Atmósfera. Estructura y composición de la atmósfera terrestre.

Página 6 de 10

El papel del nitrógeno en la atmósfera terrestre.

Nitrógeno- el elemento principal de la atmósfera terrestre. Su función principal es regular la tasa de oxidación diluyendo el oxígeno. Por tanto, el nitrógeno afecta la velocidad y la intensidad de los procesos biológicos.

Hay dos formas interrelacionadas de extraer nitrógeno de la atmósfera terrestre:

• 1) inorgánico,
• 2) bioquímico.

Figura 1. Ciclo geoquímico del nitrógeno (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)

Extracción inorgánica de nitrógeno de la atmósfera terrestre.

En la atmósfera terrestre, bajo la influencia de descargas eléctricas (durante una tormenta) o en el proceso de reacciones fotoquímicas (radiación solar), se forman compuestos de nitrógeno (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3, etc.). formado. Estos compuestos, al disolverse en el agua de lluvia, caen al suelo junto con la precipitación y terminan en el suelo y el agua de los océanos.

Fijación biológica de nitrógeno.

La fijación biológica del nitrógeno atmosférico se realiza:

• — en el suelo, — por bacterias nódulos en simbiosis con plantas superiores,
• - en agua - microorganismos planctónicos y algas.

La cantidad de nitrógeno ligado biológicamente es significativamente mayor que la de nitrógeno fijado inorgánicamente.

¿Cómo regresa el nitrógeno a la atmósfera terrestre?

Los restos de organismos vivos se descomponen como consecuencia de la acción de numerosos microorganismos. Durante este proceso, el nitrógeno, que forma parte de las proteínas de los organismos, sufre una serie de transformaciones:

• — durante la descomposición de las proteínas se forma amoníaco y sus derivados, que luego pasan al aire y al agua de los océanos,
• — Posteriormente, el amoníaco y otros compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, bajo la influencia de las bacterias Nitrosomonas y nitrobacterias, forman diversos óxidos de nitrógeno (N 2 O, NO, N 2 O 3 y N 2 O 5). Este proceso se llama nitrificación,
• - El ácido nítrico reacciona con los metales para formar sales. Estas sales se ven afectadas por bacterias desnitrificantes,
• - en curso desnitrificación El nitrógeno elemental se forma y regresa a la atmósfera (un ejemplo son los chorros de gas subterráneos que consisten en N 2 puro).

¿Dónde se encuentra el nitrógeno?

El nitrógeno ingresa a la atmósfera terrestre durante las erupciones volcánicas en forma de amoníaco. Una vez en la atmósfera superior, el amoníaco (NH 3) se oxida y libera nitrógeno (N 2).

El nitrógeno también está enterrado en rocas sedimentarias y se encuentra en grandes cantidades en sedimentos bituminosos. Sin embargo, este nitrógeno también ingresa a la atmósfera a través del metamorfismo regional de estas rocas.

• Así, la principal forma de presencia de nitrógeno en la superficie de nuestro planeta es el nitrógeno molecular (N 2) en la atmósfera terrestre.

Este fue el artículo " El nitrógeno en la atmósfera terrestre es del 78%. ". Leer más: « El oxígeno en la atmósfera terrestre es del 21%.«

Artículos sobre el tema "La atmósfera de la Tierra":

• El impacto de la atmósfera terrestre en el cuerpo humano a medida que aumenta la altitud.
• Altura y límites de la atmósfera terrestre..

La estructura y composición de la atmósfera terrestre, hay que decirlo, no siempre fueron valores constantes en uno u otro período del desarrollo de nuestro planeta. Hoy en día, la estructura vertical de este elemento, que tiene un “espesor” total de 1,5 a 2,0 mil km, está representada por varias capas principales, entre las que se incluyen:

1. Troposfera.
2. Tropopausa.
3. Estratosfera.
4. Estratopausa.
5. Mesosfera y mesopausia.
6. Termosfera.
7. Exosfera.

Elementos básicos de la atmósfera.

La troposfera es una capa en la que se observan fuertes movimientos verticales y horizontales, es aquí donde se forman el tiempo, los fenómenos sedimentarios y las condiciones climáticas. Se extiende entre 7 y 8 kilómetros desde la superficie del planeta en casi todas partes, a excepción de las regiones polares (allí hasta 15 km). En la troposfera se produce un descenso gradual de la temperatura, aproximadamente 6,4 ° C con cada kilómetro de altitud. Este indicador puede diferir según diferentes latitudes y estaciones.

La composición de la atmósfera terrestre en esta parte está representada por los siguientes elementos y sus porcentajes:

Nitrógeno: alrededor del 78 por ciento;

Oxígeno: casi el 21 por ciento;

Argón: alrededor del uno por ciento;

Dióxido de carbono: menos del 0,05%.

Composición única hasta una altitud de 90 kilómetros.

Además, aquí se pueden encontrar polvo, gotas de agua, vapor de agua, productos de combustión, cristales de hielo, sales marinas, muchas partículas de aerosoles, etc. Esta composición de la atmósfera terrestre se observa hasta aproximadamente noventa kilómetros de altitud, por lo que el aire es aproximadamente igual en composición química, no solo en la troposfera, sino también en las capas suprayacentes. Pero allí la atmósfera tiene propiedades físicas fundamentalmente diferentes. La capa que tiene una composición química general se llama homósfera.

¿Qué otros elementos forman la atmósfera terrestre? En porcentaje (en volumen, en aire seco) gases como criptón (aproximadamente 1,14 x 10 -4), xenón (8,7 x 10 -7), hidrógeno (5,0 x 10 -5), metano (aproximadamente 1,7 x 10 -5) están representados aquí. 4), óxido nitroso (5,0 x 10 -5), etc. Como porcentaje en masa, la mayoría de los componentes enumerados son óxido nitroso e hidrógeno, seguidos por helio, criptón, etc.

Propiedades físicas de diferentes capas atmosféricas.

Las propiedades físicas de la troposfera están estrechamente relacionadas con su proximidad a la superficie del planeta. Desde aquí, el calor solar reflejado en forma de rayos infrarrojos se dirige hacia arriba, implicando procesos de conducción y convección. Por eso la temperatura desciende con la distancia a la superficie terrestre. Este fenómeno se observa hasta la altura de la estratosfera (11-17 kilómetros), luego la temperatura casi no cambia hasta los 34-35 km, y luego la temperatura vuelve a subir a altitudes de 50 kilómetros (el límite superior de la estratosfera). . Entre la estratosfera y la troposfera hay una delgada capa intermedia de la tropopausa (hasta 1-2 km), donde se observan temperaturas constantes por encima del ecuador, alrededor de menos 70 ° C y menos. Por encima de los polos, la tropopausa se “calienta” en verano hasta -45°C; en invierno, las temperaturas fluctúan aquí alrededor de -65°C.

La composición gaseosa de la atmósfera terrestre incluye un elemento tan importante como el ozono. En la superficie hay relativamente poco (diez elevado a menos la sexta potencia del uno por ciento), ya que el gas se forma bajo la influencia de la luz solar a partir del oxígeno atómico en las partes superiores de la atmósfera. En particular, la mayor parte del ozono se encuentra a una altitud de unos 25 km, y toda la "pantalla de ozono" se encuentra en áreas de 7 a 8 km en los polos, desde 18 km en el ecuador y hasta cincuenta kilómetros en total por encima del superficie del planeta.

La atmósfera protege de la radiación solar.

La composición del aire en la atmósfera terrestre juega un papel muy importante en la preservación de la vida, ya que los elementos y composiciones químicos individuales limitan con éxito el acceso de la radiación solar a la superficie terrestre y a las personas, animales y plantas que viven en ella. Por ejemplo, las moléculas de vapor de agua absorben eficazmente casi todos los rangos de radiación infrarroja, a excepción de longitudes en el rango de 8 a 13 micrones. El ozono absorbe la radiación ultravioleta hasta una longitud de onda de 3100 A. Sin su fina capa (sólo 3 mm de media si se coloca en la superficie del planeta), sólo el agua a más de 10 metros de profundidad y las cuevas subterráneas donde no llega la radiación solar. alcance puede ser habitado. .

Cero Celsius en la estratopausa

Entre los dos niveles siguientes de la atmósfera, la estratosfera y la mesosfera, hay una capa notable: la estratopausa. Corresponde aproximadamente al máximo de ozono y la temperatura aquí es relativamente cómoda para los humanos: alrededor de 0°C. Por encima de la estratopausa, en la mesosfera (comienza a una altitud de 50 km y termina a una altitud de 80-90 km), se observa nuevamente una caída de la temperatura al aumentar la distancia desde la superficie de la Tierra (a menos 70-80 ° C). ). Los meteoros suelen quemarse por completo en la mesosfera.

En la termosfera, ¡más 2000 K!

La composición química de la atmósfera terrestre en la termosfera (comienza después de la mesopausa en altitudes de aproximadamente 85-90 a 800 km) determina la posibilidad de que se produzca un fenómeno como el calentamiento gradual de capas de "aire" muy enrarecido bajo la influencia de la radiación solar. . En esta parte de la “manta de aire” del planeta, las temperaturas oscilan entre 200 y 2000 K, que se obtienen debido a la ionización del oxígeno (el oxígeno atómico se encuentra por encima de los 300 km), así como a la recombinación de átomos de oxígeno en moléculas. , acompañado de la liberación de una gran cantidad de calor. La termosfera es donde ocurren las auroras.

Por encima de la termosfera se encuentra la exosfera, la capa exterior de la atmósfera, desde la cual los átomos de hidrógeno ligeros y que se mueven rápidamente pueden escapar al espacio exterior. La composición química de la atmósfera terrestre aquí está representada principalmente por átomos de oxígeno individuales en las capas inferiores, átomos de helio en las capas intermedias y casi exclusivamente átomos de hidrógeno en las capas superiores. Aquí prevalecen altas temperaturas, alrededor de 3000 K y no hay presión atmosférica.

¿Cómo se formó la atmósfera terrestre?

Pero, como se mencionó anteriormente, el planeta no siempre tuvo tal composición atmosférica. En total, existen tres conceptos sobre el origen de este elemento. La primera hipótesis sugiere que la atmósfera fue absorbida mediante el proceso de acreción de una nube protoplanetaria. Sin embargo, hoy en día esta teoría está sujeta a importantes críticas, ya que una atmósfera tan primaria debería haber sido destruida por el “viento” solar de una estrella de nuestro sistema planetario. Además, se supone que los elementos volátiles no pudieron retenerse en la zona de formación de los planetas terrestres debido a temperaturas demasiado altas.

La composición de la atmósfera primaria de la Tierra, como sugiere la segunda hipótesis, podría haberse formado debido al bombardeo activo de la superficie por asteroides y cometas que llegaron desde las proximidades del sistema solar en las primeras etapas de su desarrollo. Es bastante difícil confirmar o refutar este concepto.

Experimento en IDG RAS

La más plausible parece ser la tercera hipótesis, según la cual la atmósfera apareció como resultado de la liberación de gases del manto de la corteza terrestre hace aproximadamente 4 mil millones de años. Este concepto fue probado en el Instituto de Geografía de la Academia de Ciencias de Rusia durante un experimento llamado “Tsarev 2”, cuando se calentó en el vacío una muestra de una sustancia de origen meteórico. Luego se registró la liberación de gases como H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2, etc., por lo que los científicos asumieron con razón que la composición química de la atmósfera primaria de la Tierra incluía agua y dióxido de carbono, fluoruro de hidrógeno ( HF), monóxido de carbono (CO), sulfuro de hidrógeno (H 2 S), compuestos de nitrógeno, hidrógeno, metano (CH 4), vapor de amoníaco (NH 3), argón, etc. En la formación participó el vapor de agua de la atmósfera primaria. Durante la hidrosfera, el dióxido de carbono se encontraba en mayor medida ligado a sustancias orgánicas y rocas, el nitrógeno pasó a formar parte del aire moderno y también nuevamente a rocas sedimentarias y sustancias orgánicas.

La composición de la atmósfera primaria de la Tierra no permitiría que la gente moderna estuviera en ella sin aparatos respiratorios, ya que entonces no había oxígeno en las cantidades necesarias. Este elemento apareció en cantidades significativas hace mil quinientos millones de años, lo que se cree que está relacionado con el desarrollo del proceso de fotosíntesis en las algas verdiazules y otras, que son los habitantes más antiguos de nuestro planeta.

Oxígeno mínimo

El hecho de que la composición de la atmósfera terrestre inicialmente estuviera casi libre de oxígeno lo indica el hecho de que en las rocas más antiguas (catárqueas) se encuentra grafito (carbono) que se oxida fácilmente, pero no se oxida. Posteriormente aparecieron los llamados minerales de hierro en bandas, que incluían capas de óxidos de hierro enriquecidos, lo que significa la aparición en el planeta de una poderosa fuente de oxígeno en forma molecular. Pero estos elementos se encontraron sólo periódicamente (quizás las mismas algas u otros productores de oxígeno aparecieron en pequeñas islas en un desierto anóxico), mientras que el resto del mundo era anaeróbico. Esto último está respaldado por el hecho de que se encontró pirita fácilmente oxidada en forma de guijarros procesados ​​​​por flujo sin rastros de reacciones químicas. Dado que las aguas que fluyen no pueden airearse mal, se ha desarrollado la opinión de que la atmósfera antes del Cámbrico contenía menos del uno por ciento de la composición de oxígeno actual.

Cambio revolucionario en la composición del aire.

Aproximadamente a mediados del Proterozoico (hace 1.800 millones de años), se produjo una "revolución del oxígeno", cuando el mundo cambió a la respiración aeróbica, durante la cual se pueden obtener 38 de una molécula de un nutriente (glucosa), y no de dos (como ocurre con respiración anaeróbica) unidades de energía. La composición de la atmósfera terrestre, en términos de oxígeno, comenzó a superar el uno por ciento de lo que es hoy, y comenzó a aparecer una capa de ozono que protege a los organismos de la radiación. De ella, por ejemplo, animales tan antiguos como los trilobites se "escondían" bajo gruesas conchas. Desde entonces hasta nuestros días, el contenido del principal elemento "respiratorio" aumentó gradual y lentamente, asegurando la diversidad del desarrollo de las formas de vida en el planeta.

La atmósfera es la capa gaseosa de nuestro planeta, que gira junto con la Tierra. El gas de la atmósfera se llama aire. La atmósfera está en contacto con la hidrosfera y cubre parcialmente la litosfera. Pero los límites superiores son difíciles de determinar. Se acepta convencionalmente que la atmósfera se extiende hacia arriba a lo largo de unos tres mil kilómetros. Allí fluye suavemente hacia un espacio sin aire.

Composición química de la atmósfera terrestre.

La formación de la composición química de la atmósfera comenzó hace unos cuatro mil millones de años. Inicialmente, la atmósfera estaba formada únicamente por gases ligeros: helio e hidrógeno. Según los científicos, los requisitos iniciales para la creación de una capa de gas alrededor de la Tierra fueron las erupciones volcánicas que, junto con la lava, emitieron enormes cantidades de gases. Posteriormente se inició el intercambio de gases con los espacios acuáticos, con los organismos vivos y con los productos de sus actividades. La composición del aire cambió gradualmente y se consolidó en su forma moderna hace varios millones de años.

Los principales componentes de la atmósfera son el nitrógeno (alrededor del 79%) y el oxígeno (20%). El porcentaje restante (1%) proviene de los siguientes gases: argón, neón, helio, metano, dióxido de carbono, hidrógeno, criptón, xenón, ozono, amoníaco, dióxidos de azufre y nitrógeno, óxido nitroso y monóxido de carbono, que se incluyen en este uno porciento.

Además, el aire contiene vapor de agua y partículas (polen, polvo, cristales de sal, impurezas de aerosoles).

Recientemente, los científicos han notado un cambio no cualitativo, sino cuantitativo, en algunos ingredientes del aire. Y la razón de esto es el hombre y sus actividades. ¡Sólo en los últimos 100 años, los niveles de dióxido de carbono han aumentado significativamente! Esto está plagado de muchos problemas, el más global de los cuales es el cambio climático.

Formación del tiempo y el clima.

La atmósfera juega un papel fundamental en la configuración del clima y el tiempo en la Tierra. Mucho depende de la cantidad de luz solar, la naturaleza de la superficie subyacente y la circulación atmosférica.

Veamos los factores en orden.

1. La atmósfera transmite el calor de los rayos del sol y absorbe radiaciones nocivas. Los antiguos griegos sabían que los rayos del Sol caen sobre diferentes partes de la Tierra en diferentes ángulos. La palabra "clima" en sí misma traducida del griego antiguo significa "pendiente". Entonces, en el ecuador, los rayos del sol caen casi verticalmente, por eso hace mucho calor aquí. Cuanto más cerca de los polos, mayor será el ángulo de inclinación. Y la temperatura baja.

2. Debido al calentamiento desigual de la Tierra, se forman corrientes de aire en la atmósfera. Se clasifican según sus tamaños. Los más pequeños (decenas y cientos de metros) son los vientos locales. A esto le siguen los monzones y los vientos alisios, los ciclones y anticiclones y las zonas frontales planetarias.

Todas estas masas de aire están en constante movimiento. Algunos de ellos son bastante estáticos. Por ejemplo, los vientos alisios que soplan desde los subtrópicos hacia el ecuador. El movimiento de otros depende en gran medida de la presión atmosférica.

3. La presión atmosférica es otro factor que influye en la formación del clima. Esta es la presión del aire sobre la superficie de la tierra. Como es sabido, las masas de aire se desplazan desde una zona con alta presión atmosférica hacia una zona donde esta presión es menor.

Se asignan un total de 7 zonas. El ecuador es una zona de baja presión. Además, a ambos lados del ecuador hasta las latitudes treinta hay una zona de alta presión. De 30° a 60°: nuevamente baja presión. Y desde los 60° hasta los polos hay una zona de alta presión. Entre estas zonas circulan masas de aire. Las que vienen del mar a la tierra traen lluvia y mal tiempo, y las que soplan desde los continentes traen tiempo claro y seco. En los lugares donde chocan las corrientes de aire se forman zonas de frente atmosférico, que se caracterizan por precipitaciones y clima inclemente y ventoso.

Los científicos han demostrado que incluso el bienestar humano depende de la presión atmosférica. Según los estándares internacionales, la presión atmosférica normal es de 760 mm Hg. columna a una temperatura de 0°C. Este indicador se calcula para aquellas áreas de tierra que están casi al nivel del mar. Con la altitud la presión disminuye. Por tanto, por ejemplo, para San Petersburgo 760 mm Hg. - esta es la norma. Pero para Moscú, que se encuentra más arriba, la presión normal es de 748 mm Hg.

La presión cambia no solo verticalmente sino también horizontalmente. Esto se siente especialmente durante el paso de los ciclones.

La estructura de la atmósfera.

El ambiente recuerda a un pastel de capas. Y cada capa tiene sus propias características.

. Troposfera- la capa más cercana a la Tierra. El "espesor" de esta capa cambia con la distancia al ecuador. Por encima del ecuador, la capa se extiende hacia arriba entre 16 y 18 km, en las zonas templadas entre 10 y 12 km y en los polos entre 8 y 10 km.

Es aquí donde se encuentran el 80% de la masa total de aire y el 90% del vapor de agua. Aquí se forman nubes, surgen ciclones y anticiclones. La temperatura del aire depende de la altitud de la zona. En promedio, disminuye 0,65° C por cada 100 metros.

. tropopausa- capa de transición de la atmósfera. Su altura varía desde varios cientos de metros hasta 1-2 km. La temperatura del aire en verano es más alta que en invierno. Por ejemplo, encima de los polos en invierno hace -65° C. Y encima del ecuador hace -70° C en cualquier época del año.

. Estratosfera- Se trata de una capa cuyo límite superior se encuentra a una altitud de 50 a 55 kilómetros. La turbulencia aquí es pequeña y el contenido de vapor de agua en el aire es insignificante. Pero hay mucho ozono. Su concentración máxima se encuentra a una altitud de 20-25 km. En la estratosfera, la temperatura del aire comienza a subir y alcanza los +0,8° C. Esto se debe a que la capa de ozono interactúa con la radiación ultravioleta.

. estratopausa- una capa intermedia baja entre la estratosfera y la mesosfera que la sigue.

. mesosfera- el límite superior de esta capa es de 80 a 85 kilómetros. Aquí tienen lugar complejos procesos fotoquímicos en los que participan radicales libres. Ellos son quienes aportan ese suave brillo azul de nuestro planeta, que se ve desde el espacio.

La mayoría de los cometas y meteoritos se queman en la mesosfera.

. mesopausia- la siguiente capa intermedia, cuya temperatura del aire es de al menos -90°.

. termosfera- el límite inferior de la capa comienza a una altitud de 80 a 90 km, y el límite superior de la capa se extiende aproximadamente a 800 km. La temperatura del aire está aumentando. Puede variar de +500° C a +1000° C. ¡Durante el día las fluctuaciones de temperatura ascienden a cientos de grados! Pero el aire aquí es tan enrarecido que entender el término “temperatura” como lo imaginamos no es apropiado aquí.

. Ionosfera- combina la mesosfera, la mesopausa y la termosfera. El aire aquí se compone principalmente de moléculas de oxígeno y nitrógeno, así como de plasma casi neutro. Los rayos del sol que ingresan a la ionosfera ionizan fuertemente las moléculas de aire. En la capa inferior (hasta 90 km) el grado de ionización es bajo. Cuanto más alto, mayor es la ionización. Entonces, a una altitud de 100-110 km, los electrones se concentran. Esto ayuda a reflejar ondas de radio cortas y medianas.

La capa más importante de la ionosfera es la superior, que se encuentra a una altitud de 150 a 400 km. Su peculiaridad es que refleja ondas de radio, lo que facilita la transmisión de señales de radio a distancias considerables.

Es en la ionosfera donde ocurre un fenómeno como la aurora.

. Exosfera- está formado por átomos de oxígeno, helio e hidrógeno. El gas de esta capa está muy enrarecido y los átomos de hidrógeno a menudo escapan al espacio exterior. Por lo tanto, esta capa se llama “zona de dispersión”.

El primer científico que sugirió que nuestra atmósfera tiene peso fue el italiano E. Torricelli. Ostap Bender, por ejemplo, en su novela “El becerro de oro” lamentaba que cada persona esté presionada por una columna de aire que pesa 14 kg. Pero el gran intrigante estaba un poco equivocado. ¡Un adulto experimenta una presión de 13 a 15 toneladas! Pero no sentimos esta pesadez, porque la presión atmosférica está equilibrada por la presión interna de una persona. El peso de nuestra atmósfera es de 5.300.000.000.000.000 de toneladas. La cifra es colosal, aunque es sólo una millonésima parte del peso de nuestro planeta.

Atmósfera(del griego atmos - vapor y spharia - bola) - la capa de aire de la Tierra, que gira con ella. El desarrollo de la atmósfera estuvo estrechamente relacionado con los procesos geológicos y geoquímicos que ocurren en nuestro planeta, así como con las actividades de los organismos vivos.

El límite inferior de la atmósfera coincide con la superficie de la Tierra, ya que el aire penetra en los poros más pequeños del suelo y se disuelve incluso en agua.

El límite superior a una altitud de 2000-3000 km pasa gradualmente al espacio exterior.

Gracias a la atmósfera, que contiene oxígeno, la vida en la Tierra es posible. El oxígeno atmosférico se utiliza en el proceso respiratorio de humanos, animales y plantas.

Si no hubiera atmósfera, la Tierra estaría tan silenciosa como la Luna. Después de todo, el sonido es la vibración de las partículas del aire. El color azul del cielo se explica por el hecho de que los rayos del sol, al atravesar la atmósfera, como a través de una lente, se descomponen en los colores que los componen. En este caso, los rayos de colores azul y azul son los que más se dispersan.

La atmósfera atrapa la mayor parte de la radiación ultravioleta del sol, que tiene un efecto perjudicial sobre los organismos vivos. También retiene el calor cerca de la superficie de la Tierra, evitando que nuestro planeta se enfríe.

La estructura de la atmósfera.

En la atmósfera se pueden distinguir varias capas que difieren en densidad (Fig. 1).

Troposfera

Troposfera- la capa más baja de la atmósfera, cuyo espesor sobre los polos es de 8 a 10 km, en latitudes templadas - de 10 a 12 km, y por encima del ecuador - de 16 a 18 km.

Arroz. 1. La estructura de la atmósfera terrestre.

El aire de la troposfera es calentado por la superficie terrestre, es decir, por la tierra y el agua. Por lo tanto, la temperatura del aire en esta capa disminuye con la altura en promedio 0,6 °C por cada 100 m, y en el límite superior de la troposfera alcanza los -55 °C. Al mismo tiempo, en la región del ecuador en el límite superior de la troposfera, la temperatura del aire es de -70 °C, y en la región del Polo Norte, de -65 °C.

Aproximadamente el 80% de la masa de la atmósfera se concentra en la troposfera, casi todo el vapor de agua se encuentra, se producen tormentas, tormentas, nubes y precipitaciones, y se produce movimiento de aire vertical (convección) y horizontal (viento).

Podemos decir que el clima se forma principalmente en la troposfera.

Estratosfera

Estratosfera- una capa de la atmósfera ubicada sobre la troposfera a una altitud de 8 a 50 km. El color del cielo en esta capa es violeta, lo que se explica por la delgadez del aire, por lo que los rayos del sol casi no se dispersan.

La estratosfera contiene el 20% de la masa de la atmósfera. El aire en esta capa está enrarecido, prácticamente no hay vapor de agua y, por lo tanto, casi no se forman nubes ni precipitaciones. Sin embargo, en la estratosfera se observan corrientes de aire estables, cuya velocidad alcanza los 300 km/h.

Esta capa está concentrada ozono(pantalla de ozono, ozonosfera), capa que absorbe los rayos ultravioleta impidiendo que lleguen a la Tierra y protegiendo así a los organismos vivos de nuestro planeta. Gracias al ozono, la temperatura del aire en el límite superior de la estratosfera oscila entre -50 y 4-55 °C.

Entre la mesosfera y la estratosfera existe una zona de transición: la estratopausa.

mesosfera

mesosfera- una capa de la atmósfera ubicada a una altitud de 50 a 80 km. La densidad del aire aquí es 200 veces menor que en la superficie de la Tierra. El color del cielo en la mesosfera parece negro y las estrellas son visibles durante el día. La temperatura del aire desciende a -75 (-90)°C.

A una altitud de 80 km comienza. termosfera. La temperatura del aire en esta capa aumenta bruscamente hasta una altura de 250 m, y luego se vuelve constante: a una altitud de 150 km alcanza 220-240 ° C; a una altitud de 500-600 km supera los 1500 °C.

En la mesosfera y la termosfera, bajo la influencia de los rayos cósmicos, las moléculas de gas se desintegran en partículas de átomos cargadas (ionizadas), por lo que esta parte de la atmósfera se llama ionosfera- una capa de aire muy enrarecido, situada a una altitud de 50 a 1000 km, compuesta principalmente por átomos de oxígeno ionizados, moléculas de óxido de nitrógeno y electrones libres. Esta capa se caracteriza por una alta electrificación y en ella se reflejan ondas de radio largas y medianas, como en un espejo.

En la ionosfera aparecen auroras (el resplandor de gases enrarecidos bajo la influencia de partículas cargadas eléctricamente que vuelan desde el Sol) y se observan fuertes fluctuaciones en el campo magnético.

Exosfera

Exosfera- la capa exterior de la atmósfera situada por encima de los 1000 km. Esta capa también se llama esfera de dispersión, ya que aquí las partículas de gas se mueven a gran velocidad y pueden dispersarse por el espacio exterior.

Composición atmosférica

La atmósfera es una mezcla de gases compuesta por nitrógeno (78,08%), oxígeno (20,95%), dióxido de carbono (0,03%), argón (0,93%), una pequeña cantidad de helio, neón, xenón, criptón (0,01%), ozono y otros gases, pero su contenido es insignificante (Tabla 1). La composición moderna del aire de la Tierra se estableció hace más de cien millones de años, pero el fuerte aumento de la actividad productiva humana provocó su cambio. Actualmente, hay un aumento en el contenido de CO 2 de aproximadamente un 10-12%.

Los gases que forman la atmósfera desempeñan diversas funciones funcionales. Sin embargo, el significado principal de estos gases está determinado principalmente por el hecho de que absorben muy fuertemente la energía radiante y, por lo tanto, tienen un impacto significativo en el régimen de temperatura de la superficie y la atmósfera de la Tierra.

Cuadro 1. Composición química del aire atmosférico seco cerca de la superficie terrestre.

	Concentración de volumen. %	Peso molecular, unidades
Oxígeno
Dióxido de carbono
Óxido nitroso
	de 0 a 0,00001
Dióxido de azufre	de 0 a 0,000007 en verano; de 0 a 0,000002 en invierno
	De 0 a 0,000002	46,0055/17,03061
dióxido de azog
Monóxido de carbono

Nitrógeno, Es el gas más común en la atmósfera y es químicamente inactivo.

Oxígeno, a diferencia del nitrógeno, es un elemento químicamente muy activo. La función específica del oxígeno es la oxidación de la materia orgánica de organismos heterótrofos, rocas y gases poco oxidados emitidos a la atmósfera por los volcanes. Sin oxígeno no habría descomposición de la materia orgánica muerta.

El papel del dióxido de carbono en la atmósfera es extremadamente importante. Ingresa a la atmósfera como resultado de procesos de combustión, respiración de organismos vivos y descomposición y es, en primer lugar, el principal material de construcción para la creación de materia orgánica durante la fotosíntesis. Además, es de gran importancia la capacidad del dióxido de carbono para transmitir la radiación solar de onda corta y absorber parte de la radiación térmica de onda larga, lo que creará el llamado efecto invernadero, del que hablaremos a continuación.

Los procesos atmosféricos, especialmente el régimen térmico de la estratosfera, también están influenciados por ozono. Este gas sirve como absorbente natural de la radiación ultravioleta del sol y la absorción de la radiación solar provoca el calentamiento del aire. Los valores medios mensuales del contenido total de ozono en la atmósfera varían según la latitud y la época del año dentro del rango de 0,23 a 0,52 cm (este es el espesor de la capa de ozono bajo presión y temperatura del suelo). Hay un aumento del contenido de ozono desde el ecuador hacia los polos y un ciclo anual con un mínimo en otoño y un máximo en primavera.

Una propiedad característica de la atmósfera es que el contenido de los gases principales (nitrógeno, oxígeno, argón) cambia ligeramente con la altitud: a una altitud de 65 km en la atmósfera el contenido de nitrógeno es del 86%, oxígeno - 19, argón - 0,91 , a una altitud de 95 km: nitrógeno 77, oxígeno - 21,3, argón - 0,82%. La constancia de la composición del aire atmosférico vertical y horizontalmente se mantiene mediante su mezcla.

Además de gases, el aire contiene vapor de agua Y partículas sólidas. Estos últimos pueden tener origen tanto natural como artificial (antropógeno). Se trata de polen, pequeños cristales de sal, polvo de carreteras e impurezas de aerosoles. Cuando los rayos del sol penetran por la ventana, se pueden ver a simple vista.

Especialmente hay muchas partículas finas en el aire de las ciudades y los grandes centros industriales, donde a los aerosoles se suman las emisiones de gases nocivos y sus impurezas formadas durante la combustión de combustible.

La concentración de aerosoles en la atmósfera determina la transparencia del aire, lo que incide en la radiación solar que llega a la superficie terrestre. Los aerosoles más grandes son los núcleos de condensación (de lat. condensación- compactación, espesamiento) - contribuyen a la transformación del vapor de agua en gotas de agua.

La importancia del vapor de agua está determinada principalmente por el hecho de que retrasa la radiación térmica de onda larga de la superficie terrestre; representa el eslabón principal de los ciclos de humedad grandes y pequeños; aumenta la temperatura del aire durante la condensación de los lechos de agua.

La cantidad de vapor de agua en la atmósfera varía en el tiempo y el espacio. Así, la concentración de vapor de agua en la superficie terrestre oscila entre el 3% en los trópicos y el 2-10 (15)% en la Antártida.

El contenido medio de vapor de agua en la columna vertical de la atmósfera en latitudes templadas es de aproximadamente 1,6-1,7 cm (este es el espesor de la capa de vapor de agua condensado). La información sobre el vapor de agua en diferentes capas de la atmósfera es contradictoria. Se suponía, por ejemplo, que en el rango de altitud de 20 a 30 km la humedad específica aumenta fuertemente con la altitud. Sin embargo, mediciones posteriores indican una mayor sequedad de la estratosfera. Al parecer, la humedad específica en la estratosfera depende poco de la altitud y es de 2 a 4 mg/kg.

La variabilidad del contenido de vapor de agua en la troposfera está determinada por la interacción de los procesos de evaporación, condensación y transporte horizontal. Como resultado de la condensación del vapor de agua, se forman nubes y precipitaciones en forma de lluvia, granizo y nieve.

Los procesos de transición de fase del agua ocurren predominantemente en la troposfera, por lo que las nubes en la estratosfera (a altitudes de 20 a 30 km) y la mesosfera (cerca de la mesopausa), llamadas nacaradas y plateadas, se observan relativamente raramente, mientras que las nubes troposféricas. A menudo cubren alrededor del 50% de toda la superficie terrestre.

La cantidad de vapor de agua que puede contener el aire depende de la temperatura del aire.

1 m 3 de aire a una temperatura de -20 ° C no puede contener más de 1 g de agua; a 0 °C - no más de 5 g; a +10 °C - no más de 9 g; A +30 °C - no más de 30 g de agua.

Conclusión: Cuanto mayor sea la temperatura del aire, más vapor de agua puede contener.

El aire puede ser rico Y no saturado vapor de agua. Entonces, si a una temperatura de +30 °C 1 m 3 de aire contiene 15 g de vapor de agua, el aire no está saturado con vapor de agua; si 30 g - saturado.

Humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua contenida en 1 m3 de aire. Se expresa en gramos. Por ejemplo, si dicen “la humedad absoluta es 15”, esto significa que 1 ml contiene 15 g de vapor de agua.

Humedad relativa- esta es la relación (en porcentaje) entre el contenido real de vapor de agua en 1 m 3 de aire y la cantidad de vapor de agua que puede contener 1 ml a una temperatura determinada. Por ejemplo, si la radio transmite un informe meteorológico que dice que la humedad relativa es del 70%, esto significa que el aire contiene el 70% del vapor de agua que puede contener a esa temperatura.

Cuanto mayor sea la humedad relativa, es decir Cuanto más cerca esté el aire de un estado de saturación, más probable será la precipitación.

En la zona ecuatorial se observa una humedad relativa del aire siempre alta (hasta un 90%), ya que allí la temperatura del aire permanece alta durante todo el año y se produce una gran evaporación desde la superficie de los océanos. La humedad relativa también es alta en las regiones polares, pero a bajas temperaturas incluso una pequeña cantidad de vapor de agua hace que el aire esté saturado o casi saturado. En latitudes templadas, la humedad relativa varía según las estaciones: es mayor en invierno y menor en verano.

La humedad relativa del aire en los desiertos es especialmente baja: 1 m 1 de aire contiene de dos a tres veces menos vapor de agua de lo que es posible a una temperatura determinada.

Para medir la humedad relativa se utiliza un higrómetro (del griego hygros - húmedo y metreco - mido).

Cuando se enfría, el aire saturado no puede retener la misma cantidad de vapor de agua; se espesa (se condensa) y se convierte en gotas de niebla. Se puede observar niebla en verano en una noche clara y fresca.

Nubes- Esta es la misma niebla, solo que no se forma en la superficie de la tierra, sino a cierta altura. A medida que el aire asciende, se enfría y el vapor de agua que contiene se condensa. Las pequeñas gotas de agua resultantes forman las nubes.

La formación de nubes también implica materia particular suspendido en la troposfera.

Las nubes pueden tener diferentes formas, que dependen de las condiciones de su formación (Tabla 14).

Las nubes más bajas y pesadas son los estratos. Están ubicados a una altitud de 2 km de la superficie terrestre. A una altitud de 2 a 8 km se pueden observar cúmulos más pintorescos. Las más altas y ligeras son los cirros. Se encuentran a una altitud de 8 a 18 km sobre la superficie terrestre.

Familias	tipos de nubes	Apariencia
A. Nubes superiores: por encima de 6 km	I. cirro	Hilos, fibrosos, blancos.
	II. Cirrocúmulo	Capas y crestas de pequeñas escamas y rizos, blancas.
	III. Cirrostrato	Velo blanquecino transparente
B. Nubes en niveles medios: por encima de 2 km	IV. Altocúmulo	Capas y crestas de color blanco y gris.
	V. Altoestratificado	Velo liso de color gris lechoso.
B. Nubes bajas: hasta 2 km.	VI. Nimboestrato	Capa gris sólida y informe
	VII. estratocúmulo	Capas opacas y crestas de color gris.
	VIII. en capas	Velo gris opaco
D. Nubes de desarrollo vertical: desde el nivel inferior al superior.	IX. Cúmulo	Los palos y las cúpulas son de color blanco brillante, con los bordes rasgados por el viento.
	X. cumulonimbos	Potentes masas en forma de cúmulos de color plomo oscuro.

Protección atmosférica

Las principales fuentes son las empresas industriales y los automóviles. En las grandes ciudades, el problema de la contaminación por gases en las principales rutas de transporte es muy grave. Es por eso que muchas grandes ciudades del mundo, incluido nuestro país, han introducido un control ambiental de la toxicidad de los gases de escape de los vehículos. Según los expertos, el humo y el polvo en el aire pueden reducir a la mitad el suministro de energía solar a la superficie terrestre, lo que provocará un cambio en las condiciones naturales.

Al menos el atmosférico debe su origen no tanto al Sol como a los procesos de la vida. Llama la atención la discrepancia entre el contenido del elemento nº 7 en la litosfera (0,01%) y en la atmósfera (75,6% en masa o 78,09% en volumen). En general, vivimos en una atmósfera de nitrógeno moderadamente enriquecida con oxígeno.

Mientras tanto, ni en otros planetas del sistema solar, ni en la composición de cometas ni en ningún otro objeto espacial frío se ha encontrado libre. Existen sus compuestos y radicales: CN*, NH*, NH*2, NH*3, pero no hay nitrógeno. Es cierto que en la atmósfera de Venus se registró alrededor del 2% de nitrógeno, pero esta cifra aún requiere confirmación.

Se cree que el elemento 7 no estaba presente en la atmósfera primaria de la Tierra. ¿De dónde viene entonces en el aire? Al parecer, la atmósfera de nuestro planeta inicialmente estaba formada por sustancias volátiles formadas en las entrañas de la tierra: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Libre, si salía producto de la actividad volcánica se convertía en amoníaco. Las condiciones para ello eran las más adecuadas: exceso de hidrógeno, temperaturas elevadas; la superficie de la Tierra aún no se había enfriado. Entonces, ¿qué significa que el nitrógeno estuvo presente por primera vez en la atmósfera en forma de amoníaco? Aparentemente si. Recordemos esta circunstancia.

Pero entonces surgió la vida... Vladimir Ivanovich Vernadsky argumentó que “la capa de gas de la Tierra, nuestro aire, es la creación de la vida”. Fue la vida la que puso en marcha el mecanismo más sorprendente de la fotosíntesis. Uno de los productos finales de este proceso, el libre, comenzó a combinarse activamente con el amoníaco, liberando nitrógeno molecular:

Fotosíntesis

СО2 + 2H2O → НСО + НаО + О2;

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

Y el nitrógeno, como se sabe, no reacciona entre sí en condiciones normales, lo que permitió que el aire de la Tierra mantuviera la composición del "status quo". Tenga en cuenta que una parte importante del amoníaco podría haberse disuelto en agua durante la formación de la hidrosfera.

Hoy en día, la principal fuente de N2 que entra a la atmósfera son los gases volcánicos.

Si rompes el triple enlace...

Tras destruir las reservas inagotables de nitrógeno activo ligado, la naturaleza viva se encontró con el problema de cómo unir el nitrógeno, que en estado molecular libre resultó ser muy inerte. La razón de esto es su triple molécula: N≡ norte.

Normalmente, los enlaces de esta multiplicidad son inestables. Recordemos el ejemplo clásico del acetileno: NS≡ SN. El triple enlace de su molécula es muy frágil, lo que explica la increíble actividad química de este gas. Pero el nitrógeno tiene aquí una clara anomalía: su triple enlace forma la más estable de todas las moléculas diatómicas conocidas. Se necesita un enorme esfuerzo para destruir esta conexión. Por ejemplo, la síntesis industrial de amoníaco requiere una presión de más de 200 atm y una temperatura superior a 500 ° C, e incluso la presencia obligatoria de catalizadores... Para resolver el problema de la fijación de nitrógeno, la naturaleza tuvo que establecer una producción continua de compuestos de nitrógeno utilizando el método de la tormenta.

Las estadísticas dicen que cada año caen más de tres mil millones de rayos en la atmósfera de nuestro planeta. La potencia de las descargas individuales alcanza los 200 millones de kilovatios y el aire se calienta (localmente, por supuesto) a 20 mil grados. A una temperatura tan monstruosa, las moléculas de oxígeno y nitrógeno se desintegran en átomos que, al reaccionar fácilmente entre sí, forman frágil óxido nítrico:

N2 + O2 → 2NO

Gracias al enfriamiento rápido (un rayo dura una diezmilésima de segundo), el óxido de nitrógeno no se desintegra y el oxígeno atmosférico lo oxida libremente hasta obtener un dióxido más estable.

2NO + O2 → 2NO2.

En presencia de humedad atmosférica y gotas de lluvia, el dióxido de nitrógeno se convierte en ácido nítrico:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Entonces, atrapados en una nueva tormenta, tenemos la oportunidad de nadar en una solución débil de ácido nítrico. Al penetrar en el suelo, el agua atmosférica forma con sus sustancias diversos fertilizantes naturales.

El nitrógeno también se fija en la atmósfera por medios fotoquímicos: después de absorber un cuanto de luz, la molécula de N2 pasa a un estado excitado y activado y puede combinarse con el oxígeno.