Atmosfera. Struttura e composizione dell'atmosfera terrestre

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Il ruolo dell'azoto nell'atmosfera terrestre.

Azoto- l'elemento principale dell'atmosfera terrestre. Il suo ruolo principale è regolare il tasso di ossidazione diluendo l'ossigeno. Pertanto, l'azoto influisce sulla velocità e sull'intensità dei processi biologici.

Esistono due modi correlati per estrarre l’azoto dall’atmosfera terrestre:

• 1) inorganico,
• 2) biochimico.

Figura 1. Ciclo geochimico dell'azoto (V.A. Vronsky, G.V. Voitkevich)

Estrazione inorganica dell'azoto dall'atmosfera terrestre.

Nell'atmosfera terrestre, sotto l'influenza di scariche elettriche (durante un temporale) o nel processo di reazioni fotochimiche (radiazione solare), si formano composti di azoto (N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3, ecc.). formato. Questi composti, dissolvendosi nell'acqua piovana, cadono al suolo insieme alle precipitazioni, finendo nel suolo e nell'acqua degli oceani.

Fissazione biologica dell'azoto

La fissazione biologica dell'azoto atmosferico viene effettuata:

• — nel terreno — da batteri nodulari in simbiosi con piante superiori,
• - nell'acqua - microrganismi planctonici e alghe.

La quantità di azoto legato biologicamente è significativamente maggiore di quella dell'azoto fissato inorganicamente.

Come fa l'azoto a ritornare nell'atmosfera terrestre?

I resti di organismi viventi si decompongono a causa dell'azione di numerosi microrganismi. Durante questo processo l'azoto, che fa parte delle proteine ​​degli organismi, subisce una serie di trasformazioni:

• — durante la decomposizione delle proteine ​​si formano ammoniaca e suoi derivati, che poi entrano nell'aria e nell'acqua degli oceani,
• — successivamente, l'ammoniaca e altri composti organici contenenti azoto, sotto l'influenza di Nitrosomonas e batteri nitrobatteri, formano vari ossidi di azoto (N 2 O, NO, N 2 O 3 e N 2 O 5). Questo processo si chiama nitrificazione,
• - L'acido nitrico reagisce con i metalli per formare sali. Questi sali sono attaccati dai batteri denitrificanti,
• - in corso denitrificazione l'azoto elementare si forma e ritorna nell'atmosfera (un esempio sono i getti di gas sotterranei costituiti da N 2 puro).

Dove si trova l'azoto?

L'azoto entra nell'atmosfera terrestre durante le eruzioni vulcaniche sotto forma di ammoniaca. Una volta nell'atmosfera superiore, l'ammoniaca (NH 3) viene ossidata e rilascia azoto (N 2).

L'azoto è sepolto anche nelle rocce sedimentarie e si trova in grandi quantità nei sedimenti bituminosi. Tuttavia, questo azoto entra nell'atmosfera anche attraverso il metamorfismo regionale di queste rocce.

• Pertanto, la principale forma di presenza di azoto sulla superficie del nostro pianeta è l’azoto molecolare (N 2) nell’atmosfera terrestre.

Questo era l'articolo" L'azoto nell'atmosfera terrestre è pari al 78%. ". Leggi oltre: « L'ossigeno nell'atmosfera terrestre è pari al 21%.«

Articoli sul tema “Atmosfera terrestre”:

• L'impatto dell'atmosfera terrestre sul corpo umano con l'aumentare dell'altitudine.
• Altezza e confini dell'atmosfera terrestre.

La struttura e la composizione dell'atmosfera terrestre, va detto, non sono sempre stati valori costanti nell'uno o nell'altro periodo dello sviluppo del nostro pianeta. Oggi la struttura verticale di questo elemento, che ha uno “spessore” totale di 1,5-2,0 mila km, è rappresentata da diversi strati principali, tra cui:

1. Troposfera.
2. Tropopausa.
3. Stratosfera.
4. Stratopausa.
5. Mesosfera e mesopausa.
6. Termosfera.
7. Esosfera.

Elementi fondamentali dell'atmosfera

La troposfera è uno strato in cui si osservano forti movimenti verticali e orizzontali; è qui che si formano il tempo, i fenomeni sedimentari e le condizioni climatiche. Si estende per 7-8 chilometri dalla superficie del pianeta quasi ovunque, ad eccezione delle regioni polari (lì fino a 15 km). Nella troposfera si registra una diminuzione graduale della temperatura, di circa 6,4°C per ogni chilometro di altitudine. Questo indicatore può differire a seconda delle latitudini e delle stagioni.

La composizione dell'atmosfera terrestre in questa parte è rappresentata dai seguenti elementi e dalle loro percentuali:

Azoto: circa il 78%;

Ossigeno: quasi il 21%;

Argon: circa l'1%;

Anidride carbonica - inferiore allo 0,05%.

Composizione singola fino a quota 90 chilometri

Inoltre qui si possono trovare polvere, goccioline d'acqua, vapore acqueo, prodotti della combustione, cristalli di ghiaccio, sali marini, molte particelle di aerosol, ecc. Questa composizione dell'atmosfera terrestre si osserva fino a circa novanta chilometri di altitudine, quindi l'aria è approssimativamente lo stesso nella composizione chimica, non solo nella troposfera, ma anche negli strati sovrastanti. Ma lì l'atmosfera ha proprietà fisiche fondamentalmente diverse. Lo strato che ha una composizione chimica generale è chiamato omosfera.

Quali altri elementi compongono l'atmosfera terrestre? In percentuale (in volume, nell'aria secca) gas come kripton (circa 1,14 x 10 -4), xeno (8,7 x 10 -7), idrogeno (5,0 x 10 -5), metano (circa 1,7 x 10 -5) sono rappresentati qui 4), protossido di azoto (5,0 x 10 -5), ecc. In percentuale in massa, la maggior parte dei componenti elencati sono protossido di azoto e idrogeno, seguiti da elio, cripton, ecc.

Proprietà fisiche dei diversi strati atmosferici

Le proprietà fisiche della troposfera sono strettamente legate alla sua vicinanza alla superficie del pianeta. Da qui, il calore solare riflesso sotto forma di raggi infrarossi viene diretto verso l'alto, coinvolgendo i processi di conduzione e convezione. Ecco perché la temperatura diminuisce con la distanza dalla superficie terrestre. Questo fenomeno si osserva fino all'altezza della stratosfera (11-17 chilometri), poi la temperatura diventa quasi invariata fino a 34-35 km, per poi risalire fino a quote di 50 chilometri (limite superiore della stratosfera). . Tra la stratosfera e la troposfera si trova un sottile strato intermedio della tropopausa (fino a 1-2 km), dove si osservano temperature costanti sopra l'equatore - circa meno 70 ° C e sotto. Sopra i poli la tropopausa si “riscalda” in estate fino a meno 45°C, in inverno le temperature oscillano intorno ai -65°C.

La composizione del gas dell'atmosfera terrestre include un elemento così importante come l'ozono. In superficie ce n'è relativamente poco (dieci alla meno sesta potenza dell'1%), poiché il gas si forma sotto l'influenza della luce solare dall'ossigeno atomico nelle parti superiori dell'atmosfera. In particolare, la maggior parte dell’ozono si trova ad un’altitudine di circa 25 km, e l’intero “schermo di ozono” si trova in aree che vanno da 7-8 km ai poli, da 18 km all’equatore e fino a cinquanta chilometri complessivamente sopra il livello del mare. superficie del pianeta.

L'atmosfera protegge dalle radiazioni solari

La composizione dell'aria nell'atmosfera terrestre gioca un ruolo molto importante nella preservazione della vita, poiché i singoli elementi chimici e le composizioni limitano con successo l'accesso della radiazione solare alla superficie terrestre e alle persone, agli animali e alle piante che vivono su di essa. Ad esempio, le molecole di vapore acqueo assorbono efficacemente quasi tutte le gamme di radiazioni infrarosse, ad eccezione delle lunghezze comprese tra 8 e 13 micron. L'ozono assorbe la radiazione ultravioletta fino alla lunghezza d'onda di 3100 A. Senza il suo sottile strato (solo 3 mm in media se posto sulla superficie del pianeta), solo l'acqua ad una profondità superiore a 10 metri e le grotte sotterranee dove la radiazione solare non arriva raggiungere può essere abitato. .

Zero Celsius alla stratopausa

Tra i due livelli successivi dell'atmosfera, la stratosfera e la mesosfera, c'è uno strato notevole: la stratopausa. Corrisponde approssimativamente all'altezza massima dell'ozono e la temperatura qui è relativamente confortevole per l'uomo - circa 0°C. Al di sopra della stratopausa, nella mesosfera (inizia da qualche parte ad un'altitudine di 50 km e termina ad un'altitudine di 80-90 km), si osserva nuovamente un calo della temperatura con l'aumentare della distanza dalla superficie terrestre (a meno 70-80 ° C ). Le meteore di solito bruciano completamente nella mesosfera.

Nella termosfera - più 2000 K!

La composizione chimica dell'atmosfera terrestre nella termosfera (inizia dopo la mesopausa da altitudini comprese tra circa 85-90 e 800 km) determina la possibilità di un fenomeno come il riscaldamento graduale di strati di "aria" molto rarefatta sotto l'influenza della radiazione solare . In questa parte della “coperta d'aria” del pianeta, le temperature vanno da 200 a 2000 K, ottenute grazie alla ionizzazione dell'ossigeno (l'ossigeno atomico si trova a oltre 300 km), nonché alla ricombinazione degli atomi di ossigeno in molecole , accompagnato dal rilascio di una grande quantità di calore. La termosfera è il luogo in cui si verificano le aurore.

Sopra la termosfera c'è l'esosfera, lo strato esterno dell'atmosfera, da cui la luce e gli atomi di idrogeno in rapido movimento possono fuggire nello spazio. La composizione chimica dell'atmosfera terrestre qui è rappresentata principalmente da singoli atomi di ossigeno negli strati inferiori, da atomi di elio negli strati intermedi e quasi esclusivamente da atomi di idrogeno negli strati superiori. Qui prevalgono le alte temperature - circa 3000 K e non c'è pressione atmosferica.

Come si è formata l'atmosfera terrestre?

Ma, come accennato in precedenza, il pianeta non ha sempre avuto una composizione così atmosferica. In totale, ci sono tre concetti sull'origine di questo elemento. La prima ipotesi suggerisce che l'atmosfera sia stata prelevata attraverso il processo di accrescimento da una nube protoplanetaria. Tuttavia, oggi questa teoria è soggetta a critiche significative, poiché un’atmosfera così primaria avrebbe dovuto essere distrutta dal “vento” solare proveniente da una stella nel nostro sistema planetario. Inoltre, si presume che gli elementi volatili non possano essere trattenuti nella zona di formazione dei pianeti terrestri a causa delle temperature troppo elevate.

La composizione dell'atmosfera primaria della Terra, come suggerito dalla seconda ipotesi, potrebbe essersi formata a causa del bombardamento attivo della superficie da parte di asteroidi e comete arrivati ​​dalle vicinanze del sistema Solare nelle prime fasi di sviluppo. È abbastanza difficile confermare o confutare questo concetto.

Esperimento presso IDG RAS

La più plausibile sembra essere la terza ipotesi, secondo la quale l'atmosfera è apparsa a seguito del rilascio di gas dal mantello della crosta terrestre circa 4 miliardi di anni fa. Questo concetto è stato testato presso l’Istituto di Geografia dell’Accademia Russa delle Scienze durante un esperimento chiamato “Tsarev 2”, quando un campione di una sostanza di origine meteorica è stato riscaldato nel vuoto. Quindi è stato registrato il rilascio di gas come H 2, CH 4, CO, H 2 O, N 2, ecc .. Pertanto, gli scienziati hanno giustamente ipotizzato che la composizione chimica dell'atmosfera primaria terrestre includesse acqua e anidride carbonica, acido fluoridrico ( HF), monossido di carbonio (CO), idrogeno solforato (H 2 S), composti di azoto, idrogeno, metano (CH 4), vapore di ammoniaca (NH 3), argon, ecc. Il vapore acqueo dell'atmosfera primaria ha partecipato alla formazione dell'idrosfera, l'anidride carbonica si trovava in misura maggiore allo stato legato nelle sostanze organiche e nelle rocce, l'azoto è passato nella composizione dell'aria moderna, e ancora nelle rocce sedimentarie e nelle sostanze organiche.

La composizione dell'atmosfera primaria della Terra non consentirebbe agli esseri umani moderni di trovarsi al suo interno senza autorespiratore, poiché allora non c'era ossigeno nella quantità richiesta. Questo elemento è apparso in quantità significative un miliardo e mezzo di anni fa, probabilmente in relazione allo sviluppo del processo di fotosintesi delle alghe blu-verdi e di altre alghe, che sono gli abitanti più antichi del nostro pianeta.

Ossigeno minimo

Il fatto che la composizione dell'atmosfera terrestre fosse inizialmente quasi priva di ossigeno è indicato dal fatto che nelle rocce più antiche (catarchee) si trova grafite (carbonio) facilmente ossidata, ma non ossidata. Successivamente apparvero i cosiddetti minerali di ferro fasciati, che includevano strati di ossidi di ferro arricchiti, il che significa l'apparizione sul pianeta di una potente fonte di ossigeno in forma molecolare. Ma questi elementi venivano trovati solo periodicamente (forse le stesse alghe o altri produttori di ossigeno apparivano in piccole isole in un deserto privo di ossigeno), mentre il resto del mondo era anaerobico. Quest'ultimo è supportato dal fatto che la pirite facilmente ossidabile è stata trovata sotto forma di ciottoli lavorati dal flusso senza tracce di reazioni chimiche. Poiché le acque correnti non possono essere scarsamente aerate, si è sviluppata l'idea che l'atmosfera prima del Cambriano contenesse meno dell'1% della composizione di ossigeno di oggi.

Cambiamento rivoluzionario nella composizione dell'aria

Approssimativamente a metà del Proterozoico (1,8 miliardi di anni fa), si verificò una “rivoluzione dell’ossigeno” quando il mondo passò alla respirazione aerobica, durante la quale si possono ottenere 38 da una molecola di un nutriente (glucosio), e non da due (come nel caso respirazione anaerobica) unità di energia. La composizione dell'atmosfera terrestre, in termini di ossigeno, cominciò a superare l'1% di quella odierna e cominciò ad apparire uno strato di ozono che proteggeva gli organismi dalle radiazioni. Fu da lei che, ad esempio, animali antichi come i trilobiti “si nascondevano” sotto spesse conchiglie. Da allora fino ai nostri giorni, il contenuto del principale elemento “respiratorio” è gradualmente e lentamente aumentato, garantendo la diversità di sviluppo delle forme di vita sul pianeta.

L'atmosfera è l'involucro gassoso del nostro pianeta, che ruota insieme alla Terra. Il gas presente nell'atmosfera si chiama aria. L'atmosfera è in contatto con l'idrosfera e ricopre parzialmente la litosfera. Ma i limiti massimi sono difficili da determinare. È convenzionalmente accettato che l'atmosfera si estenda verso l'alto per circa tremila chilometri. Lì scorre dolcemente nello spazio senz'aria.

Composizione chimica dell'atmosfera terrestre

La formazione della composizione chimica dell'atmosfera è iniziata circa quattro miliardi di anni fa. Inizialmente, l'atmosfera era costituita solo da gas leggeri: elio e idrogeno. Secondo gli scienziati, i prerequisiti iniziali per la creazione di un guscio di gas attorno alla Terra erano le eruzioni vulcaniche che, insieme alla lava, emettevano enormi quantità di gas. Successivamente è iniziato lo scambio di gas con gli spazi acquatici, con gli organismi viventi e con i prodotti delle loro attività. La composizione dell'aria è gradualmente cambiata e si è stabilizzata nella sua forma moderna diversi milioni di anni fa.

I componenti principali dell'atmosfera sono l'azoto (circa il 79%) e l'ossigeno (20%). La restante percentuale (1%) è costituita dai seguenti gas: argon, neon, elio, metano, anidride carbonica, idrogeno, kripton, xeno, ozono, ammoniaca, biossido di zolfo e di azoto, protossido di azoto e monossido di carbonio, che rientrano in questo uno per cento.

Inoltre, l'aria contiene vapore acqueo e particolato (polline, polvere, cristalli di sale, impurità di aerosol).

Recentemente, gli scienziati hanno notato un cambiamento non qualitativo, ma quantitativo in alcuni ingredienti dell'aria. E la ragione di ciò è l'uomo e le sue attività. Solo negli ultimi 100 anni, i livelli di anidride carbonica sono aumentati in modo significativo! Tutto ciò è irto di numerosi problemi, il più globale dei quali è il cambiamento climatico.

Formazione del tempo e del clima

L’atmosfera gioca un ruolo fondamentale nel modellare il clima e il tempo sulla Terra. Molto dipende dalla quantità di luce solare, dalla natura della superficie sottostante e dalla circolazione atmosferica.

Esaminiamo i fattori in ordine.

1. L'atmosfera trasmette il calore dei raggi solari e assorbe le radiazioni nocive. Gli antichi greci sapevano che i raggi del sole cadono su diverse parti della Terra con angoli diversi. La stessa parola "clima" tradotta dal greco antico significa "pendenza". Quindi, all'equatore, i raggi del sole cadono quasi verticalmente, motivo per cui qui fa molto caldo. Più ci si avvicina ai poli, maggiore è l'angolo di inclinazione. E la temperatura scende.

2. A causa del riscaldamento non uniforme della Terra, nell'atmosfera si formano correnti d'aria. Sono classificati in base alle loro dimensioni. I più piccoli (decine e centinaia di metri) sono venti locali. Seguono monsoni e alisei, cicloni e anticicloni e zone frontali planetarie.

Tutte queste masse d'aria sono in costante movimento. Alcuni di loro sono piuttosto statici. Ad esempio, gli alisei che soffiano dalle regioni subtropicali verso l'equatore. Il movimento degli altri dipende in gran parte dalla pressione atmosferica.

3. La pressione atmosferica è un altro fattore che influenza la formazione del clima. Questa è la pressione dell'aria sulla superficie della terra. Come è noto, le masse d'aria si spostano da una zona ad alta pressione atmosferica verso una zona dove tale pressione è minore.

Sono assegnate un totale di 7 zone. L'equatore è una zona di bassa pressione. Inoltre, su entrambi i lati dell'equatore fino alle latitudini trenta c'è una zona di alta pressione. Da 30° a 60° - nuovamente bassa pressione. E da 60° ai poli c'è una zona di alta pressione. Tra queste zone circolano masse d'aria. Quelli che vengono dal mare alla terra portano pioggia e maltempo, e quelli che soffiano dai continenti portano tempo sereno e secco. Nei luoghi in cui le correnti d'aria si scontrano, si formano zone del fronte atmosferico, caratterizzate da precipitazioni e tempo inclemente e ventoso.

Gli scienziati hanno dimostrato che anche il benessere di una persona dipende dalla pressione atmosferica. Secondo gli standard internazionali, la normale pressione atmosferica è di 760 mm Hg. colonna alla temperatura di 0°C. Questo indicatore è calcolato per quelle aree di terreno che sono quasi al livello del livello del mare. Con l'altitudine la pressione diminuisce. Pertanto, ad esempio, per San Pietroburgo 760 mm Hg. - questa è la norma. Ma a Mosca, che si trova più in alto, la pressione normale è di 748 mm Hg.

La pressione cambia non solo verticalmente, ma anche orizzontalmente. Ciò è particolarmente sentito durante il passaggio dei cicloni.

La struttura dell'atmosfera

L'atmosfera ricorda quella di una torta a strati. E ogni strato ha le sue caratteristiche.

. Troposfera- lo strato più vicino alla Terra. Lo "spessore" di questo strato cambia con la distanza dall'equatore. Al di sopra dell'equatore lo strato si estende verso l'alto per 16-18 km, nelle zone temperate per 10-12 km, ai poli per 8-10 km.

È qui che sono contenuti l'80% della massa d'aria totale e il 90% del vapore acqueo. Qui si formano le nuvole, sorgono cicloni e anticicloni. La temperatura dell'aria dipende dall'altitudine della zona. In media diminuisce di 0,65° C ogni 100 metri.

. Tropopausa- strato di transizione dell'atmosfera. La sua altezza varia da diverse centinaia di metri a 1-2 km. La temperatura dell'aria in estate è più alta che in inverno. Ad esempio, sopra i poli in inverno è -65° C. E sopra l'equatore è -70° C in qualsiasi periodo dell'anno.

. Stratosfera- questo è uno strato il cui limite superiore si trova ad un'altitudine di 50-55 chilometri. La turbolenza qui è bassa, il contenuto di vapore acqueo nell'aria è trascurabile. Ma c'è molto ozono. La sua massima concentrazione è ad un'altitudine di 20-25 km. Nella stratosfera la temperatura dell'aria inizia a salire e raggiunge i +0,8° C. Ciò è dovuto al fatto che lo strato di ozono interagisce con le radiazioni ultraviolette.

. Stratopausa- un basso strato intermedio tra la stratosfera e la mesosfera che la segue.

. Mesosfera- il limite superiore di questo strato è di 80-85 chilometri. Qui si verificano complessi processi fotochimici che coinvolgono i radicali liberi. Sono loro che forniscono quella dolce luce blu del nostro pianeta, che si vede dallo spazio.

La maggior parte delle comete e dei meteoriti bruciano nella mesosfera.

. Mesopausa- lo strato intermedio successivo, la cui temperatura dell'aria è di almeno -90°.

. Termosfera- il limite inferiore inizia ad un'altitudine di 80 - 90 km, mentre il limite superiore dello strato corre a circa 800 km. La temperatura dell'aria sta aumentando. Può variare da +500° C a +1000° C. Durante il giorno le escursioni termiche ammontano a centinaia di gradi! Ma l’aria qui è così rarefatta che intendere il termine “temperatura” come lo immaginiamo non è appropriato qui.

. Ionosfera- unisce la mesosfera, la mesopausa e la termosfera. L'aria qui è costituita principalmente da molecole di ossigeno e azoto, nonché da plasma quasi neutro. I raggi del sole che entrano nella ionosfera ionizzano fortemente le molecole d'aria. Nello strato inferiore (fino a 90 km) il grado di ionizzazione è basso. Più è alto, maggiore è la ionizzazione. Quindi, ad un'altitudine di 100-110 km, gli elettroni sono concentrati. Questo aiuta a riflettere le onde radio corte e medie.

Lo strato più importante della ionosfera è quello superiore, che si trova ad un'altitudine di 150-400 km. La sua particolarità è che riflette le onde radio e questo facilita la trasmissione dei segnali radio a distanze considerevoli.

È nella ionosfera che si verifica un fenomeno come l'aurora.

. Esosfera- è costituito da atomi di ossigeno, elio e idrogeno. Il gas in questo strato è molto rarefatto e gli atomi di idrogeno spesso fuggono nello spazio. Pertanto, questo strato è chiamato “zona di dispersione”.

Il primo scienziato a suggerire che la nostra atmosfera abbia un peso fu l'italiano E. Torricelli. Ostap Bender, ad esempio, nel suo romanzo “Il vitello d'oro” lamentava che ogni persona è schiacciata da una colonna d'aria del peso di 14 kg! Ma il grande intrigante si sbagliava un po’. Un adulto sperimenta una pressione di 13-15 tonnellate! Ma non sentiamo questa pesantezza, perché la pressione atmosferica è bilanciata dalla pressione interna di una persona. Il peso della nostra atmosfera è di 5.300.000.000.000.000 di tonnellate. La cifra è colossale, sebbene sia solo un milionesimo del peso del nostro pianeta.

Atmosfera(dal greco atmos - vapore e spharia - palla) - il guscio d'aria della Terra, che ruota con esso. Lo sviluppo dell'atmosfera era strettamente correlato ai processi geologici e geochimici che si verificano sul nostro pianeta, nonché alle attività degli organismi viventi.

Il confine inferiore dell'atmosfera coincide con la superficie della Terra, poiché l'aria penetra nei pori più piccoli del suolo e si dissolve anche nell'acqua.

Il confine superiore ad un'altitudine di 2000-3000 km passa gradualmente nello spazio.

Grazie all'atmosfera, che contiene ossigeno, la vita sulla Terra è possibile. L'ossigeno atmosferico viene utilizzato nel processo di respirazione di esseri umani, animali e piante.

Se non ci fosse l’atmosfera, la Terra sarebbe silenziosa come la Luna. Dopotutto, il suono è la vibrazione delle particelle d'aria. Il colore blu del cielo è spiegato dal fatto che i raggi del sole, attraversando l'atmosfera, come attraverso una lente, vengono scomposti nei colori che li compongono. In questo caso, i raggi dei colori blu e blu sono maggiormente dispersi.

L'atmosfera intrappola la maggior parte della radiazione ultravioletta del sole, che ha un effetto dannoso sugli organismi viventi. Inoltre trattiene il calore vicino alla superficie terrestre, impedendo al nostro pianeta di raffreddarsi.

La struttura dell'atmosfera

Nell'atmosfera si possono distinguere diversi strati, di diversa densità (Fig. 1).

Troposfera

Troposfera- lo strato più basso dell'atmosfera, il cui spessore sopra i poli è di 8-10 km, alle latitudini temperate - 10-12 km e sopra l'equatore - 16-18 km.

Riso. 1. La struttura dell'atmosfera terrestre

L'aria nella troposfera viene riscaldata dalla superficie terrestre, cioè dalla terra e dall'acqua. Pertanto, la temperatura dell'aria in questo strato diminuisce con l'altezza in media di 0,6 °C ogni 100 m, mentre al limite superiore della troposfera raggiunge i -55 °C. Allo stesso tempo, nella regione dell'equatore, al limite superiore della troposfera, la temperatura dell'aria è di -70 °C, e nella regione del Polo Nord di -65 °C.

Circa l'80% della massa dell'atmosfera è concentrata nella troposfera, quasi tutto il vapore acqueo si trova, si verificano temporali, tempeste, nuvole e precipitazioni e si verifica il movimento dell'aria verticale (convezione) e orizzontale (vento).

Possiamo dire che il tempo si forma principalmente nella troposfera.

Stratosfera

Stratosfera- uno strato dell'atmosfera situato sopra la troposfera ad un'altitudine compresa tra 8 e 50 km. Il colore del cielo in questo strato appare viola, il che si spiega con la magrezza dell'aria, grazie alla quale i raggi del sole non sono quasi dispersi.

La stratosfera contiene il 20% della massa dell'atmosfera. L'aria in questo strato è rarefatta, praticamente non c'è vapore acqueo e quindi non si formano quasi nuvole e precipitazioni. Tuttavia, nella stratosfera si osservano correnti d'aria stabili, la cui velocità raggiunge i 300 km/h.

Questo strato è concentrato ozono(schermo dell'ozono, ozonosfera), uno strato che assorbe i raggi ultravioletti, impedendo loro di raggiungere la Terra e proteggendo così gli organismi viventi sul nostro pianeta. Grazie all'ozono, la temperatura dell'aria al limite superiore della stratosfera varia da -50 a 4-55 °C.

Tra la mesosfera e la stratosfera c'è una zona di transizione: la stratopausa.

Mesosfera

Mesosfera- uno strato dell'atmosfera situato ad un'altitudine di 50-80 km. La densità dell'aria qui è 200 volte inferiore a quella della superficie terrestre. Il colore del cielo nella mesosfera appare nero e le stelle sono visibili durante il giorno. La temperatura dell'aria scende a -75 (-90)°C.

Ad un'altitudine di 80 km inizia termosfera. La temperatura dell'aria in questo strato sale bruscamente fino a un'altezza di 250 m, per poi diventare costante: a 150 km di altitudine raggiunge i 220-240 ° C; ad un'altitudine di 500-600 km supera i 1500 °C.

Nella mesosfera e nella termosfera, sotto l'influenza dei raggi cosmici, le molecole di gas si disintegrano in particelle di atomi cariche (ionizzate), quindi questa parte dell'atmosfera è chiamata ionosfera- uno strato di aria molto rarefatta, situato ad un'altitudine compresa tra 50 e 1000 km, costituito principalmente da atomi di ossigeno ionizzato, molecole di ossido di azoto ed elettroni liberi. Questo strato è caratterizzato da un'elevata elettrificazione e da esso vengono riflesse le onde radio lunghe e medie, come da uno specchio.

Nella ionosfera compaiono le aurore - il bagliore di gas rarefatti sotto l'influenza di particelle caricate elettricamente che volano dal Sole - e si osservano forti fluttuazioni nel campo magnetico.

Esosfera

Esosfera- lo strato esterno dell'atmosfera situato al di sopra dei 1000 km. Questo strato è anche chiamato sfera di dispersione, poiché le particelle di gas si muovono qui ad alta velocità e possono essere disperse nello spazio.

Composizione atmosferica

L'atmosfera è una miscela di gas composta da azoto (78,08%), ossigeno (20,95%), anidride carbonica (0,03%), argon (0,93%), una piccola quantità di elio, neon, xeno, kripton (0,01%), ozono e altri gas, ma il loro contenuto è trascurabile (Tabella 1). La composizione moderna dell'aria terrestre è stata stabilita più di cento milioni di anni fa, ma il forte aumento dell'attività produttiva umana ha comunque portato al suo cambiamento. Attualmente si registra un aumento del contenuto di CO 2 di circa il 10-12%.

I gas che compongono l'atmosfera svolgono vari ruoli funzionali. Tuttavia, il significato principale di questi gas è determinato principalmente dal fatto che assorbono fortemente l'energia radiante e quindi hanno un impatto significativo sul regime di temperatura della superficie terrestre e dell'atmosfera.

Tabella 1. Composizione chimica dell'aria atmosferica secca vicino alla superficie terrestre

	Concentrazione in volume. %	Peso molecolare, unità
Ossigeno
Diossido di carbonio
Ossido nitroso
	da 0 a 0,00001
Diossido di zolfo	da 0 a 0.000007 in estate; da 0 a 0.000002 in inverno
	Da 0 a 0,000002	46,0055/17,03061
Biossido di azog
Monossido di carbonio

Azoto, Il gas più comune nell'atmosfera, è chimicamente inattivo.

Ossigeno, a differenza dell'azoto, è un elemento chimicamente molto attivo. La funzione specifica dell'ossigeno è l'ossidazione della materia organica degli organismi eterotrofi, delle rocce e dei gas sottoossidati emessi nell'atmosfera dai vulcani. Senza ossigeno non ci sarebbe la decomposizione della materia organica morta.

Il ruolo dell’anidride carbonica nell’atmosfera è estremamente ampio. Entra nell'atmosfera a seguito di processi di combustione, respirazione di organismi viventi e decadimento ed è, prima di tutto, il principale materiale da costruzione per la creazione di materia organica durante la fotosintesi. Inoltre, di grande importanza è la capacità dell'anidride carbonica di trasmettere la radiazione solare a onde corte e di assorbire parte della radiazione termica a onde lunghe, che creerà il cosiddetto effetto serra, di cui parleremo di seguito.

Anche i processi atmosferici, in particolare il regime termico della stratosfera, ne sono influenzati ozono. Questo gas funge da assorbitore naturale della radiazione ultravioletta del sole e l'assorbimento della radiazione solare porta al riscaldamento dell'aria. I valori medi mensili del contenuto totale di ozono nell'atmosfera variano a seconda della latitudine e del periodo dell'anno nell'intervallo 0,23-0,52 cm (questo è lo spessore dello strato di ozono alla pressione e alla temperatura del suolo). Si osserva un aumento del contenuto di ozono dall'equatore ai poli e un ciclo annuale con un minimo autunnale e un massimo primaverile.

Una proprietà caratteristica dell'atmosfera è che il contenuto dei principali gas (azoto, ossigeno, argon) cambia leggermente con l'altitudine: a un'altitudine di 65 km nell'atmosfera il contenuto di azoto è dell'86%, ossigeno - 19, argon - 0,91 , ad un'altitudine di 95 km - azoto 77, ossigeno - 21,3, argon - 0,82%. La costanza della composizione dell'aria atmosferica verticalmente e orizzontalmente è mantenuta dalla sua miscelazione.

Oltre ai gas, l'aria contiene vapore acqueo E particelle solide. Questi ultimi possono avere origine sia naturale che artificiale (antropogenica). Si tratta di polline, minuscoli cristalli di sale, polvere stradale e impurità aerosol. Quando i raggi del sole penetrano dalla finestra, possono essere visti ad occhio nudo.

Ci sono soprattutto molte particelle di particolato nell'aria delle città e dei grandi centri industriali, dove agli aerosol si aggiungono le emissioni di gas nocivi e le loro impurità formate durante la combustione del carburante.

La concentrazione di aerosol nell'atmosfera determina la trasparenza dell'aria, che influenza la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre. Gli aerosol più grandi sono i nuclei di condensazione (dal lat. condensazione- compattazione, ispessimento) - contribuiscono alla trasformazione del vapore acqueo in goccioline d'acqua.

L'importanza del vapore acqueo è determinata principalmente dal fatto che esso ritarda la radiazione termica a onde lunghe proveniente dalla superficie terrestre; rappresenta l'anello principale dei grandi e piccoli cicli di umidità; aumenta la temperatura dell'aria durante la condensazione dei letti ad acqua.

La quantità di vapore acqueo nell’atmosfera varia nel tempo e nello spazio. Pertanto, la concentrazione del vapore acqueo sulla superficie terrestre varia dal 3% ai tropici al 2-10 (15)% in Antartide.

Il contenuto medio di vapore acqueo nella colonna verticale dell'atmosfera alle latitudini temperate è di circa 1,6-1,7 cm (questo è lo spessore dello strato di vapore acqueo condensato). Le informazioni relative al vapore acqueo nei diversi strati dell'atmosfera sono contraddittorie. Si è ipotizzato, ad esempio, che nell'intervallo di altitudine compreso tra 20 e 30 km l'umidità specifica aumenti fortemente con l'altitudine. Tuttavia, misurazioni successive indicano una maggiore secchezza della stratosfera. A quanto pare, l'umidità specifica nella stratosfera dipende poco dall'altitudine ed è di 2-4 mg/kg.

La variabilità del contenuto di vapore acqueo nella troposfera è determinata dall'interazione dei processi di evaporazione, condensazione e trasporto orizzontale. Come risultato della condensazione del vapore acqueo, si formano le nuvole e le precipitazioni cadono sotto forma di pioggia, grandine e neve.

I processi di transizione di fase dell'acqua si verificano prevalentemente nella troposfera, motivo per cui le nubi nella stratosfera (ad altitudini di 20-30 km) e nella mesosfera (vicino alla mesopausa), chiamate perlescenti e argentate, si osservano relativamente raramente, mentre le nubi troposferiche spesso coprono circa il 50% dell'intera superficie terrestre.

La quantità di vapore acqueo che può essere contenuta nell'aria dipende dalla temperatura dell'aria.

1 m 3 di aria ad una temperatura di -20 ° C non può contenere più di 1 g di acqua; a 0 °C - non più di 5 g; a +10 °C - non più di 9 g; a +30 °C - non più di 30 g di acqua.

Conclusione: Maggiore è la temperatura dell'aria, maggiore è la quantità di vapore acqueo che può contenere.

L'aria potrebbe esserlo ricco E non saturo vapore acqueo. Quindi, se alla temperatura di +30 °C 1 m 3 di aria contiene 15 g di vapore acqueo, l'aria non è satura di vapore acqueo; se 30 g - saturo.

Umidità assolutaè la quantità di vapore acqueo contenuta in 1 m3 di aria. È espresso in grammi. Ad esempio, se dicono "l'umidità assoluta è 15", significa che 1 ml contiene 15 g di vapore acqueo.

Umidità relativa- questo è il rapporto (in percentuale) tra il contenuto effettivo di vapore acqueo in 1 m 3 di aria e la quantità di vapore acqueo che può essere contenuta in 1 m L ad una data temperatura. Ad esempio, se la radio trasmette un bollettino meteorologico secondo cui l'umidità relativa è del 70%, significa che l'aria contiene il 70% del vapore acqueo che può trattenere a quella temperatura.

Maggiore è l'umidità relativa, ad es. Quanto più l’aria è vicina allo stato di saturazione, tanto più probabile è la precipitazione.

Nella zona equatoriale si osserva un'umidità relativa dell'aria sempre elevata (fino al 90%), poiché la temperatura dell'aria rimane elevata durante tutto l'anno e si verifica una grande evaporazione dalla superficie degli oceani. L'umidità relativa è elevata anche nelle regioni polari, ma perché a basse temperature anche una piccola quantità di vapore acqueo rende l'aria satura o quasi satura. Alle latitudini temperate, l'umidità relativa varia con le stagioni: è più alta in inverno, più bassa in estate.

L'umidità relativa dell'aria nei deserti è particolarmente bassa: 1 m 1 d'aria contiene da due a tre volte meno vapore acqueo di quanto sia possibile a una determinata temperatura.

Per misurare l'umidità relativa si utilizza un igrometro (dal greco hygros - umido e meterco - misuro).

Una volta raffreddata, l'aria satura non può trattenere la stessa quantità di vapore acqueo; si addensa (condensa), trasformandosi in goccioline di nebbia. La nebbia può essere osservata in estate in una notte limpida e fresca.

Nuvole- questa è la stessa nebbia, solo che non si forma sulla superficie terrestre, ma ad una certa altezza. Quando l'aria sale, si raffredda e il vapore acqueo al suo interno si condensa. Le minuscole goccioline d'acqua risultanti formano le nuvole.

Coinvolge anche la formazione delle nuvole particolato sospeso nella troposfera.

Le nuvole possono avere forme diverse, che dipendono dalle condizioni della loro formazione (Tabella 14).

Le nuvole più basse e pesanti sono gli strati. Si trovano ad un'altitudine di 2 km dalla superficie terrestre. Ad un'altitudine compresa tra 2 e 8 km si possono osservare cumuli più pittoreschi. I più alti e leggeri sono i cirri. Si trovano ad un'altitudine compresa tra 8 e 18 km sopra la superficie terrestre.

Famiglie	Tipi di nuvole	Aspetto
A. Nubi in alta quota - sopra i 6 km	I. Cirro	Filiforme, fibroso, bianco
	II. Circocumulo	Strati e creste di piccoli fiocchi e riccioli, bianchi
	III. Cirrostrato	Velo biancastro trasparente
B. Nubi di medio livello - sopra i 2 km	IV. Altocumuli	Strati e creste di colore bianco e grigio
	V. Altostratificato	Velo liscio di colore grigio latte
B. Nubi basse - fino a 2 km	VI. Nimbostrato	Strato grigio solido e informe
	VII. Stratocumulo	Strati e creste non trasparenti di colore grigio
	VIII. Stratificato	Velo grigio non trasparente
D. Nuvole di sviluppo verticale - dal livello inferiore a quello superiore	IX. Cumulo	Le mazze e le cupole sono di un bianco brillante, con i bordi strappati dal vento
	X. Cumulonembo	Potenti masse cumuliformi di colore piombo scuro

Protezione atmosferica

Le fonti principali sono le imprese industriali e le automobili. Nelle grandi città il problema dell’inquinamento da gas sulle principali vie di trasporto è molto acuto. Ecco perché molte grandi città del mondo, compreso il nostro Paese, hanno introdotto il controllo ambientale della tossicità dei gas di scarico dei veicoli. Secondo gli esperti, il fumo e la polvere nell'aria possono ridurre della metà la fornitura di energia solare alla superficie terrestre, il che porterà a un cambiamento delle condizioni naturali.

Almeno quello atmosferico deve la sua origine non tanto al Sole quanto ai processi vitali. Colpisce la discrepanza tra il contenuto dell'elemento n. 7 nella litosfera (0,01%) e nell'atmosfera (75,6% in massa o 78,09% in volume). In generale, viviamo in un'atmosfera di azoto moderatamente arricchita di ossigeno.

Nel frattempo, né su altri pianeti del sistema solare, né tra le comete o altri oggetti dello spazio freddo sono stati trovati liberi. Ci sono i suoi composti e radicali: CN*, NH*, NH*2, NH*3, ma non c'è azoto. È vero, nell'atmosfera di Venere è stato registrato circa il 2% di azoto, ma questa cifra richiede ancora conferma.

Si ritiene che l'elemento 7 non fosse presente nell'atmosfera primaria della Terra. Da dove viene allora nell'aria? A quanto pare, l'atmosfera del nostro pianeta inizialmente era costituita da sostanze volatili formatesi nelle viscere della terra: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. Libero, se risultava come prodotto dell'attività vulcanica, si trasformava in ammoniaca. Le condizioni per questo erano le più adatte: eccesso di idrogeno, temperature elevate: la superficie terrestre non si era ancora raffreddata. Allora cosa significa che l'azoto era inizialmente presente nell'atmosfera sotto forma di ammoniaca? Apparentemente è così. Ricordiamo questa circostanza.

Ma poi è nata la vita... Vladimir Ivanovich Vernadsky ha sostenuto che “il guscio di gas della terra, la nostra aria, è la creazione della vita”. È stata la vita a lanciare il meccanismo più sorprendente della fotosintesi. Uno dei prodotti finali di questo processo, quello libero, ha iniziato a combinarsi attivamente con l'ammoniaca, rilasciando azoto molecolare:

Fotosintesi

СО2 + 2H2O → НСО + НаО + О2;

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

E l'azoto, come è noto, non reagisce tra loro in condizioni normali, il che ha permesso all'aria terrestre di mantenere la composizione dello "status quo". Si noti che una parte significativa dell'ammoniaca potrebbe essersi dissolta in acqua durante la formazione dell'idrosfera.

Al giorno d'oggi, la principale fonte di N2 che entra nell'atmosfera sono i gas vulcanici.

Se rompi il triplo legame...

Dopo aver distrutto le riserve inesauribili di azoto attivo legato, la natura vivente si è trovata di fronte al problema di come legare l'azoto, che nello stato molecolare libero si è rivelato molto inerte. La ragione di ciò è la sua tripla molecola: N≡N.

Tipicamente, i legami di questa molteplicità sono instabili. Ricordiamo il classico esempio dell'acetilene: NS≡ SN. Il triplo legame della sua molecola è molto fragile, il che spiega l'incredibile attività chimica di questo gas. Ma qui l’azoto presenta una chiara anomalia: il suo triplo legame forma la più stabile di tutte le molecole biatomiche conosciute. Ci vuole uno sforzo enorme per distruggere questa connessione. Ad esempio, la sintesi industriale dell'ammoniaca richiede una pressione superiore a 200 atm e una temperatura superiore a 500 °C, e perfino la presenza obbligatoria di catalizzatori... Risolvendo il problema della fissazione dell'azoto, la natura ha dovuto stabilire una produzione continua di composti dell'azoto utilizzando il metodo temporale.

Le statistiche dicono che ogni anno più di tre miliardi di fulmini cadono nell'atmosfera del nostro pianeta. La potenza delle singole scariche raggiunge i 200 milioni di kilowatt e l'aria viene riscaldata (localmente, ovviamente) a 20mila gradi. A una temperatura così mostruosa, le molecole di ossigeno e azoto si disintegrano in atomi che, reagendo facilmente tra loro, formano il fragile ossido nitrico:

N2 + O2 → 2NO

Grazie al rapido raffreddamento (un fulmine dura un decimillesimo di secondo), l'ossido di azoto non si disintegra e viene liberamente ossidato dall'ossigeno atmosferico in un biossido più stabile

2NO + O2 → 2NO2.

In presenza di umidità atmosferica e gocce di pioggia, il biossido di azoto viene convertito in acido nitrico:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Quindi, colti da un nuovo temporale, abbiamo l'opportunità di nuotare in una soluzione debole di acido nitrico. Penetrando nel terreno, l'acqua atmosferica forma con le sue sostanze vari fertilizzanti naturali.

L'azoto viene fissato nell'atmosfera anche mediante mezzi fotochimici: dopo aver assorbito un quanto di luce, la molecola di N2 entra in uno stato eccitato, attivato e diventa capace di combinarsi con l'ossigeno.