato di equilibrio all'altro. Il primo livello corrispondeva a una concentrazione estremamente bassa di O 2 - circa 100.000 volte inferiore a quella che si osserva ora. Il secondo livello di equilibrio potrebbe essere raggiunto ad una concentrazione maggiore di almeno 0,005 di quella attuale. Il contenuto di ossigeno tra questi due livelli è caratterizzato da un'estrema instabilità. La presenza di tale "bistabilità" permette di capire perché c'era così poco ossigeno libero nell'atmosfera terrestre per almeno 300 milioni di anni dopo che i cianobatteri (le "alghe blu-verdi") hanno iniziato a produrlo.

Attualmente, l'atmosfera terrestre è composta per il 20% da ossigeno libero, che non è altro che un sottoprodotto della fotosintesi di cianobatteri, alghe e piante superiori. Molto ossigeno viene rilasciato dalle foreste tropicali, che sono spesso chiamate in pubblicazioni popolari polmoni del pianeta. Allo stesso tempo, tuttavia, tace che durante l'anno le foreste tropicali consumano quasi tanto ossigeno quanto producono. Viene speso per la respirazione degli organismi che decompongono la materia organica finita, principalmente batteri e funghi. Per, affinché l'ossigeno inizi ad accumularsi nell'atmosfera, almeno una parte della sostanza formata durante la fotosintesi deve essere rimossa dal ciclo- ad esempio, penetra nei sedimenti di fondo e diventa inaccessibile ai batteri che lo decompongono aerobicamente, cioè con il consumo di ossigeno.

La reazione complessiva della fotosintesi ossigenata (cioè "datrice di ossigeno") può essere scritta come:
CO 2 + H 2 O + hν→ (CH 2 O) + O 2,
dove hν- energia luce del sole, e (CH 2 O) è la formula generalizzata della materia organica. La respirazione è il processo inverso, che può essere scritto come:
(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O.
In questo caso, verrà rilasciata l'energia necessaria per gli organismi. Tuttavia, la respirazione aerobica è possibile solo ad una concentrazione di O 2 non inferiore a 0,01 del livello attuale (il cosiddetto punto di Pasteur). In condizioni anaerobiche, la materia organica si decompone per fermentazione e spesso si forma metano nelle fasi finali di questo processo. Ad esempio, l'equazione generalizzata per la metanogenesi attraverso la formazione di acetato è simile a:
2(CH 2 O) → CH 3 COOH → CH 4 + CO 2.
Se combiniamo il processo di fotosintesi con la successiva decomposizione della materia organica in condizioni anaerobiche, l'equazione totale sarà simile a:
CO 2 + H 2 O + hν→ 1/2 CH 4 + 1/2 CO 2 + O 2.
Era questo modo di decomposizione della materia organica, a quanto pare, quello principale nell'antica biosfera.

Molti dettagli importanti su come sia stato stabilito il moderno equilibrio tra la fornitura di ossigeno all'atmosfera e la sua rimozione rimangono poco chiari. Del resto solo 2,4 miliardi di anni fa si verificò un notevole aumento del contenuto di ossigeno, la cosiddetta “Grande Ossidazione dell'Atmosfera” (Grande Ossidazione), anche se è noto con certezza che i cianobatteri che effettuano la fotosintesi ossigenata erano già piuttosto numerosi e attivi 2,7 miliardi di anni fa, e sono sorti anche prima, forse 3 miliardi di anni fa. Così, durante per almeno 300 milioni di anni l'attività dei cianobatteri non ha comportato un aumento del contenuto di ossigeno nell'atmosfera.

L'ipotesi che, per qualche ragione, si sia verificato improvvisamente un aumento radicale della produzione primaria netta (cioè un aumento della materia organica formata durante la fotosintesi dei cianobatteri), non ha resistito a critiche. Il fatto è che durante la fotosintesi viene consumato principalmente l'isotopo di carbonio leggero 12 C, mentre nell'ambiente aumenta il contenuto relativo dell'isotopo più pesante 13 C. Di conseguenza, i sedimenti di fondo contenenti materia organica dovrebbero essere esauriti nell'isotopo 13 C, che si accumula in acqua e va per la formazione di carbonati. Tuttavia, il rapporto di 12С e 13С nei carbonati e nella materia organica dei sedimenti rimane invariato nonostante i cambiamenti radicali nella concentrazione di ossigeno nell'atmosfera. Ciò significa che l'intero punto non è nella fonte di O 2, ma nel suo, come dicono i geochimici, "sink" (ritiro dall'atmosfera), che improvvisamente è diminuito in modo significativo, il che ha portato a un aumento significativo della quantità di ossigeno nell'atmosfera.

Di solito si ritiene che subito prima della "Grande Ossidazione dell'Atmosfera" tutto l'ossigeno formatosi poi fosse speso per l'ossidazione dei composti ridotti del ferro (e poi dello zolfo), che erano piuttosto numerosi sulla superficie terrestre. In particolare si sono poi formati i cosiddetti "minerali di ferro fasciati". Ma recentemente Colin Goldblatt, dottorando presso la School of Environmental Sciences dell'Università dell'East Anglia (Norwich, Regno Unito), insieme a due colleghi della stessa università è giunto alla conclusione che il contenuto di ossigeno nell'atmosfera terrestre può essere in una di due stati di equilibrio: può essere molto piccolo - circa 100mila volte meno di adesso, o abbastanza (sebbene dalla posizione di un osservatore moderno sia piccolo) - non meno di 0,005 del livello attuale.

Nel modello proposto, hanno tenuto conto dell'ingresso nell'atmosfera sia di ossigeno che di composti ridotti, in particolare prestando attenzione al rapporto tra ossigeno libero e metano. Hanno notato che se la concentrazione di ossigeno supera 0,0002 del livello attuale, parte del metano può già essere ossidato dai batteri metanotrofi secondo la reazione:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O.
Ma il resto del metano (e ce n'è parecchio, soprattutto a basse concentrazioni di ossigeno) entra nell'atmosfera.

L'intero sistema è in uno stato di non equilibrio dal punto di vista della termodinamica. Il principale meccanismo per ripristinare l'equilibrio disturbato è l'ossidazione del metano negli strati superiori dell'atmosfera da parte di un radicale ossidrile (vedi Fluttuazioni del metano nell'atmosfera: uomo o natura - chi vince, "Elements", 06.10.2006). È noto che il radicale idrossile si forma nell'atmosfera sotto l'azione della radiazione ultravioletta. Ma se c'è molto ossigeno nell'atmosfera (almeno 0,005 del livello attuale), allora si forma uno schermo di ozono nei suoi strati superiori, che protegge bene la Terra dalle dure raggi ultravioletti e allo stesso tempo interferire con l'ossidazione fisico-chimica del metano.

Gli autori giungono alla conclusione alquanto paradossale che l'esistenza della fotosintesi ossigenata di per sé non è una condizione sufficiente né per la formazione di un'atmosfera ricca di ossigeno né per la formazione di uno schermo di ozono. Questa circostanza dovrebbe essere presa in considerazione nei casi in cui stiamo cercando di trovare segni dell'esistenza della vita su altri pianeti sulla base dei risultati di un'indagine sulla loro atmosfera.

Secondo la teoria più comune, l'atmosfera
La Terra nel tempo era in tre diverse composizioni.
Inizialmente era costituito da gas leggeri (idrogeno e
elio) catturato dallo spazio interplanetario. Questo è vero
chiamata atmosfera primaria (circa quattro miliardi
anni fa).

Nella fase successiva, attività vulcanica attiva
portato alla saturazione dell'atmosfera con altri gas, eccetto
idrogeno (anidride carbonica, ammoniaca, vapore acqueo). Così
formò un'atmosfera secondaria (circa tre miliardi
anni fino ai giorni nostri). Questa atmosfera era rigenerante.
Inoltre, il processo di formazione dell'atmosfera è stato determinato come segue:
fattori di soffiaggio:
- fuoriuscita di gas leggeri (idrogeno ed elio) nell'interplanetario
spazio;
- reazioni chimiche che si verificano nell'atmosfera sotto l'influenza di
radiazioni ultraviolette, scariche di fulmini e
alcuni altri fattori.
A poco a poco, questi fattori hanno portato alla formazione del terziario
atmosfera noah, caratterizzata da un contenuto decisamente inferiore
idrogeno e molto altro - azoto e anidride carbonica
gas (formato a seguito di reazioni chimiche dall'ammoniaca
e idrocarburi).
La composizione dell'atmosfera iniziò a cambiare radicalmente con l'avvento di
mangiamo organismi viventi sulla Terra, come risultato della fotosintesi,
svolta dal rilascio di ossigeno e dall'assorbimento di carbonio
gas di lexiossido.
Inizialmente si consumava ossigeno
sull'ossidazione dei composti ridotti - ammoniaca, carbonio
idrogeno, la forma ferrosa del ferro che si trova negli oceani
e altri Al termine di questa fase, il contenuto di ossigeno
cominciò a crescere nell'atmosfera. A poco a poco, un moderno
atmosfera con proprietà ossidanti.
Dal momento che ha causato cambiamenti seri e drastici
molti processi che si verificano nell'atmosfera, litosfera e
biosfera, questo evento è chiamato cata-
stanza.
Attualmente, l'atmosfera terrestre è costituita principalmente da
gas e impurità varie (polvere, gocce d'acqua, cristalli
ghiaccio, sali marini, prodotti della combustione). Concentrazione di gas,
componenti dell'atmosfera, è praticamente costante, fatta eccezione per
acqua (H 2 O) e anidride carbonica (CO 2).

Fonte: class.rambler.ru

Di conseguenza, la formazione della moderna atmosfera (ossigena) della Terra è impensabile senza sistemi viventi, ovvero la presenza di ossigeno è una conseguenza dello sviluppo della biosfera. L'ingegnosa previsione di VI Vernadsky sul ruolo della biosfera nel trasformare la faccia della Terra trova sempre più conferme. Tuttavia, non siamo ancora chiari sull'origine della vita. V. I. Vernadsky ha detto: "Per migliaia di generazioni abbiamo dovuto affrontare un mistero irrisolto, ma fondamentalmente risolvibile: il mistero della vita".

I biologi ritengono che l'emergenza spontanea della vita sia possibile solo in un ambiente riducente, tuttavia, secondo uno di loro - M. Rutten - il contenuto di ossigeno in una miscela di gas fino allo 0,02% non interferisce con il flusso delle sintesi abiogeniche. Pertanto, geochimici e biologi hanno concetti diversi di riduzione e ossidazione delle atmosfere. Chiamiamo neutra un'atmosfera contenente tracce di ossigeno, in cui potrebbero comparire i primi accumuli proteici, che, in linea di principio, potrebbero utilizzare (assimilare) aminoacidi abiogenici per la loro alimentazione, forse, per qualche ragione, solo isomeri.

Tuttavia, la domanda non è come mangiassero questi aminoeterotrofi (organismi che usano gli amminoacidi come cibo), ma come potrebbe formarsi la materia auto-organizzata, la cui evoluzione ha entropia negativa. Quest'ultimo, tuttavia, non è così raro nell'universo. La formazione del sistema solare e della nostra terra in particolare non va contro il corso dell'entropia? Anche Talete di Mitsa scrisse nel suo trattato: "L'acqua è la causa principale di tutte le cose". In effetti, l'idrosfera doveva prima formarsi per diventare la culla della vita. V. I. Vernadsky e altri grandi scienziati del nostro tempo ne hanno parlato molto.

Non era del tutto chiaro a V. I. Vernadsky perché materia viventeè rappresentato solo da isomeri sinistri di molecole organiche e perché in qualsiasi sintesi inorganica otteniamo una miscela approssimativamente uguale di isomeri mancini e destrimani. E anche se otteniamo l'arricchimento (ad esempio, in luce polarizzata) con determinati metodi, non possiamo individuarli nella loro forma pura.

Come potrebbe piuttosto complesso composti organici tipo di proteine, proteine, acidi nucleici e altri complessi di elementi organizzati, costituiti da un isomero sinistro?

Fonte: www.pochemuha.ru

Proprietà di base dell'atmosfera terrestre

L'atmosfera è la nostra cupola protettiva contro ogni tipo di minaccia proveniente dallo spazio. Brucia la maggior parte dei meteoriti che cadono sul pianeta e il suo strato di ozono funge da filtro contro la radiazione ultravioletta del Sole, la cui energia è mortale per gli esseri viventi. Inoltre, è l'atmosfera che mantiene una temperatura confortevole vicino alla superficie terrestre: se non fosse per l'effetto serra, ottenuto grazie al riflesso ripetuto della luce solare dalle nuvole, la Terra sarebbe in media 20-30 gradi più fredda. La circolazione dell'acqua nell'atmosfera e il movimento delle masse d'aria non solo bilanciano la temperatura e l'umidità, ma creano anche una varietà terrena di forme paesaggistiche e minerali: una tale ricchezza non può essere trovata da nessun'altra parte nel sistema solare.

La massa dell'atmosfera è 5,2 × 10 18 chilogrammi. Sebbene i gusci di gas si estendano per molte migliaia di chilometri dalla Terra, solo quelli che ruotano attorno ad un asse ad una velocità uguale alla velocità di rotazione del pianeta sono considerati la sua atmosfera. Pertanto, l'altezza dell'atmosfera terrestre è di circa 1000 chilometri, passando dolcemente nello spazio esterno nello strato superiore, l'esosfera (dall'altro greco "sfera esterna").

Composizione dell'atmosfera terrestre. La storia dello sviluppo

Sebbene l'aria sembri omogenea, è una miscela di vari gas. Se prendiamo solo quelli che occupano almeno un millesimo del volume dell'atmosfera, ce ne saranno già 12. Se osserviamo il quadro generale, allora l'intera tavola periodica è nell'aria allo stesso tempo!

Tuttavia, raggiungere una tale diversità della Terra non è stato immediatamente possibile. Solo grazie alle coincidenze uniche degli elementi chimici e alla presenza della vita, l'atmosfera terrestre è diventata così complessa. Il nostro pianeta ha conservato tracce geologiche di questi processi, che ci permettono di guardare indietro di miliardi di anni:

• I primi gas ad avvolgere la giovane Terra 4,3 miliardi di anni fa furono idrogeno ed elio, i componenti fondamentali dell'atmosfera di giganti gassosi come Giove.
  per quanto riguarda le sostanze più elementari - erano costituite dai resti della nebulosa che diede origine al Sole e ai pianeti che lo circondano, e si stabilirono abbondantemente attorno ai centri gravitazionali-pianeti. La loro concentrazione non era molto alta e la loro bassa massa atomica permetteva loro di fuggire nello spazio, cosa che fanno ancora oggi. Ad oggi, il loro peso specifico totale è 0,00052% della massa totale dell'atmosfera terrestre (0,00002% di idrogeno e 0,0005% di elio), che è molto piccola.
• Tuttavia, all'interno della Terra stessa giacevano molte sostanze che cercavano di fuggire dalle profondità arroventate. Un'enorme quantità di gas è stata espulsa dai vulcani: principalmente ammoniaca, metano e anidride carbonica, oltre allo zolfo. L'ammoniaca e il metano si sono successivamente decomposti in azoto, che ora occupa la parte del leone della massa dell'atmosfera terrestre - 78%.

• Ma la vera rivoluzione nella composizione dell'atmosfera terrestre avvenne con l'avvento dell'ossigeno. È apparso anche in modo naturale: il mantello caldo del giovane pianeta si stava attivamente liberando dei gas bloccati sotto la crosta terrestre. Inoltre, il vapore acqueo eruttato dai vulcani è stato suddiviso sotto l'influenza della radiazione ultravioletta solare in idrogeno e ossigeno.

Tuttavia, tale ossigeno non potrebbe indugiare nell'atmosfera per molto tempo. Ha reagito con monossido di carbonio, ferro libero, zolfo e una varietà di altri elementi sulla superficie del pianeta - e processi chimici catalizzati dalle alte temperature e dalla radiazione solare. Solo l'aspetto degli organismi viventi ha cambiato questa situazione.

• In primo luogo, hanno iniziato a rilasciare così tanto ossigeno che non solo ha ossidato tutte le sostanze sulla superficie, ma ha anche iniziato ad accumularsi: in un paio di miliardi di anni, la sua quantità è aumentata da zero al 21% dell'intera massa dell'atmosfera.
• In secondo luogo, gli organismi viventi hanno utilizzato attivamente il carbonio atmosferico per costruire i propri scheletri. Come risultato delle loro attività la crosta terrestre riempito con interi strati geologici di materiali organici e fossili e l'anidride carbonica è diventata molto meno

• E, infine, un eccesso di ossigeno ha formato lo strato di ozono, che ha iniziato a proteggere gli organismi viventi dalle radiazioni ultraviolette. La vita iniziò ad evolversi più attivamente e ad acquisire forme nuove e più complesse: creature altamente organizzate iniziarono ad apparire tra batteri e alghe. Oggi l'ozono occupa solo lo 0,00001% dell'intera massa della Terra.

Probabilmente lo sai già Colore blu Anche il cielo sulla Terra è creato dall'ossigeno: dall'intero spettro arcobaleno del Sole, disperde al meglio le brevi onde di luce responsabili del colore blu. Lo stesso effetto opera nello spazio: a distanza, la Terra sembra essere avvolta da una foschia blu e da lontano si trasforma completamente in un punto blu.

Inoltre, i gas nobili sono presenti nell'atmosfera in quantità significative. Tra questi, l'argon è il più grande, la cui quota nell'atmosfera è dello 0,9–1%. La sua fonte sono i processi nucleari nelle profondità della Terra ed entra in superficie attraverso microfessure nelle placche litosferiche e eruzioni vulcaniche(nello stesso modo in cui l'elio appare nell'atmosfera). A causa delle loro caratteristiche fisiche, i gas nobili salgono nell'atmosfera superiore, dove scappano nello spazio.

Come possiamo vedere, la composizione dell'atmosfera terrestre è cambiata più di una volta, e molto fortemente, ma ci sono voluti milioni di anni. D'altra parte, i fenomeni vitali sono molto stabili: lo strato di ozono esisterà e funzionerà anche se c'è 100 volte meno ossigeno sulla Terra. Sullo sfondo storia comune pianeta, l'attività umana non ha lasciato tracce gravi. Tuttavia, su scala locale, una civiltà può creare problemi, almeno per se stessa. Gli inquinanti atmosferici hanno già reso la vita pericolosa per la popolazione di Pechino, in Cina, e enormi nuvole di nebbia sporca sulle grandi città sono visibili anche dallo spazio.

Struttura atmosferica

Tuttavia, l'esosfera non è l'unico strato speciale della nostra atmosfera. Ce ne sono molti e ognuno di loro ha le sue caratteristiche uniche. Diamo un'occhiata ad alcuni dei principali:

Troposfera

Lo strato più basso e denso dell'atmosfera è chiamato troposfera. Il lettore dell'articolo è ora nella sua parte "in basso" - a meno che, ovviamente, non sia una delle 500mila persone che stanno volando in questo momento su un aereo. Il limite superiore della troposfera dipende dalla latitudine (ricordate la forza centrifuga della rotazione terrestre, che rende il pianeta più largo all'equatore?) e varia da 7 chilometri ai poli a 20 chilometri all'equatore. Inoltre, la dimensione della troposfera dipende dalla stagione: più calda è l'aria, più alto è il limite superiore.

Il nome "troposfera" deriva dall'antica parola greca "tropos", che si traduce come "svoltare, cambiare". Questo riflette accuratamente le proprietà dello strato atmosferico: è il più dinamico e produttivo. È nella troposfera che si accumulano le nuvole e circola l'acqua, si creano cicloni e anticicloni e si generano i venti: avvengono tutti quei processi che chiamiamo "tempo" e "clima". Inoltre, questo è lo strato più massiccio e denso: rappresenta l'80% della massa dell'atmosfera e quasi tutto il suo contenuto d'acqua. La maggior parte degli organismi viventi vive qui.

Tutti sanno che più in alto si va, più fa freddo. Questo è vero: ogni 100 metri in su la temperatura dell'aria scende di 0,5-0,7 gradi. Tuttavia, il principio funziona solo nella troposfera: inoltre, la temperatura inizia a salire con l'aumentare dell'altitudine. L'area tra la troposfera e la stratosfera in cui la temperatura rimane costante è chiamata tropopausa. E con l'altezza, la corrente del vento aumenta di 2–3 km / s per chilometro verso l'alto. Pertanto, i parapendisti e i deltaplani preferiscono gli altipiani elevati e le montagne per i voli: saranno sempre in grado di "prendere un'onda" lì.

Il già citato fondo d'aria, dove l'atmosfera è in contatto con la litosfera, è chiamato strato limite di superficie. Il suo ruolo nella circolazione dell'atmosfera è incredibilmente grande: il trasferimento di calore e radiazioni dalla superficie crea venti e cadute di pressione, e montagne e altri terreni irregolari guidano e li separano. Lo scambio d'acqua avviene proprio lì: in 8-12 giorni tutta l'acqua prelevata dagli oceani e dalla superficie ritorna indietro, trasformando la troposfera in una specie di filtro per l'acqua.

• Un fatto interessante è che un processo importante nella vita delle piante è legato allo scambio di acqua con l'atmosfera: la traspirazione. Con il suo aiuto, la flora del pianeta influenza attivamente il clima, ad esempio grandi aree verdi ammorbidiscono il tempo e gli sbalzi di temperatura. Le piante in luoghi saturi d'acqua evaporano il 99% dell'acqua prelevata dal suolo. Ad esempio, un ettaro di grano emette 2-3 mila tonnellate di acqua nell'atmosfera durante l'estate: è molto più di quanto potrebbe dare un terreno senza vita.

La pressione normale sulla superficie terrestre è di circa 1000 millibar. Lo standard è considerato una pressione di 1013 mbar, che è una "atmosfera" - probabilmente ti sei imbattuto in questa unità di misura. Con l'aumentare dell'altitudine, la pressione diminuisce rapidamente: ai confini della troposfera (a un'altitudine di 12 chilometri) è già 200 mbar e a un'altitudine di 45 chilometri scende a 1 mbar. Pertanto, non è strano che sia nella troposfera satura che si raccoglie l'80% dell'intera massa dell'atmosfera terrestre.

Stratosfera

Lo strato dell'atmosfera situato tra 8 km di altitudine (al polo) e 50 km (all'equatore) è chiamato stratosfera. Il nome deriva dall'altra parola greca "stratos", che significa "pavimento, strato". Questa è una zona estremamente rarefatta dell'atmosfera terrestre, in cui non c'è quasi vapore acqueo. La pressione dell'aria nella parte inferiore della stratosfera è 10 volte inferiore a quella prossima alla superficie e nella parte superiore è 100 volte inferiore.

Parlando della troposfera, abbiamo già appreso che la temperatura al suo interno diminuisce a seconda dell'altezza. Nella stratosfera accade esattamente il contrario: con una salita la temperatura sale da –56°C a 0–1°C. Il riscaldamento si ferma alla stratopausa, il confine tra la stratosfera e la mesosfera.

La vita e l'uomo nella stratosfera

Le navi passeggeri e gli aerei supersonici di solito volano negli strati inferiori della stratosfera: questo non solo li protegge dall'instabilità delle correnti d'aria della troposfera, ma ne semplifica anche il movimento a causa della bassa resistenza aerodinamica. E le basse temperature e l'aria rarefatta consentono di ottimizzare il consumo di carburante, particolarmente importante per i voli a lungo raggio.

Tuttavia, esiste un limite tecnico di altitudine per gli aerei: l'afflusso di aria, di cui c'è così poco nella stratosfera, è necessario per il funzionamento dei motori a reazione. Di conseguenza, per ottenere la pressione dell'aria desiderata nella turbina, l'aeromobile deve muoversi più velocemente della velocità del suono. Pertanto, in alto nella stratosfera (a un'altitudine di 18-30 chilometri), possono muoversi solo veicoli da combattimento e velivoli supersonici come il Concorde. Quindi i principali "abitanti" della stratosfera sono le sonde meteorologiche attaccate ai palloncini: possono rimanere lì a lungo, raccogliendo informazioni sulla dinamica della troposfera sottostante.

Il lettore probabilmente sa già che fino allo strato di ozono stesso nell'atmosfera ci sono microrganismi - il cosiddetto aeroplancton. Tuttavia, non solo i batteri sono in grado di sopravvivere nella stratosfera. Quindi, una volta un avvoltoio africano, un tipo speciale di avvoltoio, è entrato nel motore di un aereo a un'altitudine di 11,5 mila metri. E alcune anatre durante le migrazioni sorvolano con calma l'Everest.

Ma la creatura più grande che sia stata nella stratosfera rimane l'uomo. L'attuale record di altezza è stato stabilito da Alan Eustace, vicepresidente di Google. Il giorno del salto aveva 57 anni! Su un pallone speciale, è salito a un'altezza di 41 chilometri sul livello del mare, quindi è saltato giù con un paracadute. La velocità che ha sviluppato nel momento di picco della caduta era di 1342 km / h, più della velocità del suono! Allo stesso tempo, Eustachio divenne la prima persona a superare autonomamente la soglia di velocità del suono (senza contare la tuta spaziale per il supporto vitale e i paracadute per l'atterraggio in generale).

• Un fatto interessante - per staccarsi dal pallone, Eustachio aveva bisogno di un ordigno esplosivo - come quello usato dai razzi spaziali per staccare gli stadi.

Strato di ozono

E al confine tra stratosfera e mesosfera c'è il famoso strato di ozono. Protegge la superficie della Terra dagli effetti dei raggi ultravioletti e allo stesso tempo funge da limite superiore della diffusione della vita sul pianeta: al di sopra, temperatura, pressione e radiazione cosmica metteranno rapidamente fine anche al batteri più resistenti.

Da dove viene questo scudo? La risposta è incredibile - è stato creato da organismi viventi, più precisamente - ossigeno, che vari batteri, alghe e piante secernono da tempo immemorabile. Salendo in alto nell'atmosfera, l'ossigeno entra in contatto con la radiazione ultravioletta ed entra in una reazione fotochimica. Di conseguenza, dall'ossigeno ordinario che respiriamo, O 2, si ottiene l'ozono - O 3.

Paradossalmente, l'ozono creato dalla radiazione del Sole ci protegge dalla stessa radiazione! E l'ozono non riflette, ma assorbe i raggi ultravioletti, riscaldando così l'atmosfera circostante.

Mesosfera

Abbiamo già detto che al di sopra della stratosfera - più precisamente, al di sopra della stratopausa, lo strato limite della temperatura stabile - si trova la mesosfera. Questo strato relativamente piccolo si trova tra 40-45 e 90 chilometri di altezza ed è il luogo più freddo del nostro pianeta: nella mesopausa, lo strato superiore della mesosfera, l'aria viene raffreddata a -143°C.

La mesosfera è la parte meno esplorata dell'atmosfera terrestre. La pressione del gas estremamente bassa, che è da mille a diecimila volte inferiore alla pressione superficiale, limita il movimento palloncini- la loro forza di sollevamento raggiunge lo zero e si bloccano semplicemente in posizione. La stessa cosa accade con gli aerei a reazione: l'aerodinamica dell'ala e del corpo dell'aereo perde il suo significato. Pertanto, sia i razzi che gli aerei con motori a razzo - aeroplani a razzo - possono volare nella mesosfera. Questi includono l'aereo a razzo X-15, che detiene la posizione di aereo più veloce del mondo: ha raggiunto un'altitudine di 108 chilometri e una velocità di 7200 km / h - 6,72 volte la velocità del suono.

Tuttavia, il volo record dell'X-15 è stato di soli 15 minuti. Simboleggia problema comune veicoli che si muovono nella mesosfera: sono troppo veloci per condurre ricerche approfondite e non rimangono a una determinata altezza a lungo, volando più in alto o cadendo. Inoltre, la mesosfera non può essere esplorata utilizzando satelliti o sonde suborbitali: anche se la pressione in questo strato dell'atmosfera è bassa, rallenta (e talvolta brucia) la navicella spaziale. A causa di queste complessità, gli scienziati spesso chiamano la mesosfera "ignoranza" (dall'inglese "ignorosphere", dove "ignoranza" è ignoranza, ignoranza).

Ed è nella mesosfera che la maggior parte delle meteore che cadono sulla Terra si esauriscono: è lì che lo sciame meteorico delle Perseidi, noto come "August Starfall", divampa. L'effetto luce si verifica quando corpo cosmico entra nell'atmosfera terrestre ad angolo acuto a una velocità superiore a 11 km / h - dalla forza di attrito, il meteorite si accende.

Avendo perso la loro massa nella mesosfera, i resti dell '"alieno" si depositano sulla Terra sotto forma di polvere cosmica: ogni giorno da 100 a 10 mila tonnellate di materiale meteoritico cadono sul pianeta. Poiché le singole particelle di polvere sono molto leggere, ci vuole fino a un mese prima che raggiungano la superficie terrestre! Quando entrano nelle nuvole, le rendono più pesanti e talvolta causano persino la pioggia, poiché sono causate da cenere vulcanica o particelle di esplosioni nucleari. Tuttavia, l'influenza della polvere cosmica sulla formazione della pioggia è considerata piccola: anche 10mila tonnellate non sono sufficienti per modificare seriamente la circolazione naturale dell'atmosfera terrestre.

Termosfera

Sopra la mesosfera, a un'altitudine di 100 chilometri sul livello del mare, passa la linea di Karman, un confine condizionale tra la Terra e lo spazio. Sebbene ci siano gas che ruotano con la Terra ed entrano tecnicamente nell'atmosfera, la loro quantità al di sopra della linea di Karman è invisibilmente piccola. Pertanto, qualsiasi volo che vada oltre un'altezza di 100 chilometri è già considerato spazio.

Il limite inferiore dello strato più esteso dell'atmosfera, la termosfera, coincide con la linea di Karman. Sorge a un'altitudine di 800 chilometri ed è caratterizzato da temperature estremamente elevate - a un'altitudine di 400 chilometri raggiunge un massimo di 1800 ° C!

Caldo, non è vero? A una temperatura di 1538 ° C, il ferro inizia a sciogliersi: come fanno i veicoli spaziali a rimanere intatti nella termosfera? Riguarda la concentrazione estremamente bassa di gas nell'alta atmosfera: la pressione al centro della termosfera è 1.000.000 in meno rispetto alla concentrazione dell'aria vicino alla superficie terrestre! L'energia delle singole particelle è elevata, ma la distanza tra loro è enorme e i veicoli spaziali sono in realtà nel vuoto. Questo, tuttavia, non li aiuta a sbarazzarsi del calore emesso dai meccanismi: per il rilascio di calore, tutti i veicoli spaziali sono dotati di radiatori che irradiano energia in eccesso.

• Su una nota. Quando si tratta di temperature elevate, dovresti sempre tenere conto della densità della materia calda: ad esempio, gli scienziati dell'Andron Collider possono davvero riscaldare la materia alla temperatura del Sole. Ma è ovvio che queste saranno molecole separate: un grammo di materia stellare sarebbe sufficiente potente esplosione. Pertanto, non dovresti credere alla stampa gialla, che ci promette un'imminente fine del mondo dalle "mani" del Collider, così come non dovresti aver paura del caldo nella termosfera.

Termosfera e astronautica

La termosfera è in realtà uno spazio aperto: era entro i suoi limiti che correva l'orbita del primo Sputnik sovietico. C'era anche l'apocentro - il punto più alto sopra la Terra - del volo della navicella Vostok-1 con a bordo Yuri Gagarin. A questa altezza vengono lanciati anche molti satelliti artificiali per lo studio della superficie della Terra, dell'oceano e dell'atmosfera, come i satelliti di Google Maps. Quindi, se parliamo di LEO (Low Reference Orbit, termine comune in astronautica), nel 99% dei casi si trova nella termosfera.

I voli orbitali di persone e animali non avvengono solo nella termosfera. Il fatto è che nella sua parte superiore, a un'altitudine di 500 chilometri, si estendono le cinture di radiazione della Terra. È lì che le particelle cariche del vento solare vengono intrappolate e accumulate dalla magnetosfera. Una lunga permanenza nelle cinture di radiazioni porta danni irreparabili agli organismi viventi e persino all'elettronica, quindi tutti i veicoli ad orbite alte sono protetti dalle radiazioni.

aurore

Alle latitudini polari appare spesso uno spettacolo spettacolare e grandioso: l'aurora boreale. Sembrano lunghi archi luminosi di vari colori e forme che brillano nel cielo. La Terra deve il suo aspetto alla sua magnetosfera, o meglio, alle sue lacune vicino ai poli. Le particelle cariche del vento solare si espandono verso l'interno, facendo brillare l'atmosfera. Qui puoi ammirare le luci più spettacolari e saperne di più sulla loro origine.

Ora l'aurora è un luogo comune per i residenti dei paesi polari come il Canada o la Norvegia, nonché un elemento indispensabile nell'itinerario di qualsiasi turista, tuttavia, prima che venissero attribuite proprietà soprannaturali. In luci multicolori, le persone dell'antichità vedevano le porte del paradiso, creature mitiche e fuochi degli spiriti, e il loro comportamento era considerato una divinazione. E i nostri antenati possono essere compresi - anche l'educazione e la fede nella propria mente a volte non possono frenare il rispetto per le forze della natura.

Esosfera

L'ultimo strato dell'atmosfera terrestre, il cui confine inferiore corre a un'altitudine di 700 chilometri, è l'esosfera (dall'altra parola greca "exo" - fuori, fuori). È incredibilmente sparso e consiste principalmente di atomi dell'elemento più leggero: l'idrogeno; si imbattono anche in singoli atomi di ossigeno e azoto, che sono fortemente ionizzati dalla radiazione solare che tutto penetra.

Le dimensioni dell'esosfera terrestre sono incredibilmente grandi: si sviluppa nella corona terrestre, la geocorona, che si estende fino a 100 mila chilometri dal pianeta. È molto rarefatto: la concentrazione di particelle è milioni di volte minore densità aria ordinaria. Ma se la Luna oscura la Terra per il lontano navicella spaziale, allora la corona del nostro pianeta sarà visibile, come la corona del Sole ci è visibile durante la sua eclissi. Tuttavia, questo fenomeno non è stato ancora osservato.

Agenti atmosferici atmosferici

Ed è anche nell'esosfera che si verifica l'erosione dell'atmosfera terrestre: a causa della grande distanza dal centro gravitazionale del pianeta, le particelle si staccano facilmente dalla massa gassosa totale ed entrano nelle proprie orbite. Questo fenomeno è chiamato dissipazione atmosferica. Il nostro pianeta perde 3 chilogrammi di idrogeno e 50 grammi di elio dall'atmosfera ogni secondo. Solo queste particelle sono abbastanza leggere da lasciare la massa gassosa generale.

Semplici calcoli mostrano che la Terra perde ogni anno circa 110 mila tonnellate di massa atmosferica. È pericoloso? In effetti, no - la capacità del nostro pianeta di "produzione" di idrogeno ed elio supera il tasso di perdite. Inoltre, parte della materia perduta alla fine ritorna nell'atmosfera. E gas importanti come l'ossigeno o l'anidride carbonica sono semplicemente troppo pesanti per lasciare la Terra in massa, quindi non temere che l'atmosfera terrestre evapori.

• Un fatto interessante: i "profeti" della fine del mondo dicono spesso che se il nucleo della Terra smette di ruotare, l'atmosfera scomparirà rapidamente sotto la pressione del vento solare. Tuttavia, il nostro lettore sa che l'atmosfera attorno alla Terra è trattenuta dalle forze gravitazionali, che agiranno indipendentemente dalla rotazione del nucleo. Una prova lampante di ciò è Venere, che ha un nucleo fisso e un debole campo magnetico, ma l'atmosfera è 93 volte più densa e più pesante della terra. Tuttavia, questo non significa che la fine della dinamica del nucleo terrestre sia sicura, quindi il campo magnetico del pianeta scomparirà. Il suo ruolo è importante non tanto nel contenimento dell'atmosfera, quanto nella protezione dalle particelle cariche del vento solare, che trasformeranno facilmente il nostro pianeta in un deserto radioattivo.

Nuvole

L'acqua sulla Terra esiste non solo nel vasto oceano e in numerosi fiumi. Nell'atmosfera sono presenti circa 5,2 × 10 15 chilogrammi di acqua. È presente quasi ovunque: la proporzione di vapore nell'aria varia dallo 0,1% al 2,5% del volume, a seconda della temperatura e della posizione. Tuttavia, la maggior parte dell'acqua viene raccolta nelle nuvole, dove viene immagazzinata non solo sotto forma di gas, ma anche in piccole goccioline e cristalli di ghiaccio. La concentrazione di acqua nelle nuvole raggiunge i 10 g/m 3 - e poiché le nuvole raggiungono un volume di diversi chilometri cubi, la massa d'acqua al loro interno ammonta a decine e centinaia di tonnellate.

Le nuvole sono la formazione più visibile della nostra Terra; sono visibili anche dalla luna, dove i contorni dei continenti si confondono davanti all'occhio nudo. E questo non è strano: dopotutto, oltre il 50% della Terra è costantemente coperto di nuvole!

Le nuvole svolgono un ruolo incredibilmente importante nello scambio di calore della Terra. In inverno catturano i raggi solari, aumentando la temperatura al di sotto di essi a causa dell'effetto serra, e in estate, schermano l'enorme energia solare. Le nuvole bilanciano anche le differenze di temperatura tra il giorno e la notte. A proposito, è proprio per la loro assenza che i deserti si raffreddano così tanto di notte: tutto il calore accumulato dalla sabbia e dalle rocce vola liberamente verso l'alto, quando le nuvole lo trattengono in altre regioni.

La stragrande maggioranza delle nuvole si forma vicino alla superficie della Terra, nella troposfera, ma nella loro ulteriori sviluppi assumono un'ampia varietà di forme e proprietà. La loro separazione è molto utile: l'aspetto di nuvole di vario tipo non solo può aiutare a prevedere il tempo, ma anche a determinare la presenza di impurità nell'aria! Diamo un'occhiata ai principali tipi di nuvole in modo più dettagliato.

Nubi più basse

Le nuvole che scendono più in basso dal suolo sono classificate come nuvole più basse. Sono caratterizzati da un'elevata uniformità e da una massa ridotta: quando cadono a terra, gli scienziati meteorologici non li separano dalla nebbia ordinaria. Tuttavia, c'è una differenza tra loro: alcuni oscurano semplicemente il cielo, mentre altri possono scoppiare in forti piogge e nevicate.

• Le nuvole che possono dare forti precipitazioni includono le nuvole di nimbostratus. Sono le più grandi tra le nuvole del livello inferiore: il loro spessore raggiunge diversi chilometri e le misurazioni lineari superano le migliaia di chilometri. Sono una massa grigia omogenea: guarda il cielo durante una pioggia prolungata e vedrai sicuramente nuvole di nembi.
• Un altro tipo di nubi di strato inferiore sono le nubi di stratocumuli che si innalzano a 600–1500 metri dal suolo. Sono gruppi di centinaia di nuvole grigio-bianche separate da piccoli spazi vuoti. Di solito vediamo tali nuvole nei giorni parzialmente nuvolosi. Raramente piovono o nevicano.
• L'ultimo tipo di nubi inferiori sono nubi di strati ordinari; sono loro che coprono il cielo nei giorni nuvolosi, quando dal cielo sgorga una pioggerellina finissima. Sono molto sottili e bassi: l'altezza delle nuvole di strato al massimo raggiunge i 400-500 metri. La loro struttura è molto simile alla struttura della nebbia: scendendo di notte al suolo stesso, creano spesso una fitta foschia mattutina.

Nubi di sviluppo verticale

Le nuvole del livello inferiore hanno fratelli maggiori: nuvole di sviluppo verticale. Sebbene il loro limite inferiore si trovi a una bassa quota di 800–2000 chilometri, le nuvole a sviluppo verticale si precipitano seriamente verso l'alto: il loro spessore può raggiungere i 12–14 chilometri, il che spinge il loro limite superiore nella troposfera. Tali nuvole sono anche chiamate convettive: a causa delle loro grandi dimensioni, l'acqua al loro interno acquisisce una temperatura diversa, che dà origine alla convezione: il processo di spostamento delle masse calde verso l'alto e verso il basso delle masse fredde. Pertanto, nelle nuvole di sviluppo verticale, esistono contemporaneamente vapore acqueo, piccole goccioline, fiocchi di neve e persino interi cristalli di ghiaccio.

• Il tipo principale di nuvole verticali sono i cumuli: enormi nuvole bianche che assomigliano a pezzi strappati di cotone idrofilo o iceberg. Per la loro esistenza è necessaria un'elevata temperatura dell'aria, quindi, nella Russia centrale, compaiono solo in estate e si sciolgono di notte. Il loro spessore raggiunge diversi chilometri.

• Tuttavia, quando i cumuli hanno l'opportunità di riunirsi, creano una forma molto più grande: i cumulonembi. È da loro che in estate arrivano forti acquazzoni, grandine e temporali. Esistono solo per poche ore, ma allo stesso tempo crescono fino a 15 chilometri: la loro parte superiore raggiunge una temperatura di -10 ° C ed è costituita da cristalli di ghiaccio Nella parte superiore dei più grandi cumulonembi, le "incudini" sono formate - aree pianeggianti che ricordano un fungo o un ferro rovesciato. Questo accade in quelle aree in cui la nuvola raggiunge il bordo della stratosfera: la fisica non le consente di diffondersi ulteriormente, motivo per cui il cumulonembo si diffonde lungo il limite di altezza.

• Un fatto interessante è che potenti nubi cumulonembi si formano in luoghi di eruzioni vulcaniche, impatti di meteoriti ed esplosioni nucleari. Queste nuvole sono le più grandi: i loro confini raggiungono persino la stratosfera, salendo a un'altezza di 16 chilometri. Essendo saturi di acqua evaporata e microparticelle, emettono potenti temporali - nella maggior parte dei casi questo è sufficiente per estinguere gli incendi associati al cataclisma. Ecco un pompiere così naturale 🙂

Nubi di mezzo

Nella parte intermedia della troposfera (a un'altitudine di 2-7 chilometri alle medie latitudini) ci sono nuvole di livello medio. Sono particolari grandi aree- sono meno interessati dalle correnti ascensionali dalla superficie terrestre e dal terreno irregolare - e hanno uno spessore ridotto di diverse centinaia di metri. Queste sono le nuvole che "si avvolgono" intorno alle cime aguzze delle montagne e sono vicine ad esse.

Le stesse nuvole di livello intermedio sono divise in due tipi principali: altostratus e altocumulus.

• Le nubi di Altostratus sono una delle componenti di masse atmosferiche complesse. Sono un velo uniforme, grigio-blu attraverso il quale sono visibili il Sole e la Luna - sebbene l'estensione delle nuvole di altostrato sia di migliaia di chilometri, sono spesse solo pochi chilometri. Il velo grigio denso che si intravede dal finestrino di un aereo in volo ad alta quota è appunto nuvole altostratus. Spesso piove o nevica a lungo.

• Le nuvole altocumuli, simili a piccoli pezzi di cotone idrofilo strappato o sottili strisce parallele, si verificano durante la stagione calda: si formano quando le masse d'aria calda salgono a un'altezza di 2-6 chilometri. Le nubi altocumuli servono come indicatore sicuro dell'imminente cambiamento climatico e dell'avvicinarsi della pioggia: possono essere create non solo dalla convezione naturale dell'atmosfera, ma anche dall'insorgenza di masse d'aria fredda. Raramente piove da loro, tuttavia, le nuvole possono unirsi e creare una grande nuvola di pioggia.

A proposito di nuvole vicino alle montagne - nelle fotografie (o forse dal vivo) hai probabilmente visto nuvole rotonde più di una volta, simili a batuffoli di cotone che pendono a strati sopra la cima della montagna. Il fatto è che le nuvole del livello intermedio sono spesso lenticolari o lenticolari, divise in diversi strati paralleli. Sono creati dalle onde d'aria formate quando il vento scorre attorno a cime ripide. Le nuvole lenticolari sono anche speciali in quanto rimangono in posizione anche con i venti più forti. La loro natura lo rende possibile: poiché tali nuvole sono create nei punti di contatto di diverse correnti d'aria, si trovano in una posizione relativamente stabile.

Nubi superiori

L'ultimo livello di nuvole ordinarie che salgono ai livelli inferiori della stratosfera è chiamato livello superiore. L'altezza di tali nuvole raggiunge i 6-13 chilometri: lì fa molto freddo, e quindi le nuvole nel livello superiore sono costituite da piccoli banchi di ghiaccio. A causa della loro forma fibrosa, allungata, simile a una piuma, le nuvole alte sono anche chiamate cirri, anche se le stranezze dell'atmosfera spesso danno loro la forma di artigli, fiocchi e persino scheletri di pesce. Le precipitazioni che si formano da loro non raggiungono mai il suolo, ma la presenza stessa dei cirri funge da antico modo per prevedere il tempo.

• I cirri puri sono i più lunghi tra le nuvole del livello superiore: la lunghezza di una singola fibra può raggiungere decine di chilometri. Poiché i cristalli di ghiaccio nelle nuvole sono abbastanza grandi da sentire la gravità della Terra, i cirri "cadono" a cascata: la distanza tra i punti superiore e inferiore di una singola nuvola può raggiungere i 3-4 chilometri! In effetti, i cirri sono enormi "cascate di ghiaccio". Sono le differenze nella forma dei cristalli d'acqua che creano la loro forma fibrosa e fluente.

• In questa classe ci sono anche nuvole quasi invisibili: i cirrostrati. Si formano quando grandi masse d'aria vicino alla superficie si alzano - in alta quota, la loro umidità è sufficiente per formare una nuvola. Quando il Sole o la Luna brilla attraverso di loro, appare un alone: ​​un brillante disco arcobaleno di raggi sparsi.

nuvole nottilucenti

In una classe separata, vale la pena evidenziare le nuvole argentate: le nuvole più alte della Terra. Salgono a un'altezza di 80 chilometri, che è persino più alta della stratosfera! Inoltre, hanno una composizione insolita: a differenza di altre nuvole, sono composte da polvere meteoritica e metano, non da acqua. Queste nuvole sono visibili solo dopo il tramonto o prima dell'alba: i raggi del sole, che penetrano da dietro l'orizzonte, evidenziano le nuvole argentate, che rimangono invisibili in quota durante il giorno.

Le nuvole nottilucenti sono uno spettacolo incredibilmente bello, tuttavia, per vederle nell'emisfero settentrionale, sono necessarie condizioni speciali. E il loro enigma non era così facile da risolvere: gli scienziati, indifesi, si rifiutavano di crederci, dichiarando le nuvole argentate un'illusione ottica. Puoi guardare nuvole insolite e conoscere i loro segreti dal nostro articolo speciale.

L'atmosfera iniziò a formarsi insieme alla formazione della Terra. Nel corso dell'evoluzione del pianeta e quando i suoi parametri si sono avvicinati ai valori moderni, ci sono stati cambiamenti fondamentalmente qualitativi nella sua composizione chimica e nelle sue proprietà fisiche. Secondo il modello evolutivo, in una fase iniziale, la Terra era in uno stato fuso e si era formata come un corpo solido circa 4,5 miliardi di anni fa. Questo confine è preso come inizio computo geologico. Da quel momento iniziò la lenta evoluzione dell'atmosfera. Alcuni processi geologici (ad esempio, la fuoriuscita di lava durante le eruzioni vulcaniche) sono stati accompagnati dal rilascio di gas dalle viscere della Terra. Includevano azoto, ammoniaca, metano, vapore acqueo, ossido di CO2 e anidride carbonica CO2. Sotto l'influenza della radiazione ultravioletta solare, il vapore acqueo si è decomposto in idrogeno e ossigeno, ma l'ossigeno rilasciato ha reagito con il monossido di carbonio, formando anidride carbonica. L'ammoniaca si decompone in azoto e idrogeno. L'idrogeno, nel processo di diffusione, si sollevava e lasciava l'atmosfera, mentre l'azoto più pesante non poteva fuoriuscire e gradualmente si accumulava, diventando il componente principale, anche se parte di esso si legava alle molecole per effetto di reazioni chimiche ( centimetro. CHIMICA ATMOSFERICA). Sotto l'influenza dei raggi ultravioletti e delle scariche elettriche, una miscela di gas presenti nell'atmosfera originaria della Terra è entrata in reazioni chimiche, a seguito delle quali la formazione di materia organica soprattutto aminoacidi. Con l'avvento delle piante primitive iniziò il processo di fotosintesi, accompagnato dal rilascio di ossigeno. Questo gas, soprattutto dopo la diffusione nell'atmosfera superiore, ha iniziato a proteggere i suoi strati inferiori e la superficie terrestre dai raggi ultravioletti e raggi X pericolosi per la vita. Secondo stime teoriche, il contenuto di ossigeno, che è 25.000 volte inferiore a quello attuale, potrebbe già portare alla formazione di uno strato di ozono con solo la metà di quello attuale. Tuttavia, questo è già sufficiente per fornire una protezione molto significativa degli organismi dagli effetti dannosi dei raggi ultravioletti.

È probabile che l'atmosfera primaria contenesse molta anidride carbonica. È stato consumato durante la fotosintesi e la sua concentrazione deve essere diminuita con l'evoluzione del mondo vegetale e anche a causa dell'assorbimento durante alcuni processi geologici. Perché il Effetto serra associate alla presenza di anidride carbonica nell'atmosfera, le fluttuazioni della sua concentrazione sono una delle cause importanti di tali cambiamenti climatici su larga scala nella storia della Terra, come ere glaciali.

L'elio presente nell'atmosfera moderna è principalmente un prodotto del decadimento radioattivo di uranio, torio e radio. Questi elementi radioattivi emettono particelle a, che sono i nuclei degli atomi di elio. Poiché una carica elettrica non si forma e non scompare durante il decadimento radioattivo, con la formazione di ciascuna particella a compaiono due elettroni che, ricombinandosi con le particelle a, formano atomi di elio neutri. Gli elementi radioattivi sono contenuti in minerali dispersi nello spessore delle rocce, quindi una parte significativa dell'elio formatosi a seguito del decadimento radioattivo viene immagazzinata in essi, volatilizzandosi molto lentamente nell'atmosfera. Una certa quantità di elio sale nell'esosfera per diffusione, ma a causa del costante afflusso dalla superficie terrestre, il volume di questo gas nell'atmosfera rimane pressoché invariato. Sulla base dell'analisi spettrale della luce stellare e dello studio dei meteoriti, è possibile stimare l'abbondanza relativa di vari elementi chimici nell'Universo. La concentrazione di neon nello spazio è circa dieci miliardi di volte superiore a quella sulla Terra, krypton - dieci milioni di volte e xeno - un milione di volte. Ne consegue che la concentrazione di questi gas inerti, apparentemente originariamente presenti nell'atmosfera terrestre e non reintegrati nel corso delle reazioni chimiche, è notevolmente diminuita, probabilmente anche allo stadio della perdita della sua atmosfera primaria da parte della Terra. Un'eccezione è il gas inerte argon, poiché si forma ancora sotto forma dell'isotopo 40 Ar nel processo di decadimento radioattivo dell'isotopo di potassio.

Distribuzione della pressione barometrica.

Il peso totale dei gas atmosferici è di circa 4,5 10 15 tonnellate, quindi il "peso" dell'atmosfera per unità di superficie, o pressione atmosferica, è di circa 11 t / m 2 = 1,1 kg / cm 2 al livello del mare. Pressione pari a P 0 \u003d 1033,23 g / cm 2 \u003d 1013,250 mbar \u003d 760 mm Hg. Arte. = 1 atm, assunta come pressione atmosferica media standard. Per un'atmosfera in equilibrio idrostatico si ha: d P= -rgd h, il che significa che sull'intervallo di altezze da h prima h+d h si verifica uguaglianza tra le variazioni di pressione atmosferica d P e il peso del corrispondente elemento dell'atmosfera con area unitaria, densità r e spessore d h. Come rapporto tra pressione R e temperatura T utilizzato sufficientemente applicabile per l'atmosfera terrestre equazione di stato per un gas ideale con densità r: P= R R T/m, dove m è il peso molecolare e R = 8,3 J/(K mol) è la costante universale del gas. Quindi d log P= – (m g/RT)d h= -bd h= – d h/H, dove il gradiente di pressione è su scala logaritmica. Il reciproco di H deve essere chiamato scala dell'altezza dell'atmosfera.

Quando si integra questa equazione per un'atmosfera isotermica ( T= const) o da parte sua, ove tale approssimazione sia accettabile, si ottiene la legge barometrica della distribuzione della pressione con l'altitudine: P = P 0 exp(- h/H 0), dove la lettura dell'altezza h prodotto dal livello dell'oceano, dove si trova la pressione media standard P 0. Espressione H 0=R T/ mg, è chiamata scala delle altezze, che caratterizza l'estensione dell'atmosfera, a condizione che la temperatura al suo interno sia la stessa ovunque (atmosfera isotermica). Se l'atmosfera non è isotermica, è necessario integrare tenendo conto della variazione di temperatura con l'altezza e del parametro H- alcune caratteristiche locali degli strati dell'atmosfera, in funzione della loro temperatura e delle proprietà del mezzo.

Atmosfera standard.

Modello (tabella dei valori dei parametri principali) corrispondente alla pressione standard alla base dell'atmosfera R 0 e la composizione chimica è chiamata atmosfera standard. Più precisamente, questo è un modello condizionale dell'atmosfera, per il quale i valori medi di temperatura, pressione, densità, viscosità e altre caratteristiche dell'aria per una latitudine di 45° 32° 33І sono fissati ad altitudini da 2 km sotto il mare livello al confine esterno dell'atmosfera terrestre. I parametri della media atmosfera a tutte le altitudini sono stati calcolati utilizzando l'equazione di stato dei gas ideali e la legge barometrica supponendo che al livello del mare la pressione sia 1013,25 hPa (760 mmHg) e la temperatura sia 288,15 K (15,0°C). Secondo la natura della distribuzione verticale della temperatura, l'atmosfera media è costituita da più strati, in ciascuno dei quali la temperatura è approssimata da una funzione lineare dell'altezza. Nel più basso degli strati - la troposfera (h Ј 11 km), la temperatura scende di 6,5 ° C ad ogni chilometro di salita. In alta quota, il valore e il segno del gradiente di temperatura verticale cambiano da uno strato all'altro. Sopra i 790 km, la temperatura è di circa 1000 K e praticamente non cambia con l'altezza.

L'atmosfera standard è uno standard periodicamente aggiornato, legalizzato, emesso sotto forma di tabelle.

Tabella 1. Modello di atmosfera terrestre standard

Tabella 1. MODELLO STANDARD PER ATMOSFERA TERRESTRE. La tabella mostra: h- altezza dal livello del mare, R- pressione, T– temperatura, r – densità, Nè il numero di molecole o atomi per unità di volume, H- scala di altezza, lè la lunghezza del percorso libero. La pressione e la temperatura a un'altitudine di 80–250 km, ottenute dai dati dei razzi, hanno valori più bassi. I valori estrapolati per altezze superiori a 250 km non sono molto precisi.
h(km)	P(mbar)	T(°C)	r (g/cm 3)	N(cm -3)	H(km)	l(centimetro)
0	1013	288	1.22 10 -3	2.55 10 19	8,4	7.4 10 -6
1	899	281	1.11 10 -3	2.31 10 19		8.1 10 -6
2	795	275	1.01 10 -3	2.10 10 19		8.9 10 -6
3	701	268	9.1 10 -4	1.89 10 19		9,9 10 -6
4	616	262	8.2 10 -4	1.70 10 19		1.1 10 -5
5	540	255	7.4 10 -4	1.53 10 19	7,7	1.2 10 -5
6	472	249	6.6 10 -4	1.37 10 19		1.4 10 -5
8	356	236	5.2 10 -4	1.09 10 19		1,7 10 -5
10	264	223	4.1 10 -4	8.6 10 18	6,6	2.2 10 -5
15	121	214	1.93 10 -4	4.0 10 18		4.6 10 -5
20	56	214	8,9 10 -5	1.85 10 18	6,3	1.0 10 -4
30	12	225	1.9 10 -5	3.9 10 17	6,7	4.8 10 -4
40	2,9	268	3.9 10 -6	7.6 10 16	7,9	2.4 10 -3
50	0,97	276	1.15 10 -6	2.4 10 16	8,1	8,5 10 -3
60	0,28	260	3.9 10 -7	7.7 10 15	7,6	0,025
70	0,08	219	1.1 10 -7	2.5 10 15	6,5	0,09
80	0,014	205	2.7 10 -8	5.0 10 14	6,1	0,41
90	2.8 10 -3	210	5.0 10 -9	9 10 13	6,5	2,1
100	5.8 10 -4	230	8.8 10 -10	1.8 10 13	7,4	9
110	1.7 10 -4	260	2.1 10 –10	5.4 10 12	8,5	40
120	6 10 -5	300	5.6 10 -11	1.8 10 12	10,0	130
150	5 10 -6	450	3.2 10 -12	9 10 10	15	1.8 10 3
200	5 10 -7	700	1.6 10 -13	5 10 9	25	3 10 4
250	9 10 -8	800	3 10 -14	8 10 8	40	3 10 5
300	4 10 -8	900	8 10 -15	3 10 8	50
400	8 10 -9	1000	1 10 –15	5 10 7	60
500	2 10 -9	1000	2 10 -16	1 10 7	70
700	2 10 –10	1000	2 10 -17	1 10 6	80
1000	1 10 –11	1000	1 10 -18	1 10 5	80

Troposfera.

Lo strato più basso e denso dell'atmosfera, in cui la temperatura diminuisce rapidamente con l'altezza, è chiamato troposfera. Contiene fino all'80% della massa totale dell'atmosfera e si estende alle latitudini polari e medie fino ad altezze di 8–10 km e ai tropici fino a 16–18 km. Quasi tutti i processi di formazione degli agenti atmosferici si sviluppano qui, si verificano scambi di calore e umidità tra la Terra e la sua atmosfera, si formano nuvole, si verificano vari fenomeni meteorologici, si verificano nebbie e precipitazioni. Questi strati dell'atmosfera terrestre sono in equilibrio convettivo e, a causa della miscelazione attiva, hanno un'uniformità Composizione chimica, principalmente da azoto molecolare (78%) e ossigeno (21%). La stragrande maggioranza degli inquinanti atmosferici aerosol e gassosi naturali e artificiali è concentrata nella troposfera. La dinamica della parte inferiore della troposfera fino a 2 km di spessore dipende fortemente dalle proprietà della superficie sottostante della Terra, che determina i movimenti orizzontali e verticali dell'aria (venti) dovuti al trasferimento di calore da una terra più calda attraverso la radiazione IR della superficie terrestre, che viene assorbita nella troposfera, principalmente da vapore acqueo e anidride carbonica (effetto serra). La distribuzione della temperatura con l'altezza viene stabilita come risultato della miscelazione turbolenta e convettiva. In media, corrisponde ad un calo della temperatura con altezza di circa 6,5 ​​K/km.

La velocità del vento nello strato limite superficiale prima aumenta rapidamente con l'altezza, e più in alto continua ad aumentare di 2-3 km/s per chilometro. A volte nella troposfera sono presenti stretti flussi planetari (con una velocità superiore a 30 km/s), occidentali alle medie latitudini e orientali vicino all'equatore. Si chiamano correnti a getto.

tropopausa.

Al limite superiore della troposfera (tropopausa), la temperatura raggiunge il suo valore minimo per la bassa atmosfera. Questo è lo strato di transizione tra la troposfera e la stratosfera sopra di essa. Lo spessore della tropopausa va da centinaia di metri a 1,5–2 km e la temperatura e l'altitudine, rispettivamente, variano da 190 a 220 K e da 8 a 18 km, a seconda della latitudine geografica e della stagione. Alle latitudini temperate e alte, in inverno è 1–2 km più basso che in estate e 8–15 K più caldo. Ai tropici, i cambiamenti stagionali sono molto minori (altitudine 16–18 km, temperatura 180–200 K). Sopra correnti a getto possibile rottura della tropopausa.

Acqua nell'atmosfera terrestre.

La caratteristica più importante dell'atmosfera terrestre è la presenza di una quantità significativa di vapore acqueo e acqua sotto forma di goccioline, che è più facilmente osservabile sotto forma di nuvole e strutture nuvolose. Si chiama nuvolosità il grado di copertura nuvolosa del cielo (in un determinato momento o mediamente in un certo periodo di tempo), espresso su una scala di 10 punti o in percentuale. La forma delle nuvole è determinata da classificazione internazionale. In media, le nuvole coprono circa la metà del globo. La nuvolosità è un fattore importante che caratterizza il tempo e il clima. In inverno e di notte, la nuvolosità impedisce l'abbassamento della temperatura della superficie terrestre e dello strato superficiale dell'aria, in estate e durante il giorno indebolisce il riscaldamento della superficie terrestre da parte dei raggi solari, ammorbidendo il clima all'interno dei continenti.

Nuvole.

Le nuvole sono accumuli di goccioline d'acqua sospese nell'atmosfera (nuvole d'acqua), cristalli di ghiaccio (nuvole di ghiaccio) o entrambi (nubi miste). Quando le gocce e i cristalli diventano più grandi, cadono dalle nuvole sotto forma di precipitazioni. Le nuvole si formano principalmente nella troposfera. Derivano dalla condensazione del vapore acqueo contenuto nell'aria. Il diametro delle gocce di nuvola è dell'ordine di diversi micron. Contenuto acqua liquida nelle nuvole - da frazioni a diversi grammi per m 3. Le nubi si distinguono per altezza: Secondo la classificazione internazionale, ci sono 10 generi di nubi: cirrus, cirrocumulus, cirrostratus, altocumulus, altostratus, stratonimbus, stratus, stratocumulus, cumulonembus, cumulus.

Nubi di madreperla si osservano anche nella stratosfera e nubi nottilucenti nella mesosfera.

Cirri - nuvole trasparenti sotto forma di sottili fili bianchi o veli con una lucentezza setosa, che non danno ombra. I cirri sono costituiti da cristalli di ghiaccio e si formano nella troposfera superiore a molto basse temperature. Alcuni tipi di cirri fungono da presagi dei cambiamenti meteorologici.

I cirrocumuli sono creste o strati di sottili nuvole bianche nella troposfera superiore. I cirrocumuli sono formati da piccoli elementi che sembrano fiocchi, increspature, palline senza ombre e sono costituiti principalmente da cristalli di ghiaccio.

I cirrostrati sono un velo biancastro traslucido nella troposfera superiore, solitamente fibroso, a volte sfocato, costituito da piccoli aghi o cristalli di ghiaccio colonnari.

Le nuvole altocumuli sono nuvole bianche, grigie o bianco-grigie degli strati inferiore e medio della troposfera. Le nubi altocumuli sembrano strati e creste, come se fossero costituite da placche che giacciono una sopra l'altra, masse tondeggianti, fusti, scaglie. Le nubi altocumuli si formano durante un'intensa attività convettiva e di solito sono costituite da goccioline d'acqua superraffreddate.

Le nuvole di Altostratus sono nuvole grigiastre o bluastre di una struttura fibrosa o uniforme. Le nubi di Altostratus si osservano nella troposfera media, estendendosi per diversi chilometri in altezza e talvolta per migliaia di chilometri in direzione orizzontale. Di solito, le nuvole di altostrato fanno parte di sistemi nuvolosi frontali associati ai movimenti ascendenti delle masse d'aria.

Nubi di Nimbostratus - uno strato amorfo basso (da 2 km e oltre) di nuvole di colore grigio uniforme, che dà origine a pioggia o neve nuvolose. Le nubi di Nimbostratus - altamente sviluppate verticalmente (fino a diversi km) e orizzontalmente (diverse migliaia di km), sono costituite da gocce d'acqua superraffreddate mescolate a fiocchi di neve, solitamente associate a fronti atmosferici.

Nubi di strato - nuvole del livello inferiore sotto forma di uno strato omogeneo senza contorni definiti, di colore grigio. L'altezza delle nuvole di strato sopra la superficie terrestre è di 0,5-2 km. Di tanto in tanto cade una pioggerellina dalle nubi stratificate.

I cumuli sono nuvole bianche dense e luminose durante il giorno con uno sviluppo verticale significativo (fino a 5 km o più). Le parti superiori dei cumuli sembrano cupole o torri dai contorni arrotondati. I cumuli di solito si formano come nubi di convezione nelle masse d'aria fredda.

Nubi di stratocumuli - nuvole basse (inferiori a 2 km) sotto forma di strati non fibrosi grigi o bianchi o creste di grandi blocchi rotondi. Lo spessore verticale delle nubi di stratocumuli è piccolo. Occasionalmente, le nubi di stratocumuli danno leggere precipitazioni.

I cumulonembi sono nubi potenti e dense con un forte sviluppo verticale (fino a un'altezza di 14 km), che danno forti precipitazioni con temporali, grandine, burrasche. I cumulonembi si sviluppano da potenti cumuli, diversi da loro nella parte superiore, costituita da cristalli di ghiaccio.

Stratosfera.

Attraverso la tropopausa, in media ad altitudini da 12 a 50 km, la troposfera passa nella stratosfera. Nella parte bassa, per circa 10 km, cioè fino ad altezze di circa 20 km, è isotermico (temperatura circa 220 K). Quindi aumenta con l'altitudine, raggiungendo un massimo di circa 270 K a un'altitudine di 50–55 km. Ecco il confine tra la stratosfera e la mesosfera sovrastante, chiamata stratopausa. .

C'è molto meno vapore acqueo nella stratosfera. Tuttavia, occasionalmente si osservano sottili nubi di madreperla traslucide, che appaiono occasionalmente nella stratosfera ad un'altezza di 20-30 km. Le nuvole di madreperla sono visibili nel cielo scuro dopo il tramonto e prima dell'alba. Nella forma, le nuvole di madreperla ricordano i cirri e i cirrocumuli.

Atmosfera di mezzo (mesosfera).

Ad un'altitudine di circa 50 km, la mesosfera inizia con il picco di un'ampia temperatura massima. . Il motivo dell'aumento della temperatura nella regione di questo massimo è una reazione fotochimica esotermica (ossia accompagnata dal rilascio di calore) di decomposizione dell'ozono: O 3 + hv® O 2 + O. L'ozono si forma a seguito della decomposizione fotochimica dell'ossigeno molecolare O 2

Circa 2+ hv® O + O e la successiva reazione di una tripla collisione di un atomo e una molecola di ossigeno con una terza molecola M.

O + O 2 + M ® O 3 + M

L'ozono assorbe avidamente la radiazione ultravioletta nella regione da 2000 a 3000 Å e questa radiazione riscalda l'atmosfera. L'ozono, situato nell'alta atmosfera, funge da scudo che ci protegge dall'azione dei raggi ultravioletti del Sole. Senza questo scudo, lo sviluppo della vita sulla Terra nel suo forme moderne difficilmente sarebbe possibile.

In generale, in tutta la mesosfera, la temperatura dell'atmosfera scende al suo valore minimo di circa 180 K al limite superiore della mesosfera (chiamato mesopausa, l'altezza è di circa 80 km). In prossimità della mesopausa, ad altitudini di 70–90 km, può apparire uno strato sottilissimo di cristalli di ghiaccio e particelle di polvere vulcanica e meteoritica, osservati sotto forma di un bellissimo spettacolo di nubi nottilucenti. poco dopo il tramonto.

Nella mesosfera, per la maggior parte, vengono bruciate piccole particelle di meteorite solido che cadono sulla Terra, provocando il fenomeno delle meteore.

Meteore, meteoriti e palle di fuoco.

I bagliori e altri fenomeni nell'atmosfera superiore della Terra causati dall'intrusione in essa a una velocità di 11 km / se al di sopra di particelle o corpi cosmici solidi sono chiamati meteoroidi. C'è una scia di meteoriti luminosa osservata; vengono chiamati i fenomeni più potenti, spesso accompagnati dalla caduta di meteoriti palle di fuoco; le meteore sono associate agli sciami meteorici.

pioggia di meteoriti:

1) il fenomeno della meteora multipla cade nell'arco di diverse ore o giorni da un radiante.

2) uno sciame di meteoroidi che si muovono in un'orbita attorno al Sole.

L'apparizione sistematica di meteore in una certa regione del cielo e in determinati giorni dell'anno, causata dall'intersezione dell'orbita terrestre con un'orbita comune di molti corpi meteoritici che si muovono approssimativamente alla stessa velocità egualmente diretta, per cui la loro i percorsi nel cielo sembrano uscire da un punto comune (raggiante). Prendono il nome dalla costellazione in cui si trova il radiante.

Gli acquazzoni di meteoriti fanno una profonda impressione con i loro effetti di luce, ma raramente si vedono singole meteore. Ben più numerose sono le meteore invisibili, troppo piccole per essere viste nel momento in cui vengono inghiottite dall'atmosfera. Alcune delle più piccole meteore probabilmente non si riscaldano affatto, ma vengono catturate solo dall'atmosfera. Queste piccole particelle di dimensioni variabili da pochi millimetri a decimillesimi di millimetro sono chiamate micrometeoriti. La quantità di materia meteorica che entra nell'atmosfera ogni giorno va da 100 a 10.000 tonnellate, con la maggior parte di questa materia costituita da micrometeoriti.

Poiché la materia meteorica brucia parzialmente nell'atmosfera, la sua composizione gassosa viene reintegrata con tracce di vari elementi chimici. Ad esempio, le meteore di pietra portano il litio nell'atmosfera. La combustione di meteore metalliche porta alla formazione di minuscole goccioline sferiche di ferro, ferro-nichel e altre goccioline che attraversano l'atmosfera e si depositano sulla superficie terrestre. Possono essere trovati in Groenlandia e in Antartide, dove le calotte glaciali rimangono quasi invariate per anni. Gli oceanologi li trovano nei sedimenti oceanici inferiori.

La maggior parte delle particelle meteoriche che entrano nell'atmosfera si depositano entro circa 30 giorni. Alcuni scienziati ritengono che questa polvere cosmica svolga un ruolo importante nella formazione di fenomeni atmosferici come la pioggia, poiché funge da nucleo di condensazione del vapore acqueo. Pertanto, si presume che le precipitazioni siano statisticamente associate a grandi sciami di meteoriti. Tuttavia, alcuni esperti ritengono che, poiché l'apporto totale di materia meteorica è molte decine di volte superiore anche al più grande sciame meteorico, il cambiamento nella quantità totale di questo materiale che si verifica a seguito di uno di questi sciami può essere trascurato.

Tuttavia, non c'è dubbio che le più grandi micrometeoriti e meteoriti visibili lasciano lunghe tracce di ionizzazione negli strati alti dell'atmosfera, principalmente nella ionosfera. Tali tracce possono essere utilizzate per comunicazioni radio a lunga distanza, poiché riflettono le onde radio ad alta frequenza.

L'energia delle meteore che entrano nell'atmosfera viene spesa principalmente, e forse completamente, per il suo riscaldamento. Questo è uno dei componenti minori del bilancio termico dell'atmosfera.

meteorite - solido origine naturale caduto sulla superficie terrestre dallo spazio. Di solito si distinguono pietra, pietra-ferro e meteoriti di ferro. Questi ultimi sono composti principalmente da ferro e nichel. Tra i meteoriti trovati, la maggior parte ha un peso da diversi grammi a diversi chilogrammi. Il più grande di quelli trovati, il meteorite di ferro di Goba pesa circa 60 tonnellate e si trova ancora nello stesso luogo in cui è stato scoperto, in Sud Africa. La maggior parte dei meteoriti sono frammenti di asteroidi, ma alcuni meteoriti potrebbero essere giunti sulla Terra dalla Luna e persino da Marte.

Una palla di fuoco è una meteora molto luminosa, a volte osservata anche di giorno, lasciando spesso dietro di sé una scia fumosa e accompagnata da fenomeni sonori; spesso finisce con la caduta di meteoriti.

Termosfera.

Al di sopra della temperatura minima della mesopausa, inizia la termosfera, in cui la temperatura, dapprima lentamente, poi rapidamente, ricomincia a salire. Il motivo è l'assorbimento della radiazione solare ultravioletta ad altitudini di 150–300 km, a causa della ionizzazione dell'ossigeno atomico: O + hv® O + + e.

Nella termosfera la temperatura sale continuamente ad un'altezza di circa 400 km, dove raggiunge i 1800 K durante il giorno durante l'epoca di massima attività solare. Nell'epoca del minimo, questa temperatura limite può essere inferiore a 1000 K. Sopra i 400 km, l'atmosfera passa in un'esosfera isotermica. Il livello critico (la base dell'esosfera) si trova ad un'altitudine di circa 500 km.

Aurore e molte orbite di satelliti artificiali, nonché nuvole nottilucenti: tutti questi fenomeni si verificano nella mesosfera e nella termosfera.

Luci polari.

Ad alte latitudini durante le perturbazioni campo magnetico si osservano le luci polari. Possono durare diversi minuti, ma sono spesso visibili per diverse ore. Le aurore variano notevolmente per forma, colore e intensità, che a volte cambiano molto rapidamente nel tempo. Lo spettro dell'aurora è costituito da righe e bande di emissione. Alcune delle emissioni del cielo notturno sono potenziate nello spettro dell'aurora, principalmente le linee verde e rossa di l 5577 Å e l 6300 Å di ossigeno. Succede che una di queste linee è molte volte più intensa dell'altra, e questo determina il colore visibile dello splendore: verde o rosso. I disturbi nel campo magnetico sono anche accompagnati da interruzioni nelle comunicazioni radio nelle regioni polari. L'interruzione è causata da cambiamenti nella ionosfera, il che significa che durante le tempeste magnetiche opera una potente fonte di ionizzazione. È stato trovato così forte tempeste magnetiche si verificano quando ci sono grandi gruppi di punti vicino al centro del disco solare. Le osservazioni hanno dimostrato che le tempeste non sono associate ai punti stessi, ma a brillamenti solari, che compaiono durante lo sviluppo di un gruppo di macchie.

Le aurore sono una gamma di luce di varia intensità con rapidi movimenti osservati nelle regioni ad alta latitudine della Terra. L'aurora visiva contiene righe di emissione verde (5577Å) e rossa (6300/6364Å) di ossigeno atomico e bande molecolari N 2, che sono eccitate da particelle energetiche di origine solare e magnetosferica. Queste emissioni sono generalmente visualizzate a un'altitudine di circa 100 km e oltre. Il termine aurora ottica è usato per riferirsi alle aurore visive e al loro spettro di emissione da infrarosso a ultravioletto. L'energia della radiazione nella parte infrarossa dello spettro supera significativamente l'energia della regione visibile. Quando sono apparse le aurore, sono state osservate emissioni nella gamma ULF (

Le forme reali delle aurore sono difficili da classificare; I seguenti termini sono più comunemente usati:

1. Calmi archi o strisce uniformi. L'arco di solito si estende per circa 1000 km in direzione del parallelo geomagnetico (verso il Sole nelle regioni polari) e ha una larghezza da uno a diverse decine di chilometri. Una striscia è una generalizzazione del concetto di arco, di solito non ha una forma arcuata regolare, ma si piega a forma di S oa forma di spirale. Archi e fasce si trovano ad altitudini di 100–150 km.

2. Raggi dell'aurora . Questo termine si riferisce a una struttura aurorale allungata lungo linee di campo magnetico con un'estensione verticale da alcune decine a diverse centinaia di chilometri. La lunghezza dei raggi lungo l'orizzontale è piccola, da alcune decine di metri a diversi chilometri. I raggi sono generalmente osservati in archi o come strutture separate.

3. Macchie o superfici . Queste sono aree isolate di bagliore che non hanno una forma specifica. I singoli spot possono essere correlati.

4. Velo. Una forma insolita di aurora, che è un bagliore uniforme che copre vaste aree del cielo.

A seconda della struttura, le aurore si dividono in omogenee, lucide e radiose. Vengono utilizzati vari termini; arco pulsante, superficie pulsante, superficie diffusa, striscia radiante, tendaggi, ecc. Esiste una classificazione delle aurore in base al loro colore. Secondo questa classificazione, aurore del tipo MA. La parte superiore o completamente è rossa (6300–6364 Å). Di solito compaiono ad altitudini di 300–400 km durante un'elevata attività geomagnetica.

Tipo Aurora A sono colorati di rosso nella parte inferiore e sono associati alla luminescenza delle bande del primo sistema N 2 positivo e del primo sistema O 2 negativo. Tali forme di aurora compaiono durante le fasi più attive delle aurore.

Zone aurore – queste sono zone di massima frequenza di occorrenza delle aurore notturne, secondo gli osservatori, in un punto fisso della superficie terrestre. Le zone si trovano a 67° di latitudine nord e sud, e la loro ampiezza è di circa 6°. Il massimo verificarsi di aurore, corrispondenti a un dato momento del tempo geomagnetico locale, si verifica in cinture di forma ovale (aurora ovale), che si trovano asimmetricamente attorno ai poli geomagnetici nord e sud. L'ovale dell'aurora è fissato in coordinate di latitudine-tempo e la zona aurorale è il luogo dei punti nella regione di mezzanotte dell'ovale in coordinate di latitudine-longitudine. La fascia ovale si trova a circa 23° dal polo geomagnetico nel settore notturno ea 15° nel settore diurno.

Ovale aurorale e zone dell'aurora. La posizione dell'ovale dell'aurora dipende dall'attività geomagnetica. L'ovale diventa più largo ad alta attività geomagnetica. Le zone dell'aurora oi confini ovali dell'aurora sono meglio rappresentate da L 6.4 che dalle coordinate del dipolo. Le linee del campo geomagnetico al confine del settore diurno dell'ovale dell'aurora coincidono con magnetopausa. C'è un cambiamento nella posizione dell'ovale dell'aurora a seconda dell'angolo tra l'asse geomagnetico e la direzione Terra-Sole. L'ovale aurorale viene determinato anche sulla base dei dati sulla precipitazione di particelle (elettroni e protoni) di determinate energie. La sua posizione può essere determinata indipendentemente dai dati caspakh a giorno e nel magnetotail.

La variazione giornaliera della frequenza di occorrenza delle aurore nella zona dell'aurora ha un massimo alla mezzanotte geomagnetica e un minimo a mezzogiorno geomagnetico. Sul lato quasi equatoriale dell'ovale, la frequenza di comparsa delle aurore diminuisce drasticamente, ma viene mantenuta la forma delle variazioni diurne. Sul lato polare dell'ovale, la frequenza di comparsa delle aurore diminuisce gradualmente ed è caratterizzata da complessi cambiamenti diurni.

Intensità delle aurore.

Intensità dell'aurora determinato misurando la superficie di luminanza apparente. Luminosità superficie io aurore in una certa direzione è determinata dall'emissione totale 4p io fotone/(cm 2 s). Poiché questo valore non è la vera luminosità della superficie, ma rappresenta l'emissione dalla colonna, nello studio delle aurore viene solitamente utilizzata l'unità fotone/(cm 2 colonna s). L'unità usuale per misurare l'emissione totale è Rayleigh (Rl) pari a 10 6 fotoni / (cm 2 colonna s). Un'unità più pratica di intensità dell'aurora è determinata dalle emissioni di una singola linea o banda. Ad esempio, l'intensità delle aurore è determinata dai coefficienti di luminosità internazionali (ICF) secondo i dati di intensità della linea verde (5577 Å); 1 kRl = I MKH, 10 kRl = II MKH, 100 kRl = III MKH, 1000 kRl = IV MKH (massima intensità dell'aurora). Questa classificazione non può essere utilizzata per le aurore rosse. Una delle scoperte dell'epoca (1957-1958) fu l'istituzione della distribuzione spaziale e temporale delle aurore sotto forma di un ovale spostato rispetto al polo magnetico. Da semplici idee sulla forma circolare della distribuzione delle aurore rispetto al polo magnetico, il passaggio alla fisica moderna della magnetosfera è stato completato. L'onore della scoperta appartiene a O. Khorosheva e G. Starkov, J. Feldshtein, S-I. L'aurora ovale è la regione dell'impatto più intenso del vento solare sull'alta atmosfera terrestre. L'intensità delle aurore è massima nell'ovale e le sue dinamiche sono continuamente monitorate dai satelliti.

Archi rossi aurorali stabili.

Arco rosso aurorale costante, altrimenti chiamato arco rosso di media latitudine o M-arco, è un ampio arco sottovisivo (al di sotto del limite di sensibilità dell'occhio), che si estende da est a ovest per migliaia di chilometri e circonda, forse, l'intera Terra. L'estensione latitudinale dell'arco è di 600 km. L'emissione dall'arco rosso aurorale stabile è quasi monocromatica nelle linee rosse l 6300 Å e l 6364 Å. Recentemente sono state segnalate anche linee di emissione deboli l 5577 Å (OI) e l 4278 Å (N + 2). Gli archi rossi persistenti sono classificati come aurore, ma appaiono ad altitudini molto più elevate. Il limite inferiore si trova a un'altitudine di 300 km, il limite superiore è di circa 700 km. L'intensità del silenzioso arco rosso aurorale nell'emissione di l 6300 Å varia da 1 a 10 kRl (un valore tipico è 6 kRl). La soglia di sensibilità dell'occhio a questa lunghezza d'onda è di circa 10 kR, quindi gli archi sono raramente osservati visivamente. Tuttavia, le osservazioni hanno mostrato che la loro luminosità è >50 kR nel 10% delle notti. La durata abituale degli archi è di circa un giorno e raramente compaiono nei giorni successivi. Le onde radio provenienti da satelliti o sorgenti radio che attraversano archi rossi aurorali stabili sono soggette a scintillazioni, indicando l'esistenza di disomogeneità di densità elettronica. La spiegazione teorica degli archi rossi è che gli elettroni riscaldati della regione F le ionosfere provocano un aumento degli atomi di ossigeno. Le osservazioni satellitari mostrano un aumento della temperatura degli elettroni lungo le linee del campo geomagnetico che attraversano archi rossi aurorali stabili. L'intensità di questi archi è correlata positivamente con l'attività geomagnetica (tempeste) e la frequenza di occorrenza degli archi è correlata positivamente con l'attività delle macchie solari.

Cambiare l'aurora.

Alcune forme di aurore sperimentano variazioni di intensità temporale quasi periodiche e coerenti. Queste aurore, con una geometria approssimativamente stazionaria e rapide variazioni periodiche che si verificano in fase, sono chiamate aurore mutevoli. Sono classificati come aurore le forme R secondo l'Atlante internazionale delle aurore Una suddivisione più dettagliata delle aurore mutevoli:

R 1 (aurora pulsante) è un bagliore con variazioni di fase uniformi di luminosità in tutta la forma dell'aurora. Per definizione, in un'aurora pulsante ideale, le parti spaziali e temporali della pulsazione possono essere separate, ad es. luminosità io(r,t)= io s(r)· ESSO(t). In una tipica aurora R 1, le pulsazioni si verificano con una frequenza da 0,01 a 10 Hz di bassa intensità (1–2 kR). La maggior parte delle aurore R 1 sono punti o archi che pulsano con un periodo di alcuni secondi.

R 2 (aurora infuocata). Questo termine è solitamente usato per riferirsi a movimenti come le fiamme che riempiono il cielo e non per descrivere una singola forma. Le aurore sono a forma di arco e di solito si muovono verso l'alto da un'altezza di 100 km. Queste aurore sono relativamente rare e si verificano più spesso al di fuori delle aurore.

R 3 (aurora tremolante). Si tratta di aurore con variazioni di luminosità rapide, irregolari o regolari, che danno l'impressione di una fiamma tremolante nel cielo. Appaiono poco prima del crollo dell'aurora. Frequenza di variazione comunemente osservata R 3 è uguale a 10 ± 3 Hz.

Il termine aurora in streaming, usato per un'altra classe di aurore pulsanti, si riferisce a variazioni irregolari di luminosità che si muovono rapidamente orizzontalmente in archi e bande di aurore.

L'aurora mutevole è uno dei fenomeni solari-terrestri che accompagnano le pulsazioni del campo geomagnetico e la radiazione di raggi X aurorale causata dalla precipitazione di particelle di origine solare e magnetosferica.

Il bagliore della calotta polare è caratterizzato da un'elevata intensità della banda del primo sistema negativo N+2 (λ 3914 Å). Di solito, queste bande N + 2 sono cinque volte più intense della linea verde OI l 5577 Å; l'intensità assoluta del bagliore della calotta polare è compresa tra 0,1 e 10 kRl (solitamente 1–3 kRl). Con queste aurore, che compaiono durante i periodi di PCA, un bagliore uniforme copre l'intera calotta polare fino alla latitudine geomagnetica di 60° ad altitudini comprese tra 30 e 80 km. È generato principalmente da protoni solari e particelle d con energie di 10–100 MeV, che creano un massimo di ionizzazione a queste altezze. C'è un altro tipo di bagliore nelle zone dell'aurora, chiamato aurore del mantello. Per questo tipo di bagliore aurorale, l'intensità massima giornaliera nelle ore mattutine è 1–10 kR e l'intensità minima è cinque volte più debole. Le osservazioni delle aurore del mantello sono poche e la loro intensità dipende dall'attività geomagnetica e solare.

Bagliore atmosfericoè definita come la radiazione prodotta ed emessa dall'atmosfera di un pianeta. Questa è la radiazione non termica dell'atmosfera, ad eccezione dell'emissione di aurore, scariche di fulmini e l'emissione di scie meteoriche. Questo termine è usato in relazione all'atmosfera terrestre (bagliore notturno, bagliore crepuscolare e bagliore diurno). Il bagliore atmosferico è solo una frazione della luce disponibile nell'atmosfera. Altre fonti sono la luce stellare, la luce zodiacale e la luce diffusa diurna dal Sole. A volte, il bagliore dell'atmosfera può arrivare fino al 40% della quantità totale di luce. Airglow si verifica in strati atmosferici di altezza e spessore variabili. Lo spettro del bagliore atmosferico copre lunghezze d'onda da 1000 Å a 22,5 µm. La principale linea di emissione nell'airglow è l 5577 Å, che appare a un'altezza di 90–100 km in uno strato di 30–40 km di spessore. L'aspetto del bagliore è dovuto al meccanismo Champen basato sulla ricombinazione degli atomi di ossigeno. Altre linee di emissione sono l 6300 Å, che compaiono nel caso della ricombinazione dissociativa O + 2 e dell'emissione NI l 5198/5201 Å e NI l 5890/5896 Å.

L'intensità del bagliore atmosferico è misurata in Rayleighs. La luminosità (in Rayleighs) è pari a 4 rb, dove c è la superficie angolare della luminanza dello strato emittente in unità di 10 6 fotoni/(cm 2 sr s). L'intensità del bagliore dipende dalla latitudine (diversamente per le diverse emissioni), e varia anche durante il giorno con un massimo vicino alla mezzanotte. È stata notata una correlazione positiva per il bagliore atmosferico nell'emissione l 5577 Å con il numero di macchie solari e il flusso di radiazione solare a una lunghezza d'onda di 10,7 cm Il bagliore atmosferico è stato osservato durante gli esperimenti satellitari. Dallo spazio esterno, sembra un anello di luce attorno alla Terra e ha un colore verdastro.

Ozonosfera.

Ad altitudini di 20–25 km, la concentrazione massima di una quantità trascurabile di ozono O 3 (fino a 2×10–7 del contenuto di ossigeno!), che si verifica sotto l'azione della radiazione ultravioletta solare ad altitudini comprese tra 10 e 50 km, si raggiunge, proteggendo il pianeta dalla radiazione solare ionizzante. Nonostante il numero estremamente ridotto di molecole di ozono, proteggono tutta la vita sulla Terra dagli effetti dannosi delle radiazioni a onde corte (ultravioletti e raggi X) del Sole. Se si precipitano tutte le molecole alla base dell'atmosfera, si ottiene uno strato spesso non più di 3-4 mm! Ad altitudini superiori a 100 km, la proporzione di gas leggeri aumenta e ad altitudini molto elevate predominano l'elio e l'idrogeno; molte molecole si dissociano in atomi separati che, essendo ionizzati sotto l'influenza della forte radiazione solare, formano la ionosfera. La pressione e la densità dell'aria nell'atmosfera terrestre diminuiscono con l'altezza. A seconda della distribuzione della temperatura, l'atmosfera terrestre è suddivisa in troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera. .

Ad un'altitudine di 20-25 km si trova strato di ozono. L'ozono si forma a causa del decadimento delle molecole di ossigeno durante l'assorbimento della radiazione ultravioletta solare con lunghezze d'onda inferiori a 0,1–0,2 micron. L'ossigeno libero si combina con le molecole di O 2 e forma l'ozono O 3, che assorbe avidamente tutta la luce ultravioletta inferiore a 0,29 micron. Le molecole di ozono O 3 vengono facilmente distrutte dalle radiazioni a onde corte. Pertanto, nonostante la sua rarefazione, lo strato di ozono assorbe efficacemente la radiazione ultravioletta del Sole, che è passata attraverso gli strati atmosferici più alti e più trasparenti. Grazie a ciò, gli organismi viventi sulla Terra sono protetti dagli effetti nocivi della luce ultravioletta del sole.

Ionosfera.

La radiazione solare ionizza gli atomi e le molecole dell'atmosfera. Il grado di ionizzazione diventa significativo già ad un'altitudine di 60 chilometri e aumenta costantemente con la distanza dalla Terra. A diverse altitudini nell'atmosfera si verificano successivi processi di dissociazione di varie molecole e successiva ionizzazione di vari atomi e ioni. Fondamentalmente, queste sono molecole di ossigeno O 2, azoto N 2 e loro atomi. A seconda dell'intensità di questi processi, vari strati dell'atmosfera che si trovano al di sopra di 60 chilometri sono chiamati strati ionosferici. , e la loro totalità è la ionosfera . Lo strato inferiore, la cui ionizzazione è insignificante, è chiamato neutrosfera.

La concentrazione massima di particelle cariche nella ionosfera viene raggiunta ad altitudini di 300–400 km.

Storia dello studio della ionosfera.

L'ipotesi dell'esistenza di uno strato conduttivo nell'alta atmosfera fu avanzata nel 1878 dallo scienziato inglese Stuart per spiegare le caratteristiche del campo geomagnetico. Poi nel 1902, indipendentemente l'uno dall'altro, Kennedy negli Stati Uniti e Heaviside in Inghilterra sottolinearono che per spiegare la propagazione delle onde radio su lunghe distanze, è necessario ipotizzare l'esistenza di regioni ad alta conducibilità negli alti strati di l'atmosfera. Nel 1923, l'accademico M.V. Shuleikin, considerando le caratteristiche della propagazione delle onde radio di varie frequenze, giunse alla conclusione che ci sono almeno due strati riflettenti nella ionosfera. Poi, nel 1925, i ricercatori inglesi Appleton e Barnet, così come Breit e Tuve, dimostrarono sperimentalmente per la prima volta l'esistenza di regioni che riflettono le onde radio e gettarono le basi per il loro studio sistematico. Da allora è stato condotto uno studio sistematico delle proprietà di questi strati, generalmente chiamati ionosfera, che giocano un ruolo significativo in una serie di fenomeni geofisici che determinano la riflessione e l'assorbimento delle onde radio, molto importante per la pratica finalità, in particolare, di garantire comunicazioni radio affidabili.

Negli anni '30 iniziarono le osservazioni sistematiche dello stato della ionosfera. Nel nostro paese, su iniziativa di M.A. Bonch-Bruevich, sono state create installazioni per il suo suono pulsante. Sono state studiate molte proprietà generali della ionosfera, le altezze e la densità elettronica dei suoi strati principali.

Ad altitudini di 60–70 km si osserva lo strato D; ad altitudini di 100–120 km, il e, ad altitudini, ad altitudini di 180–300 km a doppio strato F 1 e F 2. I parametri principali di questi livelli sono riportati nella tabella 4.

Tabella 4

Tabella 4
Regione della Ionosfera	Altezza massima, km	Ti , K	Giorno		Notte n , cm -3	a΄, ρm 3 s – 1
			min n , cm -3	Massimo n , cm -3
D	70	20	100	200	10	10 –6
e	110	270	1.5 10 5	3 10 5	3000	10 –7
F 1	180	800–1500	3 10 5	5 10 5	–	3 10 -8
F 2 (inverno)	220–280	1000–2000	6 10 5	25 10 5	~10 5	2 10 –10
F 2 (estate)	250–320	1000–2000	2 10 5	8 10 5	~3 10 5	10 –10
nè la concentrazione di elettroni, e è la carica di elettroni, Tiè la temperatura dello ione, a΄ è il coefficiente di ricombinazione (che determina il n e il suo cambiamento nel tempo)

Le medie sono fornite in quanto variano a seconda delle latitudini, dell'ora del giorno e delle stagioni diverse. Tali dati sono necessari per garantire comunicazioni radio a lungo raggio. Sono utilizzati nella selezione delle frequenze operative per vari collegamenti radio a onde corte. Conoscere il loro cambiamento a seconda dello stato della ionosfera nei diversi momenti della giornata e nelle diverse stagioni è estremamente importante per garantire l'affidabilità delle comunicazioni radio. La ionosfera è un insieme di strati ionizzati dell'atmosfera terrestre, che iniziano ad altitudini di circa 60 km e si estendono ad altitudini di decine di migliaia di km. La principale fonte di ionizzazione dell'atmosfera terrestre è la radiazione ultravioletta e di raggi X del Sole, che si verifica principalmente nella cromosfera solare e nella corona. Inoltre, il grado di ionizzazione dell'alta atmosfera è influenzato dai flussi corpuscolari solari che si verificano durante i brillamenti solari, nonché dai raggi cosmici e dalle particelle di meteoriti.

Strati ionosferici

sono aree dell'atmosfera in cui si raggiungono i valori massimi della concentrazione di elettroni liberi (cioè il loro numero per unità di volume). Gli elettroni liberi caricati elettricamente e (in misura minore, gli ioni meno mobili) risultanti dalla ionizzazione degli atomi di gas atmosferici, interagendo con le onde radio (cioè le oscillazioni elettromagnetiche), possono cambiare la loro direzione, riflettendole o rifrangendole, e assorbirne l'energia. Di conseguenza, durante la ricezione di stazioni radio lontane, possono verificarsi vari effetti, ad esempio sbiadimento della radio, aumento dell'udibilità di stazioni lontane, blackout eccetera. fenomeni.

Metodi di ricerca.

I metodi classici per studiare la ionosfera dalla Terra sono ridotti al suono a impulsi: inviare impulsi radio e osservarne i riflessi da vari strati della ionosfera con la misurazione del tempo di ritardo e lo studio dell'intensità e della forma dei segnali riflessi. Misurando le altezze di riflessione degli impulsi radio a diverse frequenze, determinando le frequenze critiche di varie regioni (la frequenza portante dell'impulso radio per il quale questa regione della ionosfera diventa trasparente è chiamata frequenza critica), è possibile determinare la valore della densità elettronica negli strati e le altezze effettive per determinate frequenze e scegliere le frequenze ottimali per determinati percorsi radio. Con lo sviluppo tecnologia missilistica e con l'inizio dell'era spaziale dei satelliti artificiali della Terra (AES) e di altri veicoli spaziali, è diventato possibile misurare direttamente i parametri del vicino alla Terra plasma spaziale, la cui parte inferiore è la ionosfera.

Le misurazioni della densità elettronica effettuate da razzi appositamente lanciati e lungo traiettorie di volo satellitari hanno confermato e perfezionato dati precedentemente ottenuti con metodi a terra sulla struttura della ionosfera, la distribuzione della densità elettronica con l'altezza su diverse regioni della Terra, e hanno reso possibile per ottenere valori di densità elettronica superiori al massimo principale: lo strato F. In precedenza, era impossibile farlo con metodi sonori basati sull'osservazione di impulsi radio riflessi a lunghezza d'onda corta. È stato riscontrato che in alcune regioni del globo ci sono regioni abbastanza stabili con bassa densità elettronica, regolari "venti ionosferici", nella ionosfera sorgono particolari processi ondulatori che portano perturbazioni ionosferiche locali a migliaia di chilometri dal luogo della loro eccitazione, e molto di piu. La creazione di dispositivi riceventi particolarmente altamente sensibili ha permesso di effettuare presso le stazioni di risonanza pulsata della ionosfera la ricezione di segnali pulsati parzialmente riflessi dalle regioni più basse della ionosfera (stazione di riflessioni parziali). L'uso di potenti installazioni a impulsi nelle gamme di lunghezza d'onda del metro e del decimetro con l'uso di antenne che consentono un'elevata concentrazione di energia irradiata ha permesso di osservare i segnali diffusi dalla ionosfera a varie altezze. Lo studio delle caratteristiche degli spettri di questi segnali, diffusi in modo incoerente da elettroni e ioni del plasma ionosferico (per questo sono state utilizzate stazioni di diffusione incoerente di onde radio) ha permesso di determinare la concentrazione di elettroni e ioni, il loro equivalente temperatura a varie altitudini fino ad altitudini di diverse migliaia di chilometri. Si è scoperto che la ionosfera è sufficientemente trasparente per le frequenze utilizzate.

La concentrazione di cariche elettriche (la densità elettronica è uguale a quella ionica) nella ionosfera terrestre ad un'altezza di 300 km è di circa 106 cm–3 durante il giorno. Un plasma di questa densità riflette le onde radio più lunghe di 20 m, mentre trasmette quelle più brevi.

Tipica distribuzione verticale della densità elettronica nella ionosfera per condizioni diurne e notturne.

Propagazione delle onde radio nella ionosfera.

La ricezione stabile delle emittenti a lungo raggio dipende dalle frequenze utilizzate, dall'ora del giorno, dalla stagione e, inoltre, dall'attività solare. L'attività solare influisce in modo significativo sullo stato della ionosfera. Le onde radio emesse da una stazione terrestre si propagano in linea retta, come tutti i tipi di onde elettromagnetiche. Tuttavia, va tenuto presente che sia la superficie della Terra che gli strati ionizzati della sua atmosfera fungono da piastre di un enorme condensatore, agendo su di esse come l'azione degli specchi sulla luce. Riflette da esse, le onde radio possono viaggiare per molte migliaia di chilometri, costeggiando il globo con enormi salti di centinaia e migliaia di chilometri, riflettendosi alternativamente da uno strato di gas ionizzato e dalla superficie della Terra o dell'acqua.

Negli anni '20 si credeva che le onde radio inferiori a 200 m non fossero generalmente adatte per comunicazioni a lunga distanza a causa del forte assorbimento. I primi esperimenti sulla ricezione a lungo raggio di onde corte attraverso l'Atlantico tra Europa e America furono condotti dal fisico inglese Oliver Heaviside e dall'ingegnere elettrico americano Arthur Kennelly. Indipendentemente l'uno dall'altro, hanno suggerito che da qualche parte intorno alla Terra ci sia uno strato ionizzato dell'atmosfera che può riflettere le onde radio. Era chiamato lo strato di Heaviside - Kennelly, e poi - la ionosfera.

Secondo i concetti moderni, la ionosfera è costituita da elettroni liberi caricati negativamente e ioni caricati positivamente, principalmente ossigeno molecolare O + e ossido nitrico NO + . Ioni ed elettroni si formano a seguito della dissociazione delle molecole e della ionizzazione di atomi di gas neutri da parte dei raggi X solari e della radiazione ultravioletta. Per ionizzare un atomo, è necessario informarlo dell'energia di ionizzazione, la cui principale fonte per la ionosfera è la radiazione ultravioletta, raggi X e corpuscolare del Sole.

Mentre il guscio gassoso della Terra è illuminato dal Sole, al suo interno si formano continuamente più elettroni, ma allo stesso tempo alcuni degli elettroni, scontrandosi con gli ioni, si ricombinano, formandosi di nuovo particelle neutre. Dopo il tramonto, la produzione di nuovi elettroni si ferma quasi e il numero di elettroni liberi inizia a diminuire. Più elettroni liberi nella ionosfera, migliori onde ad alta frequenza vengono riflesse da essa. Con una diminuzione della concentrazione di elettroni, il passaggio delle onde radio è possibile solo nelle gamme di bassa frequenza. Ecco perché di notte, di regola, è possibile ricevere stazioni lontane solo negli intervalli di 75, 49, 41 e 31 M. Gli elettroni sono distribuiti in modo non uniforme nella ionosfera. Ad un'altitudine compresa tra 50 e 400 km, ci sono diversi strati o regioni di maggiore densità elettronica. Queste aree passano agevolmente l'una nell'altra e influenzano la propagazione delle onde radio HF in modi diversi. Lo strato superiore della ionosfera è indicato dalla lettera F. Ecco il più alto grado di ionizzazione (la frazione di particelle cariche è di circa 10–4). Si trova ad un'altitudine di oltre 150 km sopra la superficie terrestre e svolge il ruolo principale di riflessione nella propagazione a lungo raggio delle onde radio delle bande HF ad alta frequenza. Nei mesi estivi, la regione F si divide in due strati - F 1 e F 2. Lo strato F1 può occupare altezze da 200 a 250 km e lo strato F 2 sembra "galleggiare" nell'intervallo di altitudine di 300-400 km. Di solito a strati F 2 è ionizzato molto più forte dello strato F uno . strato notturno F 1 scompare e si sovrappone F 2 rimane, perdendo lentamente fino al 60% del suo grado di ionizzazione. Al di sotto dello strato F, ad altitudini comprese tra 90 e 150 km, è presente uno strato e, la cui ionizzazione avviene sotto l'influenza dei raggi X molli del Sole. Il grado di ionizzazione dello strato E è inferiore a quello del F, durante il giorno, la ricezione delle stazioni delle bande HF a bassa frequenza di 31 e 25 m avviene quando i segnali vengono riflessi dallo strato e. Di solito si tratta di stazioni situate a una distanza di 1000–1500 km. Di notte a strati e la ionizzazione diminuisce drasticamente, ma anche in questo momento continua a svolgere un ruolo significativo nella ricezione dei segnali dalle stazioni nelle bande 41, 49 e 75 m.

Di grande interesse per la ricezione dei segnali delle bande HF ad alta frequenza di 16, 13 e 11 m sono quelli che sorgono nell'area e interstrati (nuvole) di ionizzazione fortemente aumentata. L'area di queste nuvole può variare da pochi a centinaia di chilometri quadrati. Questo strato di maggiore ionizzazione è chiamato strato sporadico. e e indicato es. Es le nuvole possono muoversi nella ionosfera sotto l'influenza del vento e raggiungere velocità fino a 250 km/h. In estate, alle medie latitudini durante il giorno, l'origine delle onde radio dovute alle nuvole di Es avviene 15-20 giorni al mese. Vicino all'equatore è quasi sempre presente, e alle alte latitudini compare solitamente di notte. A volte, in anni di bassa attività solare, quando non c'è passaggio alle bande HF ad alta frequenza, appaiono improvvisamente stazioni lontane con un buon volume sulle bande di 16, 13 e 11 m, i cui segnali sono stati ripetutamente riflessi da Es.

La regione più bassa della ionosfera è la regione D situato ad altitudini comprese tra 50 e 90 km. Ci sono relativamente pochi elettroni liberi qui. Dalla zona D le onde lunghe e medie sono ben riflesse e i segnali delle stazioni HF a bassa frequenza sono fortemente assorbiti. Dopo il tramonto, la ionizzazione scompare molto rapidamente e diventa possibile ricevere stazioni lontane comprese tra 41, 49 e 75 m, i cui segnali vengono riflessi dagli strati F 2 e e. Gli strati separati della ionosfera svolgono un ruolo importante nella propagazione dei segnali radio HF. L'impatto sulle onde radio è dovuto principalmente alla presenza di elettroni liberi nella ionosfera, sebbene il meccanismo di propagazione delle onde radio sia associato alla presenza di grandi ioni. Questi ultimi sono anche di interesse per lo studio delle proprietà chimiche dell'atmosfera, poiché sono più attivi degli atomi e delle molecole neutri. reazioni chimiche che scorre nella ionosfera svolgono un ruolo importante nel suo equilibrio energetico ed elettrico.

ionosfera normale. Le osservazioni effettuate con l'aiuto di razzi e satelliti geofisici hanno fornito molte nuove informazioni, indicando che la ionizzazione dell'atmosfera avviene sotto l'influenza della radiazione solare ad ampio spettro. La sua parte principale (oltre il 90%) è concentrata nella parte visibile dello spettro. La radiazione ultravioletta con una lunghezza d'onda più corta e più energia rispetto ai raggi di luce viola è emessa dall'idrogeno nella parte interna dell'atmosfera solare (cromosfera) e la radiazione di raggi X, che ha un'energia ancora più elevata, è emessa dai gas dell'esterno del Sole conchiglia (corona).

Lo stato normale (medio) della ionosfera è dovuto alla radiazione potente e costante. Cambiamenti regolari si verificano nella normale ionosfera sotto l'influenza della rotazione giornaliera della Terra e delle differenze stagionali nell'angolo di incidenza dei raggi solari a mezzogiorno, ma si verificano anche cambiamenti imprevedibili e bruschi nello stato della ionosfera.

Disturbi nella ionosfera.

Come è noto, sul Sole si verificano potenti manifestazioni di attività che si ripetono ciclicamente, che raggiungono un massimo ogni 11 anni. Le osservazioni nell'ambito del programma dell'Anno geofisico internazionale (IGY) hanno coinciso con il periodo della massima attività solare per l'intero periodo delle osservazioni meteorologiche sistematiche, ad es. dall'inizio del 18° secolo. Durante i periodi di alta attività, la luminosità di alcune aree del Sole aumenta più volte e la potenza delle radiazioni ultraviolette e dei raggi X aumenta notevolmente. Tali fenomeni sono chiamati brillamenti solari. Durano da alcuni minuti a una o due ore. Durante un bagliore, viene eruttato plasma solare (principalmente protoni ed elettroni) e particelle elementari correre nello spazio. La radiazione elettromagnetica e corpuscolare del Sole nei momenti di tali bagliori ha un forte effetto sull'atmosfera terrestre.

La reazione iniziale si nota 8 minuti dopo il lampo, quando un'intensa radiazione ultravioletta e di raggi X raggiunge la Terra. Di conseguenza, la ionizzazione aumenta notevolmente; Raggi X penetrare nell'atmosfera fino al limite inferiore della ionosfera; il numero di elettroni in questi strati aumenta a tal punto che i segnali radio vengono quasi completamente assorbiti ("estinti"). L'assorbimento aggiuntivo delle radiazioni provoca il riscaldamento del gas, che contribuisce allo sviluppo dei venti. Il gas ionizzato è un conduttore elettrico e quando si muove nel campo magnetico terrestre appare e si manifesta l'effetto dinamo elettricità. Tali correnti possono, a loro volta, causare notevoli perturbazioni del campo magnetico e manifestarsi sotto forma di tempeste magnetiche.

La struttura e la dinamica dell'alta atmosfera sono essenzialmente determinate da processi termodinamicamente disequilibrati associati alla ionizzazione e dissociazione dalla radiazione solare, processi chimici, eccitazione di molecole e atomi, loro disattivazione, collisione e altri processi elementari. In questo caso, il grado di non equilibrio aumenta con l'altezza al diminuire della densità. Fino ad altitudini di 500–1000 km, e spesso anche più elevate, il grado di non equilibrio per molte caratteristiche dell'alta atmosfera è sufficientemente piccolo, il che consente di utilizzare l'idrodinamica classica e idromagnetica tenendo conto delle reazioni chimiche per descriverlo.

L'esosfera è lo strato esterno dell'atmosfera terrestre, a partire da altitudini di diverse centinaia di chilometri, da cui atomi di idrogeno leggeri e in rapido movimento possono fuggire nello spazio.

Edoardo Kononovich

Letteratura:

Pudovkin MI Fondamenti di fisica solare. San Pietroburgo, 2001
Eris Chaisson, Steve McMillan L'astronomia oggi. Prentice Hall Inc. Upper Saddle River, 2002
Materiali in linea: http://ciencia.nasa.gov/