Il guscio d'aria che circonda il nostro pianeta e ruota con esso è chiamato atmosfera. Metà della massa totale dell'atmosfera è concentrata nei 5 km inferiori e tre quarti della massa nei 10 km inferiori. In alto l'aria è molto rarefatta, sebbene le sue particelle si trovino ad un'altitudine di 2000-3000 km sopra la superficie terrestre.

L'aria che respiriamo è una miscela di gas. Soprattutto contiene azoto - 78% e ossigeno - 21%. L'argon è inferiore all'1% e lo 0,03% è anidride carbonica. Numerosi altri gas, come krypton, xeno, neon, elio, idrogeno, ozono e altri, costituiscono millesimi e milionesimi di percento. L'aria contiene anche vapore acqueo, particelle di varie sostanze, batteri, pollini e polvere cosmica.

L'atmosfera è composta da più strati. Lo strato inferiore fino a un'altezza di 10-15 km sopra la superficie terrestre è chiamato troposfera. Si riscalda dalla Terra, quindi la temperatura dell'aria qui con l'altezza scende di 6 ° C per 1 chilometro di salita. Quasi tutto il vapore acqueo è nella troposfera e si formano quasi tutte le nuvole - nota .. L'altezza della troposfera su diverse latitudini del pianeta non è la stessa. Sorge fino a 9 km sopra i poli, fino a 10-12 km sopra le latitudini temperate e fino a 15 km sopra l'equatore. I processi che si verificano nella troposfera - la formazione e il movimento delle masse d'aria, la formazione di cicloni e anticicloni, la comparsa di nuvole e precipitazioni - determinano il tempo e il clima vicino alla superficie terrestre.

Sopra la troposfera c'è la stratosfera, che si estende fino a 50-55 km. La troposfera e la stratosfera sono separate da uno strato di transizione chiamato tropopausa, spesso 1-2 km. Nella stratosfera a un'altitudine di circa 25 km, la temperatura dell'aria inizia gradualmente a salire e raggiunge + 10 +30 °С a 50 km. Un tale aumento della temperatura è dovuto al fatto che esiste uno strato di ozono nella stratosfera ad altitudini di 25-30 km. Sulla superficie della Terra, il suo contenuto nell'aria è trascurabile e, ad alta quota, le molecole di ossigeno biatomico assorbono la radiazione solare ultravioletta, formando molecole di ozono triatomico.

Se l'ozono si trovasse negli strati inferiori dell'atmosfera, ad un'altezza con pressione normale, lo spessore del suo strato sarebbe di soli 3 mm. Ma anche in così piccola quantità, svolge un ruolo molto importante: assorbe parte della radiazione solare dannosa per gli organismi viventi.

Al di sopra della stratosfera, fino a circa 80 km, si estende la mesosfera, in cui la temperatura dell'aria scende con l'altezza di diverse decine di gradi sotto lo zero.

La parte alta dell'atmosfera è caratterizzata da temperature molto elevate ed è chiamata termosfera - nota.. È divisa in due parti - la ionosfera - fino ad un'altezza di circa 1000 km, dove l'aria è altamente ionizzata, e l'esosfera - oltre 1000 km. Nella ionosfera, le molecole di gas atmosferico assorbono la radiazione ultravioletta dal Sole e si formano atomi carichi ed elettroni liberi. Le aurore si osservano nella ionosfera.

L'atmosfera gioca un ruolo molto importante nella vita del nostro pianeta. Protegge la Terra dal forte riscaldamento dei raggi solari durante il giorno e dall'ipotermia di notte. La maggior parte dei meteoriti brucia negli strati atmosferici prima di raggiungere la superficie del pianeta. L'atmosfera contiene ossigeno, necessario per tutti gli organismi, uno scudo di ozono che protegge la vita sulla Terra dalla parte nociva dei raggi ultravioletti del Sole.

LE ATMOSFERE DEI PIANETI DEL SISTEMA SOLARE

L'atmosfera di Mercurio è così rarefatta che, si potrebbe dire, è praticamente inesistente. L'involucro d'aria di Venere è costituito da anidride carbonica (96%) e azoto (circa il 4%), è molto denso: la pressione atmosferica vicino alla superficie del pianeta è quasi 100 volte maggiore che sulla Terra. Anche l'atmosfera marziana è composta principalmente da anidride carbonica (95%) e azoto (2,7%), ma la sua densità è circa 300 volte inferiore a quella terrestre e la sua pressione è quasi 100 volte inferiore. La superficie visibile di Giove è in realtà lo strato superiore di un'atmosfera di idrogeno-elio. I gusci d'aria di Saturno e Urano hanno la stessa composizione. Il bel colore blu di Urano è dovuto all'elevata concentrazione di metano nella parte superiore della sua atmosfera - circa .. Nettuno, avvolto dalla foschia di idrocarburi, ha due strati principali di nubi: uno è costituito da cristalli di metano congelati e il secondo, situato sotto, contiene ammoniaca e acido solfidrico.

STRUTTURA DELL'ATMOSFERA

Atmosfera(dall'altro greco ἀτμός - vapore e σφαῖρα - palla) - un guscio gassoso (geosfera) che circonda il pianeta Terra. La sua superficie interna copre l'idrosfera e parzialmente la crosta terrestre, mentre la sua superficie esterna confina con la parte vicina alla Terra dello spazio esterno.

Proprietà fisiche

Lo spessore dell'atmosfera è di circa 120 km dalla superficie terrestre. La massa totale d'aria nell'atmosfera è (5,1-5,3) 10 18 kg. Di questi, la massa di aria secca è (5,1352 ± 0,0003) 10 18 kg, la massa totale di vapore acqueo è in media 1,27 10 16 kg.

La massa molare dell'aria secca pulita è di 28,966 g/mol, la densità dell'aria sulla superficie del mare è di circa 1,2 kg/m 3 . La pressione a 0 °C al livello del mare è 101.325 kPa; temperatura critica - -140,7 ° C; pressione critica - 3,7 MPa; C p a 0 °C - 1,0048 10 3 J/(kg K), C v - 0,7159 10 3 J/(kg K) (a 0 °C). La solubilità dell'aria in acqua (in massa) a 0 ° C - 0,0036%, a 25 ° C - 0,0023%.

Per le "condizioni normali" alla superficie terrestre si prendono: densità 1,2 kg/m3, pressione barometrica 101,35 kPa, temperatura più 20°C e umidità relativa 50%. Questi indicatori condizionali hanno un valore puramente ingegneristico.

La struttura dell'atmosfera

L'atmosfera ha una struttura a strati. Gli strati dell'atmosfera differiscono l'uno dall'altro per la temperatura dell'aria, la sua densità, la quantità di vapore acqueo nell'aria e altre proprietà.

Troposfera(greco antico τρόπος - "girare", "cambiare" e σφαῖρα - "palla") - lo strato inferiore e più studiato dell'atmosfera, alto 8-10 km nelle regioni polari, fino a 10-12 km a latitudini temperate, all'equatore - 16-18 km.

Quando si sale nella troposfera, la temperatura scende in media di 0,65 K ogni 100 m e raggiunge i 180-220 K nella parte superiore. Questo strato superiore della troposfera, in cui si interrompe la diminuzione della temperatura con l'altezza, è chiamato tropopausa. Lo strato successivo dell'atmosfera sopra la troposfera è chiamato stratosfera.

Più dell'80% della massa totale dell'aria atmosferica è concentrata nella troposfera, la turbolenza e la convezione sono molto sviluppate, la parte predominante del vapore acqueo è concentrata, si formano nuvole, si formano anche fronti atmosferici, si sviluppano cicloni e anticicloni, così come altri processi che determinano il tempo e il clima. I processi che si verificano nella troposfera sono principalmente dovuti alla convezione.

La parte della troposfera all'interno della quale possono formarsi i ghiacciai sulla superficie terrestre è chiamata chionosfera.

tropopausa(dal greco τροπος - girare, cambiare e παῦσις - fermare, cessare) - lo strato dell'atmosfera in cui si interrompe la diminuzione della temperatura con l'altezza; strato di transizione dalla troposfera alla stratosfera. Nell'atmosfera terrestre, la tropopausa si trova ad altitudini da 8-12 km (slm) nelle regioni polari e fino a 16-18 km sopra l'equatore. L'altezza della tropopausa dipende anche dal periodo dell'anno (la tropopausa è più alta in estate che in inverno) e dall'attività ciclonica (è più bassa nei cicloni e più alta negli anticicloni)

Lo spessore della tropopausa varia da diverse centinaia di metri a 2-3 chilometri. Nelle zone subtropicali, si osservano rotture della tropopausa a causa di potenti correnti a getto. La tropopausa su determinate aree viene spesso distrutta e riformata.

Stratosfera(dal latino strato - pavimentazione, strato) - uno strato dell'atmosfera, situato a un'altitudine compresa tra 11 e 50 km. Sono tipici un leggero cambiamento di temperatura nello strato di 11-25 km (lo strato inferiore della stratosfera) e il suo aumento nello strato di 25-40 km da -56,5 a 0,8 °C (lo strato di stratosfera superiore o regione di inversione). Raggiunto un valore di circa 273 K (quasi 0 °C) ad una quota di circa 40 km, la temperatura rimane costante fino ad una quota di circa 55 km. Questa regione a temperatura costante è chiamata stratopausa ed è il confine tra la stratosfera e la mesosfera. La densità dell'aria nella stratosfera è decine e centinaia di volte inferiore a quella al livello del mare.

È nella stratosfera che si trova lo strato di ozonosfera ("strato di ozono") (ad un'altitudine compresa tra 15-20 e 55-60 km), che determina il limite superiore della vita nella biosfera. L'ozono (O 3 ) si forma come risultato di reazioni fotochimiche più intensamente a un'altitudine di circa 30 km. La massa totale di O 3 a pressione normale sarebbe uno strato di 1,7-4,0 mm di spessore, ma anche questo è sufficiente per assorbire la radiazione ultravioletta solare dannosa per la vita. La distruzione dell'O 3 si verifica quando interagisce con i radicali liberi, NO, composti contenenti alogeni (compresi i "freon").

La maggior parte della parte a lunghezza d'onda corta della radiazione ultravioletta (180-200 nm) viene trattenuta nella stratosfera e l'energia delle onde corte viene trasformata. Sotto l'influenza di questi raggi, i campi magnetici cambiano, le molecole si rompono, si verificano ionizzazione, nuova formazione di gas e altri composti chimici. Questi processi possono essere osservati sotto forma di aurora boreale, fulmini e altri bagliori.

Nella stratosfera e negli strati superiori, sotto l'influenza della radiazione solare, le molecole di gas si dissociano - in atomi (sopra 80 km, CO 2 e H 2 si dissociano, sopra 150 km - O 2, sopra 300 km - N 2). Ad un'altitudine di 200-500 km, la ionizzazione dei gas si verifica anche nella ionosfera; ad un'altitudine di 320 km, la concentrazione di particelle cariche (O + 2, O - 2, N + 2) è ~ 1/300 del concentrazione di particelle neutre. Negli strati superiori dell'atmosfera ci sono radicali liberi - OH, HO 2, ecc.

Non c'è quasi vapore acqueo nella stratosfera.

I voli nella stratosfera iniziarono negli anni '30. È ampiamente noto il volo sul primo pallone stratosferico (FNRS-1), che Auguste Picard e Paul Kipfer effettuarono il 27 maggio 1931 ad un'altezza di 16,2 km. I moderni aerei da combattimento e commerciali supersonici volano nella stratosfera ad altitudini generalmente fino a 20 km (sebbene il soffitto dinamico possa essere molto più alto). I palloni meteorologici ad alta quota salgono fino a 40 km; il record per un pallone senza pilota è di 51,8 km.

Di recente, negli ambienti militari degli Stati Uniti, si è prestata molta attenzione allo sviluppo di strati della stratosfera superiori ai 20 km, spesso chiamati "prespazio" (Ing. « vicino allo spazio» ). Si presume che dirigibili senza pilota e velivoli a energia solare (come il Pathfinder della NASA) saranno in grado di rimanere a un'altitudine di circa 30 km per molto tempo e fornire osservazione e comunicazione per aree molto grandi, pur rimanendo vulnerabili ai sistemi di difesa aerea; tali dispositivi saranno molte volte più economici dei satelliti.

Stratopausa- lo strato dell'atmosfera, che è il confine tra due strati, la stratosfera e la mesosfera. Nella stratosfera, la temperatura aumenta con l'altitudine e la stratopausa è lo strato in cui la temperatura raggiunge il suo massimo. La temperatura della stratopausa è di circa 0 °C.

Questo fenomeno si osserva non solo sulla Terra, ma anche su altri pianeti con un'atmosfera.

Sulla Terra, la stratopausa si trova ad un'altitudine di 50 - 55 km sul livello del mare. La pressione atmosferica è circa 1/1000 della pressione al livello del mare.

Mesosfera(dal greco μεσο- - "mezzo" e σφαῖρα - "palla", "sfera") - lo strato dell'atmosfera ad altitudini comprese tra 40-50 e 80-90 km. È caratterizzato da un aumento della temperatura con l'altezza; la temperatura massima (circa +50°C) si trova ad un'altitudine di circa 60 km, dopodiché la temperatura inizia a scendere fino a -70° o -80°C. Tale diminuzione della temperatura è associata all'assorbimento energetico della radiazione solare (irraggiamento) da parte dell'ozono. Il termine è stato adottato dall'Unione geografica e geofisica nel 1951.

La composizione gassosa della mesosfera, così come quella degli strati atmosferici inferiori, è costante e contiene circa l'80% di azoto e il 20% di ossigeno.

La mesosfera è separata dalla stratosfera sottostante dalla stratopausa e dalla termosfera sovrastante dalla mesopausa. La mesopausa coincide sostanzialmente con la turbopausa.

Le meteore iniziano a brillare e, di regola, bruciano completamente nella mesosfera.

Nella mesosfera possono apparire nubi nottilucenti.

Per i voli, la mesosfera è una specie di "zona morta": l'aria qui è troppo rarefatta per supportare aeroplani o palloni (a un'altitudine di 50 km, la densità dell'aria è 1000 volte inferiore rispetto al livello del mare) e allo stesso tempo troppo denso per voli artificiali satelliti in un'orbita così bassa. Gli studi diretti della mesosfera vengono effettuati principalmente con l'ausilio di razzi meteorologici suborbitali; in generale, la mesosfera è stata studiata peggio di altri strati dell'atmosfera, in relazione alla quale gli scienziati l'hanno chiamata "ignorosfera".

mesopausa

mesopausa Lo strato dell'atmosfera che separa la mesosfera e la termosfera. Sulla Terra, si trova ad un'altitudine di 80-90 km sul livello del mare. In mesopausa c'è una temperatura minima, che è di circa -100°C. Sotto (partendo da un'altezza di circa 50 km) la temperatura scende con l'altezza, sopra (fino ad un'altezza di circa 400 km) si alza nuovamente. La mesopausa coincide con il limite inferiore della regione di assorbimento attivo dei raggi X e della radiazione ultravioletta a lunghezza d'onda più corta del Sole. A questa quota si osservano nubi argentate.

La mesopausa esiste non solo sulla Terra, ma anche su altri pianeti con un'atmosfera.

Linea Karman- l'altezza sul livello del mare, che è convenzionalmente accettata come confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio.

Come definita dalla Fédération Aéronautique Internationale (FAI), la linea Karman si trova a un'altitudine di 100 km sul livello del mare.

L'altezza prende il nome da Theodor von Karman, uno scienziato americano di origine ungherese. Fu il primo a determinare che a questa quota l'atmosfera diventa così rarefatta che l'aeronautica diventa impossibile, poiché la velocità dell'aereo, necessaria per creare una portanza sufficiente, diventa maggiore della prima velocità cosmica, e quindi, per raggiungere altitudini più elevate, è necessario utilizzare i mezzi dell'astronautica.

L'atmosfera terrestre continua oltre la linea di Karman. La parte esterna dell'atmosfera terrestre, l'esosfera, si estende fino a un'altitudine di 10.000 km o più, a tale altitudine l'atmosfera è costituita principalmente da atomi di idrogeno che possono lasciare l'atmosfera.

Il raggiungimento della Linea Karman è stata la prima condizione per l'Ansari X Prize, in quanto questa è la base per riconoscere il volo come volo spaziale.

ATMOSFERA
involucro gassoso che circonda un corpo celeste. Le sue caratteristiche dipendono dalle dimensioni, dalla massa, dalla temperatura, dalla velocità di rotazione e dalla composizione chimica di un dato corpo celeste, e sono determinate anche dalla storia della sua formazione dal momento della sua nascita. L'atmosfera terrestre è composta da una miscela di gas chiamata aria. I suoi costituenti principali sono azoto e ossigeno in un rapporto di circa 4:1. Una persona è influenzata principalmente dallo stato dei 15-25 km inferiori dell'atmosfera, poiché è in questo strato inferiore che si concentra la maggior parte dell'aria. La scienza che studia l'atmosfera si chiama meteorologia, sebbene l'oggetto di questa scienza sia anche il tempo e i suoi effetti sull'uomo. Anche lo stato degli strati superiori dell'atmosfera, situati ad altitudini comprese tra 60 e 300 e anche 1000 km dalla superficie terrestre, sta cambiando. Qui si sviluppano forti venti, tempeste e compaiono incredibili fenomeni elettrici come le aurore. Molti di questi fenomeni sono associati ai flussi di radiazione solare, radiazione cosmica e campo magnetico terrestre. Gli strati alti dell'atmosfera sono anche un laboratorio chimico, poiché lì, in condizioni prossime al vuoto, alcuni gas atmosferici, sotto l'influenza di un potente flusso di energia solare, entrano in reazioni chimiche. La scienza che studia questi fenomeni e processi interconnessi è chiamata fisica degli strati alti dell'atmosfera.
CARATTERISTICHE GENERALI DELL'ATMOSFERA DELLA TERRA
Dimensioni. Fino a quando i razzi sonori e i satelliti artificiali non hanno esplorato gli strati esterni dell'atmosfera a distanze diverse volte superiori al raggio della Terra, si credeva che man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre, l'atmosfera diventa gradualmente più rarefatta e passa dolcemente nello spazio interplanetario . È ormai accertato che i flussi di energia provenienti dagli strati profondi del Sole penetrano nello spazio esterno ben oltre l'orbita terrestre, fino ai limiti esterni del Sistema Solare. Questo cosiddetto. Il vento solare scorre attorno al campo magnetico terrestre, formando una "cavità" allungata all'interno della quale è concentrata l'atmosfera terrestre. Il campo magnetico terrestre è notevolmente ristretto sul lato diurno rivolto verso il Sole e forma una lunga lingua, che si estende probabilmente oltre l'orbita della Luna, sul lato opposto, notturno. Il confine del campo magnetico terrestre è chiamato magnetopausa. Sul lato diurno, questo confine passa a una distanza di circa sette raggi terrestri dalla superficie, ma durante i periodi di maggiore attività solare è ancora più vicino alla superficie terrestre. La magnetopausa è allo stesso tempo il confine dell'atmosfera terrestre, il cui guscio esterno è anche chiamato magnetosfera, poiché contiene particelle cariche (ioni), il cui movimento è dovuto al campo magnetico terrestre. Il peso totale dei gas atmosferici è di circa 4,5*1015 tonnellate, quindi il "peso" dell'atmosfera per unità di superficie, o pressione atmosferica, è di circa 11 tonnellate/m2 al livello del mare.
Significato per la vita. Ne consegue che la Terra è separata dallo spazio interplanetario da un potente strato protettivo. Lo spazio esterno è permeato da potenti radiazioni ultraviolette e raggi X provenienti dal Sole e da radiazioni cosmiche ancora più forti, e questi tipi di radiazioni sono dannosi per tutti gli esseri viventi. Al limite esterno dell'atmosfera, l'intensità della radiazione è letale, ma una parte significativa di essa è trattenuta dall'atmosfera lontana dalla superficie terrestre. L'assorbimento di questa radiazione spiega molte proprietà degli strati alti dell'atmosfera, e soprattutto i fenomeni elettrici che vi si verificano. Lo strato superficiale più basso dell'atmosfera è particolarmente importante per una persona che vive nel punto di contatto dei gusci solidi, liquidi e gassosi della Terra. Il guscio superiore della Terra "solida" è chiamato litosfera. Circa il 72% della superficie terrestre è coperta dalle acque degli oceani, che costituiscono la maggior parte dell'idrosfera. L'atmosfera confina sia con la litosfera che con l'idrosfera. L'uomo vive sul fondo dell'oceano d'aria e vicino o al di sopra del livello dell'oceano d'acqua. L'interazione di questi oceani è uno dei fattori importanti che determinano lo stato dell'atmosfera.
Composto. Gli strati inferiori dell'atmosfera sono costituiti da una miscela di gas (vedi tabella). Oltre a quelli elencati in tabella, nell'aria sono presenti anche altri gas sotto forma di piccole impurità: ozono, metano, sostanze come monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto e zolfo, ammoniaca.

COMPOSIZIONE DELL'ATMOSFERA

Negli strati alti dell'atmosfera, la composizione dell'aria cambia sotto l'influenza della forte radiazione solare, che porta alla scomposizione delle molecole di ossigeno in atomi. L'ossigeno atomico è il componente principale degli strati alti dell'atmosfera. Infine, negli strati più distanti dell'atmosfera dalla superficie terrestre, i gas più leggeri, idrogeno ed elio, diventano i componenti principali. Poiché la maggior parte della materia è concentrata nei 30 km inferiori, i cambiamenti nella composizione dell'aria ad altitudini superiori a 100 km non hanno un effetto evidente sulla composizione complessiva dell'atmosfera.
Scambio di energia. Il sole è la principale fonte di energia che arriva sulla Terra. Essendo ad una distanza di ca. A 150 milioni di km dal Sole, la Terra riceve circa un due miliardesimo dell'energia che irradia, principalmente nella parte visibile dello spettro, che l'uomo chiama "luce". La maggior parte di questa energia viene assorbita dall'atmosfera e dalla litosfera. Anche la terra irradia energia, principalmente sotto forma di radiazione infrarossa lontana. Pertanto, si stabilisce un equilibrio tra l'energia ricevuta dal Sole, il riscaldamento della Terra e dell'atmosfera e il flusso inverso dell'energia termica irradiata nello spazio. Il meccanismo di questo equilibrio è estremamente complesso. Le molecole di polvere e gas diffondono la luce, riflettendola parzialmente nello spazio mondiale. Le nuvole riflettono ancora di più la radiazione in arrivo. Parte dell'energia viene assorbita direttamente dalle molecole di gas, ma principalmente da rocce, vegetazione e acque superficiali. Il vapore acqueo e l'anidride carbonica presenti nell'atmosfera trasmettono la radiazione visibile ma assorbono la radiazione infrarossa. L'energia termica si accumula principalmente negli strati inferiori dell'atmosfera. Un effetto simile si verifica in una serra quando il vetro lascia entrare la luce e il terreno si riscalda. Poiché il vetro è relativamente opaco alla radiazione infrarossa, il calore si accumula nella serra. Il riscaldamento della bassa atmosfera dovuto alla presenza di vapore acqueo e anidride carbonica viene spesso definito effetto serra. La nuvolosità gioca un ruolo significativo nella conservazione del calore negli strati inferiori dell'atmosfera. Se le nuvole si dissipano o aumenta la trasparenza delle masse d'aria, la temperatura inevitabilmente diminuirà poiché la superficie terrestre irradia liberamente energia termica nello spazio circostante. L'acqua sulla superficie della Terra assorbe l'energia solare ed evapora, trasformandosi in un gas - vapore acqueo, che trasporta un'enorme quantità di energia nella bassa atmosfera. Quando il vapore acqueo si condensa e forma nuvole o nebbia, questa energia viene rilasciata sotto forma di calore. Circa la metà dell'energia solare che raggiunge la superficie terrestre viene spesa per l'evaporazione dell'acqua ed entra nella bassa atmosfera. Pertanto, a causa dell'effetto serra e dell'evaporazione dell'acqua, l'atmosfera si riscalda dal basso. Ciò spiega in parte l'elevata attività della sua circolazione rispetto alla circolazione dell'Oceano Mondiale, che si riscalda solo dall'alto ed è quindi molto più stabile dell'atmosfera.
Vedi anche METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA. Oltre al riscaldamento generale dell'atmosfera da parte della "luce" solare, si verifica un riscaldamento significativo di alcuni dei suoi strati a causa della radiazione ultravioletta e dei raggi X del Sole. Struttura. Rispetto ai liquidi e ai solidi, nelle sostanze gassose la forza di attrazione tra le molecole è minima. All'aumentare della distanza tra le molecole, i gas sono in grado di espandersi indefinitamente se nulla glielo impedisce. Il limite inferiore dell'atmosfera è la superficie della Terra. A rigor di termini, questa barriera è impenetrabile, poiché lo scambio di gas avviene tra aria e acqua e anche tra aria e rocce, ma in questo caso questi fattori possono essere trascurati. Poiché l'atmosfera è un guscio sferico, non ha confini laterali, ma solo un confine inferiore e un confine superiore (esterno) aperti dal lato dello spazio interplanetario. Attraverso il confine esterno fuoriescono alcuni gas neutri, così come il flusso di materia dallo spazio esterno circostante. La maggior parte delle particelle cariche, ad eccezione dei raggi cosmici ad alta energia, vengono catturate dalla magnetosfera o respinte da essa. L'atmosfera è anche influenzata dalla forza di gravità, che mantiene il guscio d'aria sulla superficie della Terra. I gas atmosferici sono compressi dal loro stesso peso. Questa compressione è massima al limite inferiore dell'atmosfera, e quindi la densità dell'aria è la più alta qui. A qualsiasi altezza sopra la superficie terrestre, il grado di compressione dell'aria dipende dalla massa della colonna d'aria sovrastante, quindi la densità dell'aria diminuisce con l'altezza. La pressione, pari alla massa della colonna d'aria sovrastante per unità di superficie, è direttamente correlata alla densità e, quindi, diminuisce anche con l'altezza. Se l'atmosfera fosse un "gas ideale" con una composizione costante indipendente dall'altezza, una temperatura costante e una forza di gravità costante su di essa, allora la pressione diminuirebbe di un fattore 10 per ogni 20 km di altitudine. L'atmosfera reale differisce leggermente dal gas ideale fino a circa 100 km, quindi la pressione diminuisce più lentamente con l'altezza, poiché la composizione dell'aria cambia. Piccole modifiche nel modello descritto sono introdotte anche da una diminuzione della forza di gravità con la distanza dal centro della Terra, pari a ca. 3% ogni 100 km di dislivello. A differenza della pressione atmosferica, la temperatura non diminuisce continuamente con l'altitudine. Come mostrato in fig. 1, scende a circa 10 km per poi ricominciare a salire. Ciò si verifica quando l'ossigeno assorbe la radiazione solare ultravioletta. In questo caso si forma ozono gassoso, le cui molecole sono costituite da tre atomi di ossigeno (O3). Assorbe anche le radiazioni ultraviolette, e quindi questo strato dell'atmosfera, chiamato ozonosfera, si riscalda. Più in alto, la temperatura scende nuovamente, poiché ci sono molte meno molecole di gas e l'assorbimento di energia viene corrispondentemente ridotto. Negli strati ancora più alti, la temperatura aumenta di nuovo a causa dell'assorbimento della radiazione ultravioletta e dei raggi X della lunghezza d'onda più corta del Sole da parte dell'atmosfera. Sotto l'influenza di questa potente radiazione, l'atmosfera viene ionizzata, ad es. Una molecola di gas perde un elettrone e acquisisce una carica elettrica positiva. Tali molecole diventano ioni caricati positivamente. A causa della presenza di elettroni e ioni liberi, questo strato dell'atmosfera acquisisce le proprietà di un conduttore elettrico. Si ritiene che la temperatura continui a salire ad altezze dove l'atmosfera rarefatta passa nello spazio interplanetario. A una distanza di diverse migliaia di chilometri dalla superficie terrestre, prevalgono probabilmente temperature da 5000° a 10.000° C. Nonostante le molecole e gli atomi abbiano velocità di movimento molto elevate, e quindi una temperatura elevata, questo gas rarefatto non è "caldo" nel solito senso... A causa del numero esiguo di molecole ad alta quota, la loro energia termica totale è molto piccola. Pertanto, l'atmosfera è costituita da strati separati (cioè una serie di gusci concentrici, o sfere), la cui selezione dipende da quale proprietà è di maggiore interesse. Basandosi sulla distribuzione della temperatura media, i meteorologi hanno sviluppato uno schema per la struttura di una "media atmosfera" ideale (vedi Fig. 1).

Troposfera - lo strato inferiore dell'atmosfera, che si estende fino al primo minimo termico (la cosiddetta tropopausa). Il limite superiore della troposfera dipende dalla latitudine geografica (ai tropici - 18-20 km, alle latitudini temperate - circa 10 km) e dal periodo dell'anno. Il National Weather Service degli Stati Uniti ha condotto sondaggi vicino al Polo Sud e ha rivelato i cambiamenti stagionali nell'altezza della tropopausa. A marzo la tropopausa si trova a un'altitudine di ca. 7,5 km. Da marzo ad agosto o settembre c'è un costante raffreddamento della troposfera e il suo confine sale per un breve periodo in agosto o settembre fino a un'altezza di circa 11,5 km. Poi da settembre a dicembre scende rapidamente e raggiunge la sua posizione più bassa - 7,5 km, dove rimane fino a marzo, fluttuando entro soli 0,5 km. È nella troposfera che si forma principalmente il tempo, che determina le condizioni per l'esistenza umana. La maggior parte del vapore acqueo atmosferico è concentrato nella troposfera, quindi qui si formano principalmente nuvole, sebbene alcune di esse, costituite da cristalli di ghiaccio, si trovino anche negli strati più alti. La troposfera è caratterizzata da turbolenze e potenti correnti d'aria (venti) e tempeste. Nella troposfera superiore, ci sono forti correnti d'aria di una direzione rigorosamente definita. Vortici turbolenti, come piccoli vortici, si formano sotto l'influenza dell'attrito e dell'interazione dinamica tra masse d'aria in movimento lento e veloce. Poiché di solito non c'è copertura nuvolosa in questi strati alti, questa turbolenza viene definita "turbolenza dell'aria limpida".
Stratosfera. Lo strato superiore dell'atmosfera è spesso erroneamente descritto come uno strato con temperature relativamente costanti, dove i venti soffiano più o meno costantemente e dove gli elementi meteorologici variano poco. Gli strati superiori della stratosfera si riscaldano quando l'ossigeno e l'ozono assorbono la radiazione ultravioletta solare. Viene tracciato il limite superiore della stratosfera (stratopausa) dove la temperatura sale leggermente, raggiungendo un massimo intermedio, che è spesso paragonabile alla temperatura dello strato d'aria superficiale. Sulla base di osservazioni effettuate con aeroplani e palloni adattati per volare a quota costante, nella stratosfera sono state stabilite perturbazioni turbolente e forti venti che soffiano in diverse direzioni. Come nella troposfera, si notano potenti vortici d'aria, particolarmente pericolosi per gli aerei ad alta velocità. I forti venti, chiamati correnti a getto, soffiano in zone ristrette lungo i confini delle latitudini temperate di fronte ai poli. Tuttavia, queste zone possono spostarsi, scomparire e riapparire. Le correnti a getto di solito penetrano nella tropopausa e compaiono nella troposfera superiore, ma la loro velocità diminuisce rapidamente con il diminuire dell'altitudine. È possibile che parte dell'energia che entra nella stratosfera (spesa principalmente per la formazione di ozono) influisca sui processi nella troposfera. La miscelazione particolarmente attiva è associata ai fronti atmosferici, dove ampi flussi di aria stratosferica sono stati registrati significativamente al di sotto della tropopausa e l'aria troposferica è stata aspirata negli strati inferiori della stratosfera. Significativi progressi sono stati compiuti nello studio della struttura verticale degli strati inferiori dell'atmosfera in connessione con il miglioramento della tecnica di lancio di radiosonde ad altitudini di 25-30 km. La mesosfera, situata al di sopra della stratosfera, è un guscio in cui, fino a un'altezza di 80-85 km, la temperatura scende al minimo per l'atmosfera nel suo insieme. Temperature basse record fino a -110°C sono state registrate dai razzi meteorologici lanciati dall'installazione statunitense-canadese a Fort Churchill (Canada). Il limite superiore della mesosfera (mesopausa) coincide approssimativamente con il limite inferiore della regione di assorbimento attivo dei raggi X e la radiazione ultravioletta della lunghezza d'onda più corta del Sole, che è accompagnata dal riscaldamento e dalla ionizzazione del gas. Nelle regioni polari in estate compaiono spesso sistemi nuvolosi in mesopausa, che occupano una vasta area, ma hanno uno sviluppo verticale limitato. Tali nubi che brillano di notte spesso consentono di rilevare movimenti d'aria ondulati su larga scala nella mesosfera. La composizione di queste nubi, le sorgenti di umidità ei nuclei di condensazione, la dinamica e il rapporto con i fattori meteorologici sono ancora poco studiati. La termosfera è uno strato dell'atmosfera in cui la temperatura aumenta continuamente. La sua potenza può raggiungere i 600 km. La pressione e, di conseguenza, la densità di un gas decrescono costantemente con l'altezza. Vicino alla superficie terrestre, 1 m3 di aria contiene ca. 2,5x1025 molecole, ad un'altezza di ca. 100 km, negli strati inferiori della termosfera - circa 1019, a un'altitudine di 200 km, nella ionosfera - 5 * 10 15 e, secondo i calcoli, a un'altitudine di ca. 850 km - circa 1012 molecole. Nello spazio interplanetario, la concentrazione di molecole è 10 8-10 9 per 1 m3. Ad un'altezza di ca. 100 km, il numero di molecole è piccolo e raramente si scontrano tra loro. La distanza media percorsa da una molecola in movimento caotico prima di entrare in collisione con un'altra molecola simile è chiamata percorso libero medio. Lo strato in cui questo valore aumenta a tal punto da poter trascurare la probabilità di collisioni intermolecolari o interatomiche si trova al confine tra la termosfera e il guscio sovrastante (esosfera) ed è chiamato pausa termica. La termopausa si trova a circa 650 km dalla superficie terrestre. Ad una certa temperatura, la velocità di movimento di una molecola dipende dalla sua massa: le molecole più leggere si muovono più velocemente di quelle pesanti. Nella bassa atmosfera, dove il percorso libero è molto breve, non c'è una notevole separazione dei gas in base al loro peso molecolare, ma è espressa al di sopra dei 100 km. Inoltre, sotto l'influenza della radiazione ultravioletta e dei raggi X del Sole, le molecole di ossigeno si scompongono in atomi, la cui massa è la metà della massa della molecola. Pertanto, man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre, l'ossigeno atomico diventa sempre più importante nella composizione dell'atmosfera e ad un'altitudine di ca. 200 km diventa la sua componente principale. Più in alto, a una distanza di circa 1200 km dalla superficie terrestre, predominano i gas leggeri - elio e idrogeno. Sono lo strato esterno dell'atmosfera. Questa separazione in peso, chiamata separazione diffusa, assomiglia alla separazione delle miscele mediante una centrifuga. L'esosfera è lo strato esterno dell'atmosfera, che viene isolato in base alle variazioni di temperatura e alle proprietà del gas neutro. Molecole e atomi nell'esosfera ruotano attorno alla Terra in orbite balistiche sotto l'influenza della gravità. Alcune di queste orbite sono paraboliche e simili alle traiettorie dei proiettili. Le molecole possono ruotare attorno alla Terra e in orbite ellittiche, come i satelliti. Alcune molecole, principalmente idrogeno ed elio, hanno traiettorie aperte e scappano nello spazio esterno (Fig. 2).

RELAZIONI SOLARE-TERRESTRI E LORO INFLUENZA SULL'ATMOSFERA
maree atmosferiche. L'attrazione del Sole e della Luna provoca maree nell'atmosfera, simili alle maree terrestri e marine. Ma le maree atmosferiche hanno una differenza significativa: l'atmosfera reagisce più fortemente all'attrazione del Sole, mentre la crosta terrestre e l'oceano - all'attrazione della Luna. Ciò è spiegato dal fatto che l'atmosfera è riscaldata dal Sole e, oltre alla marea gravitazionale, si forma una potente marea termica. In generale, i meccanismi di formazione delle maree atmosferiche e marine sono simili, tranne che per prevedere la reazione dell'aria agli effetti gravitazionali e termici, è necessario tener conto della sua comprimibilità e distribuzione della temperatura. Non è del tutto chiaro il motivo per cui le maree solari semidiurne (12 ore) nell'atmosfera predominano sulle maree solari diurne e lunari semidiurne, sebbene le forze trainanti di questi ultimi due processi siano molto più potenti. In precedenza si credeva che nell'atmosfera si verificasse una risonanza, che amplifica appunto le oscillazioni con un periodo di 12 ore. Tuttavia, le osservazioni effettuate con l'aiuto di razzi geofisici indicano che non ci sono ragioni di temperatura per tale risonanza. Nel risolvere questo problema si dovrebbero probabilmente tenere conto di tutte le caratteristiche idrodinamiche e termiche dell'atmosfera. Sulla superficie terrestre vicino all'equatore, dove l'influenza delle fluttuazioni di marea è massima, fornisce una variazione della pressione atmosferica dello 0,1%. La velocità dei venti di marea è di ca. 0,3 km/h. A causa della complessa struttura termica dell'atmosfera (soprattutto la presenza di un minimo di temperatura in mesopausa), le correnti d'aria di marea si intensificano e, ad esempio, a un'altitudine di 70 km, la loro velocità è circa 160 volte superiore a quella terrestre superficie, che ha importanti conseguenze geofisiche. Si ritiene che nella parte inferiore della ionosfera (strato E) le oscillazioni di marea spostino il gas ionizzato verticalmente nel campo magnetico terrestre, e quindi qui sorgono correnti elettriche. Questi sistemi di correnti costantemente emergenti sulla superficie della Terra sono stabiliti da perturbazioni del campo magnetico. Le variazioni diurne del campo magnetico sono in buon accordo con i valori calcolati, il che testimonia in modo convincente a favore della teoria dei meccanismi di marea della "dinamo atmosferica". Le correnti elettriche che si formano nella parte inferiore della ionosfera (strato E) devono spostarsi da qualche parte e, quindi, il circuito deve essere chiuso. L'analogia con la dinamo diventa completa se consideriamo il movimento in arrivo come il lavoro del motore. Si presume che la circolazione inversa della corrente elettrica avvenga in uno strato più alto della ionosfera (F), e questo controflusso può spiegare alcune delle caratteristiche peculiari di questo strato. Infine, l'effetto marea deve generare anche correnti orizzontali nello strato E e quindi nello strato F.
Ionosfera. Cercando di spiegare il meccanismo del verificarsi delle aurore, scienziati del 19 ° secolo. ha suggerito che nell'atmosfera c'è una zona con particelle caricate elettricamente. Nel 20° secolo Prove convincenti sono state ottenute sperimentalmente per l'esistenza di uno strato che riflette le onde radio ad altitudini comprese tra 85 e 400 km. È ormai noto che le sue proprietà elettriche sono il risultato della ionizzazione del gas atmosferico. Pertanto, questo strato è solitamente chiamato ionosfera. 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. Le reazioni chimiche che si verificano 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 della parte interna dell'atmosfera solare (cromosfera) e la radiazione di raggi X, che ha un'energia ancora maggiore, è emessa dai gas del Sole guscio esterno (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 sorgono potenti perturbazioni 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, alcune aree del Sole aumentano di luminosità più volte ed emettono potenti impulsi di radiazioni ultraviolette e di raggi X. Tali fenomeni sono chiamati brillamenti solari. Durano da alcuni minuti a una o due ore. Durante un bagliore, il gas solare (principalmente protoni ed elettroni) erutta e le particelle elementari si precipitano 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 osserva 8 minuti dopo il lampo, quando un'intensa radiazione ultravioletta e di raggi X raggiunge la Terra. Di conseguenza, la ionizzazione aumenta notevolmente; i raggi X penetrano 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 un effetto dinamo e si verifica una corrente elettrica. Tali correnti possono, a loro volta, causare notevoli perturbazioni del campo magnetico e manifestarsi sotto forma di tempeste magnetiche. Questa fase iniziale richiede solo un breve tempo, corrispondente alla durata di un brillamento solare. Durante i potenti bagliori del Sole, un flusso di particelle accelerate si precipita nello spazio. Quando è diretto verso la Terra, inizia la seconda fase, che ha una grande influenza sullo stato dell'atmosfera. Molti fenomeni naturali, tra i quali sono più note le aurore, indicano che un numero significativo di particelle cariche raggiunge la Terra (vedi anche LUCI POLARI). Tuttavia, i processi di separazione di queste particelle dal Sole, le loro traiettorie nello spazio interplanetario ei meccanismi di interazione con il campo magnetico terrestre e la magnetosfera sono ancora poco studiati. Il problema divenne più complicato dopo la scoperta nel 1958 da parte di James Van Allen di conchiglie trattenute dal campo geomagnetico, costituite da particelle cariche. Queste particelle si spostano da un emisfero all'altro, ruotando a spirale attorno alle linee del campo magnetico. In prossimità della Terra, ad un'altezza che dipende dalla forma delle linee di forza e dall'energia delle particelle, si trovano dei "punti di riflessione", in cui le particelle cambiano direzione di moto in senso opposto (Fig. 3). Poiché l'intensità del campo magnetico diminuisce con la distanza dalla Terra, le orbite lungo le quali si muovono queste particelle sono alquanto distorte: gli elettroni deviano a est e i protoni a ovest. Pertanto, sono distribuiti sotto forma di cinture in tutto il mondo.

Alcune conseguenze del riscaldamento dell'atmosfera da parte del Sole. L'energia solare colpisce l'intera atmosfera. Abbiamo già menzionato le cinture formate da particelle cariche nel campo magnetico terrestre e che ruotano attorno ad esso. Queste cinture sono le più vicine alla superficie terrestre nelle regioni circumpolari (vedi Fig. 3), dove si osservano le aurore. La figura 1 mostra che le regioni aurorali del Canada hanno temperature termosferiche significativamente più elevate rispetto a quelle del sud-ovest degli Stati Uniti. È probabile che le particelle catturate cedano parte della loro energia all'atmosfera, specialmente quando si scontrano con le molecole di gas vicino ai punti di riflessione, e lascino le orbite precedenti. È così che gli strati alti dell'atmosfera vengono riscaldati nella zona dell'aurora. Un'altra importante scoperta è stata fatta studiando le orbite dei satelliti artificiali. Luigi Iacchia, astronomo dello Smithsonian Astrophysical Observatory, ritiene che le piccole deviazioni di queste orbite siano dovute ai cambiamenti nella densità dell'atmosfera poiché è riscaldata dal Sole. Ha suggerito l'esistenza di una densità elettronica massima nella ionosfera a un'altitudine di oltre 200 km, che non corrisponde al mezzogiorno solare, ma sotto l'influenza delle forze di attrito è in ritardo rispetto ad essa di circa due ore. In questo momento, i valori della densità atmosferica, tipici per un'altitudine di 600 km, si osservano a un livello di ca. 950 km. Inoltre, la concentrazione massima di elettroni subisce fluttuazioni irregolari dovute a lampi a breve termine di raggi ultravioletti e raggi X provenienti dal Sole. L. Yakkia ha anche scoperto fluttuazioni a breve termine nella densità dell'aria, corrispondenti a brillamenti solari e disturbi del campo magnetico. Questi fenomeni sono spiegati dall'intrusione di particelle di origine solare nell'atmosfera terrestre e dal riscaldamento di quegli strati in cui orbitano i satelliti.
ELETTRICITÀ ATMOSFERICA
Nello strato superficiale dell'atmosfera, una piccola parte delle molecole subisce la ionizzazione sotto l'influenza dei raggi cosmici, delle radiazioni delle rocce radioattive e dei prodotti di decadimento del radio (principalmente radon) nell'aria stessa. Nel processo di ionizzazione, un atomo perde un elettrone e acquisisce una carica positiva. Un elettrone libero si combina rapidamente con un altro atomo, formando uno ione caricato negativamente. Tali ioni positivi e negativi accoppiati hanno dimensioni molecolari. Le molecole nell'atmosfera tendono a raggrupparsi attorno a questi ioni. Diverse molecole combinate con uno ione formano un complesso comunemente chiamato "ione leggero". L'atmosfera contiene anche complessi di molecole, noti in meteorologia come nuclei di condensazione, attorno ai quali, quando l'aria è satura di umidità, inizia il processo di condensazione. Questi nuclei sono particelle di sale e polvere, nonché inquinanti rilasciati nell'aria da fonti industriali e di altro tipo. Gli ioni leggeri spesso si attaccano a tali nuclei per formare "ioni pesanti". Sotto l'influenza di un campo elettrico, gli ioni leggeri e pesanti si spostano da un'area dell'atmosfera all'altra, trasferendo cariche elettriche. Sebbene l'atmosfera non sia generalmente considerata un mezzo elettricamente conduttivo, ha una piccola quantità di conduttività. Pertanto, un corpo carico lasciato nell'aria perde lentamente la sua carica. La conduttività atmosferica aumenta con l'altezza a causa dell'aumento dell'intensità dei raggi cosmici, della ridotta perdita di ioni in condizioni di pressione inferiore (e quindi del percorso libero medio più lungo) ea causa del minor numero di nuclei pesanti. La conducibilità dell'atmosfera raggiunge il suo valore massimo ad un'altezza di ca. 50 km, cosiddetti. "livello di compensazione". È noto che tra la superficie terrestre e il "livello di compensazione" c'è sempre una differenza di potenziale di diverse centinaia di kilovolt, cioè campo elettrico costante. Si è scoperto che la differenza di potenziale tra un certo punto dell'aria ad un'altezza di diversi metri e la superficie terrestre è molto grande - più di 100 V. L'atmosfera ha una carica positiva e la superficie terrestre è caricata negativamente. Poiché il campo elettrico è un'area, in ogni punto della quale esiste un certo valore potenziale, si può parlare di gradiente potenziale. Con tempo sereno, nei pochi metri più bassi, l'intensità del campo elettrico dell'atmosfera è quasi costante. A causa delle differenze nella conducibilità elettrica dell'aria nello strato superficiale, il gradiente potenziale è soggetto a fluttuazioni diurne, il cui corso varia notevolmente da luogo a luogo. In assenza di fonti locali di inquinamento atmosferico - oltre gli oceani, in alta montagna o nelle regioni polari - l'andamento giornaliero del gradiente potenziale con tempo sereno è lo stesso. L'entità del gradiente dipende dall'universale, o Greenwich Mean Time (UT) e raggiunge un massimo alle 19:00 E. Appleton ha suggerito che questa massima conduttività elettrica coincide probabilmente con la più grande attività temporalesca su scala planetaria. Le scariche di fulmini durante i temporali portano una carica negativa sulla superficie terrestre, poiché le basi dei cumulonembi più attivi hanno una carica negativa significativa. Le cime delle nuvole temporalesche hanno una carica positiva che, secondo i calcoli di Holzer e Saxon, scorre dalle loro cime durante i temporali. Senza un rifornimento costante, la carica sulla superficie terrestre sarebbe neutralizzata dalla conduttività dell'atmosfera. L'ipotesi che la differenza di potenziale tra la superficie terrestre e il "livello di compensazione" sia mantenuta a causa dei temporali è supportata da dati statistici. Ad esempio, il numero massimo di temporali si osserva nella valle del fiume. Amazzoni. Molto spesso, alla fine della giornata si verificano temporali lì, ad es. OK. 19:00 Greenwich Mean Time, quando la pendenza potenziale è massima in qualsiasi parte del mondo. Inoltre, anche le variazioni stagionali nella forma delle curve della variazione diurna del gradiente potenziale sono in pieno accordo con i dati sulla distribuzione globale dei temporali. Alcuni ricercatori sostengono che la fonte del campo elettrico terrestre potrebbe essere di origine esterna, poiché si ritiene che i campi elettrici esistano nella ionosfera e nella magnetosfera. Questa circostanza spiega probabilmente la comparsa di forme allungate molto strette di aurore, simili a backstage e archi.
(vedi anche LUCI POLARI). A causa del potenziale gradiente e conduttività dell'atmosfera tra il "livello di compensazione" e la superficie terrestre, le particelle cariche iniziano a muoversi: ioni caricati positivamente - verso la superficie terrestre e caricati negativamente - verso l'alto da essa. Questa corrente è di ca. 1800 A. Anche se questo valore sembra grande, va ricordato che è distribuito su tutta la superficie della Terra. La forza attuale in una colonna d'aria con un'area di base di 1 m2 è solo 4 * 10 -12 A. D'altra parte, la forza attuale durante una scarica di un fulmine può raggiungere diversi ampere, sebbene, ovviamente, tale scarica ha una breve durata - da frazioni di secondo a un secondo intero o poco più con scariche ripetute. I fulmini sono di grande interesse non solo come fenomeno peculiare della natura. Consente di osservare una scarica elettrica in un mezzo gassoso a una tensione di diverse centinaia di milioni di volt e una distanza tra gli elettrodi di diversi chilometri. Nel 1750, B. Franklin propose alla Royal Society di Londra di sperimentare un'asta di ferro fissata su una base isolante e montata su un'alta torre. Si aspettava che quando una nuvola temporalesca si avvicina alla torre, una carica del segno opposto sarà concentrata all'estremità superiore dell'asta inizialmente neutra e una carica dello stesso segno alla base della nuvola sarà concentrata all'estremità inferiore . Se l'intensità del campo elettrico durante una scarica di fulmini aumenta a sufficienza, la carica dall'estremità superiore dell'asta si scaricherà parzialmente nell'aria e l'asta acquisirà una carica dello stesso segno della base della nuvola. L'esperimento proposto da Franklin non fu condotto in Inghilterra, ma fu avviato nel 1752 a Marly vicino a Parigi dal fisico francese Jean d'Alembert, che utilizzò un'asta di ferro lunga 12 m inserita in una bottiglia di vetro (che fungeva da isolante), ma non lo posò sulla torre. Il 10 maggio il suo assistente riferì che quando una nuvola temporalesca era sopra un'asta, si producevano scintille quando veniva portato ad essa un filo collegato a terra. Lo stesso Franklin, ignaro della fortunata esperienza realizzata in Francia, nel giugno di quell'anno condusse il suo famoso esperimento con un aquilone e osservò scintille elettriche all'estremità di un filo ad esso legato. L'anno successivo, studiando le cariche raccolte da un'asta, Franklin scoprì che le basi delle nubi temporalesche sono solitamente cariche negativamente .Studi più dettagliati sui fulmini divennero possibili alla fine del XIX secolo grazie ai miglioramenti nei metodi fotografici, soprattutto dopo l'invenzione dell'apparato con lenti rotanti, che consentì di correggere processi in rapido sviluppo. Tale fotocamera è stata ampiamente utilizzata nello studio delle scariche di scintille. È stato riscontrato che esistono diversi tipi di fulmini, i più comuni sono lineari, piatti (intra-nube) e globulari (scariche d'aria). Il fulmine lineare è una scarica di scintille tra una nuvola e la superficie terrestre, seguendo un canale con rami verso il basso. Un fulmine piatto si verifica all'interno di una nuvola temporalesca e sembra lampi di luce diffusa. Le scariche aeree dei fulmini globulari, a partire da una nuvola temporalesca, sono spesso dirette orizzontalmente e non raggiungono la superficie terrestre.

Una scarica di fulmini di solito consiste in tre o più scariche ripetute - impulsi che seguono lo stesso percorso. Gli intervalli tra gli impulsi successivi sono molto brevi, da 1/100 a 1/10 s (questo è ciò che provoca lo sfarfallio dei fulmini). In generale, il flash dura circa un secondo o meno. Un tipico processo di sviluppo dei fulmini può essere descritto come segue. In primo luogo, un leader di scarica debolmente luminoso si precipita dall'alto sulla superficie terrestre. Quando lo raggiunge, una scarica inversa, o principale, brillantemente luminosa passa dalla terra su per il canale posato dal leader. Il leader della dimissione, di regola, si muove a zigzag. La velocità della sua propagazione varia da cento a diverse centinaia di chilometri al secondo. Durante il suo percorso, ionizza le molecole d'aria, creando un canale con una maggiore conduttività, attraverso il quale la scarica inversa si sposta verso l'alto a una velocità di circa cento volte maggiore di quella della scarica principale. È difficile determinare la dimensione del canale, ma il diametro dello scarico principale è stimato a 1–10 m e quello dello scarico inverso a diversi centimetri. Le scariche di fulmini creano interferenze radio emettendo onde radio in un'ampia gamma, da 30 kHz a frequenze ultra basse. La massima radiazione di onde radio è probabilmente nell'intervallo da 5 a 10 kHz. Tale radiointerferenza a bassa frequenza è "concentrata" nello spazio compreso tra il limite inferiore della ionosfera e la superficie terrestre ed è in grado di propagarsi a distanze di migliaia di chilometri dalla sorgente.
CAMBIAMENTI NELL'ATMOSFERA
Impatto di meteore e meteoriti. Sebbene a volte gli acquazzoni di meteoriti facciano una profonda impressione con i loro effetti di luce, 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, naturalmente, i 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.
Anidride carbonica di origine industriale. Nel periodo del Carbonifero la vegetazione legnosa era diffusa sulla Terra. La maggior parte dell'anidride carbonica assorbita dalle piante in quel momento si accumulava nei giacimenti di carbone e nei giacimenti petroliferi. Le persone hanno imparato a utilizzare le enormi riserve di questi minerali come fonte di energia e ora stanno rapidamente restituendo anidride carbonica alla circolazione delle sostanze. Il fossile è probabilmente ca. 4*10 13 tonnellate di carbonio. Nel secolo scorso, l'umanità ha bruciato così tanto combustibile fossile che circa 4 * 10 11 tonnellate di carbonio sono nuovamente entrate nell'atmosfera. Attualmente ci sono ca. 2 * 10 12 tonnellate di carbonio e nei prossimi cento anni questa cifra potrebbe raddoppiare a causa della combustione di combustibili fossili. Tuttavia, non tutto il carbonio rimarrà nell'atmosfera: parte di esso si dissolverà nelle acque dell'oceano, parte sarà assorbito dalle piante e parte sarà legato nel processo di alterazione delle rocce. Non è ancora possibile prevedere quanta anidride carbonica sarà presente nell'atmosfera o quale effetto avrà sul clima mondiale. Tuttavia, si ritiene che qualsiasi aumento del suo contenuto provochi un riscaldamento, sebbene non sia affatto necessario che un eventuale riscaldamento influisca in modo significativo sul clima. La concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, secondo i risultati delle misurazioni, sta aumentando notevolmente, anche se a ritmo lento. I dati climatici per la stazione di Svalbard e Little America sulla piattaforma di ghiaccio Ross in Antartide indicano un aumento delle temperature medie annuali in un periodo di circa 50 anni rispettivamente di 5° e 2,5°C.
L'impatto della radiazione cosmica. Quando i raggi cosmici ad alta energia interagiscono con i singoli componenti dell'atmosfera, si formano isotopi radioattivi. Tra questi si distingue l'isotopo di carbonio 14C, che si accumula nei tessuti vegetali e animali. Misurando la radioattività di sostanze organiche che da molto tempo non scambiano carbonio con l'ambiente, è possibile determinarne l'età. Il metodo del radiocarbonio si è affermato come il metodo più affidabile per datare organismi fossili e oggetti di cultura materiale, la cui età non supera i 50 mila anni. Altri isotopi radioattivi con emivite lunghe potrebbero essere utilizzati per datare materiali che hanno centinaia di migliaia di anni se si risolve il problema fondamentale della misurazione di livelli estremamente bassi di radioattività.
(vedi anche DATAZIONE RADIOCARBONICA).
ORIGINE DELL'ATMOSFERA DELLA TERRA
La storia della formazione dell'atmosfera non è stata ancora restaurata in modo assolutamente affidabile. Tuttavia, sono state individuate alcune probabili modifiche nella sua composizione. La formazione dell'atmosfera iniziò subito dopo la formazione della Terra. Ci sono ragioni abbastanza buone per ritenere che nel processo di evoluzione della Pra-Terra e nella sua acquisizione di dimensioni e massa vicine a quelle moderne, abbia perso quasi completamente la sua atmosfera originaria. Si ritiene che in una fase iniziale la Terra fosse in uno stato fuso e ca. 4,5 miliardi di anni fa prese forma in un corpo solido. Questa pietra miliare è considerata l'inizio della cronologia geologica. Da quel momento c'è stata una lenta evoluzione dell'atmosfera. Alcuni processi geologici, come le eruzioni di lava durante le eruzioni vulcaniche, sono stati accompagnati dal rilascio di gas dalle viscere della Terra. Probabilmente includevano azoto, ammoniaca, metano, vapore acqueo, monossido di carbonio e anidride carbonica. 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 per formare anidride carbonica. L'ammoniaca si decompone in azoto e idrogeno. L'idrogeno nel processo di diffusione è salito e ha lasciato l'atmosfera, mentre l'azoto più pesante non ha potuto fuoriuscire e gradualmente si è accumulato, diventando il suo componente principale, sebbene parte di esso si sia legato durante le reazioni chimiche. Sotto l'influenza dei raggi ultravioletti e delle scariche elettriche, una miscela di gas, probabilmente presente nell'atmosfera originaria della Terra, è entrata in reazioni chimiche, a seguito delle quali si sono formate sostanze organiche, in particolare amminoacidi. Di conseguenza, la vita potrebbe nascere in un'atmosfera fondamentalmente diversa da quella moderna. Con l'avvento delle piante primitive iniziò il processo di fotosintesi (vedi anche FOTOSINTESI), accompagnato dal rilascio di ossigeno libero. 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. Si stima che un minimo di 0,00004 del volume di ossigeno odierno potrebbe portare alla formazione di uno strato con la metà dell'attuale concentrazione di ozono, che tuttavia ha fornito una protezione molto significativa dai raggi ultravioletti. È anche 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. Poiché l'effetto serra è associato alla presenza di anidride carbonica nell'atmosfera, alcuni scienziati ritengono che le fluttuazioni della sua concentrazione siano una delle cause importanti dei cambiamenti climatici su larga scala nella storia della Terra, come le ere glaciali. L'elio presente nell'atmosfera moderna è probabilmente principalmente un prodotto del decadimento radioattivo di uranio, torio e radio. Questi elementi radioattivi emettono particelle alfa, che sono i nuclei degli atomi di elio. Dal momento che nessuna carica elettrica viene creata o distrutta durante il decadimento radioattivo, ci sono due elettroni per ogni particella alfa. Di conseguenza, si combina con loro, formando 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 a causa della diffusione, ma a causa del costante afflusso dalla superficie terrestre, il volume di questo gas nell'atmosfera è 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, originariamente presenti nell'atmosfera terrestre e non reintegrati nel corso delle reazioni chimiche, è notevolmente diminuita, probabilmente anche nello 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 40Ar nel processo di decadimento radioattivo dell'isotopo di potassio.
FENOMENI OTTICI
La varietà dei fenomeni ottici nell'atmosfera è dovuta a vari motivi. I fenomeni più comuni sono i fulmini (vedi sopra) e le pittoresche aurora boreale e aurora boreale (vedi anche LUCI POLARI). Inoltre, sono di particolare interesse l'arcobaleno, la ragazza, il parhelion (falso sole) e gli archi, la corona, gli aloni e i fantasmi di Brocken, i miraggi, i fuochi di Sant'Elmo, le nuvole luminose, i raggi verdi e crepuscolari. L'arcobaleno è il fenomeno atmosferico più bello. Di solito si tratta di un enorme arco, costituito da strisce multicolori, osservato quando il Sole illumina solo una parte del cielo e l'aria è satura di goccioline d'acqua, ad esempio durante la pioggia. Gli archi multicolori sono disposti in una sequenza spettrale (rosso, arancione, giallo, verde, ciano, indaco, viola), ma i colori non sono quasi mai puri perché le bande si sovrappongono. Di norma, le caratteristiche fisiche degli arcobaleni variano in modo significativo e quindi hanno un aspetto molto diverso. La loro caratteristica comune è che il centro dell'arco si trova sempre su una linea retta tracciata dal Sole all'osservatore. L'arcobaleno principale è un arco costituito dai colori più luminosi: rosso all'esterno e viola all'interno. A volte è visibile solo un arco, ma spesso ne appare uno secondario all'esterno dell'arcobaleno principale. Non ha colori brillanti come il primo e le strisce rosse e viola al suo interno cambiano posto: il rosso si trova all'interno. La formazione dell'arcobaleno principale è spiegata dalla doppia rifrazione (vedi anche OTTICA) e dalla singola riflessione interna dei raggi solari (vedi Fig. 5). Penetrando all'interno di una goccia d'acqua (A), un raggio di luce viene rifratto e decomposto, come quando passa attraverso un prisma. Quindi raggiunge la superficie opposta della goccia (B), ne viene riflessa ed esce dalla goccia verso l'esterno (C). In questo caso il raggio di luce, prima di raggiungere l'osservatore, viene rifratto una seconda volta. Il fascio bianco iniziale viene scomposto in raggi di diverso colore con un angolo di divergenza di 2°. Quando si forma un arcobaleno secondario, si verifica una doppia rifrazione e una doppia riflessione dei raggi solari (vedi Fig. 6). In questo caso la luce viene rifratta, penetrando all'interno della goccia attraverso la sua parte inferiore (A), e riflessa dalla superficie interna della goccia, prima nel punto B, poi nel punto C. Nel punto D, la luce viene rifratta, lasciando la goccia verso l'osservatore.

All'alba e al tramonto, l'osservatore vede l'arcobaleno sotto forma di un arco pari a semicerchio, poiché l'asse dell'arcobaleno è parallelo all'orizzonte. Se il Sole è più alto dell'orizzonte, l'arco dell'arcobaleno è inferiore a mezzo cerchio. Quando il Sole sorge sopra i 42° sopra l'orizzonte, l'arcobaleno scompare. Ovunque, tranne che alle alte latitudini, un arcobaleno non può apparire a mezzogiorno quando il Sole è troppo alto. È interessante stimare la distanza dall'arcobaleno. Sebbene sembri che l'arco multicolore si trovi sullo stesso piano, questa è un'illusione. L'arcobaleno, infatti, ha una grande profondità, e può essere rappresentato come la superficie di un cono cavo, alla cui sommità si trova l'osservatore. L'asse del cono collega il Sole, l'osservatore e il centro dell'arcobaleno. L'osservatore guarda, per così dire, lungo la superficie di questo cono. Due persone non possono mai vedere esattamente lo stesso arcobaleno. Naturalmente si può osservare lo stesso effetto in generale, ma i due arcobaleni sono in posizioni diverse e sono formati da diverse goccioline d'acqua. Quando la pioggia o la nebbia formano un arcobaleno, l'effetto ottico completo è ottenuto dall'effetto combinato di tutte le goccioline d'acqua che attraversano la superficie del cono dell'arcobaleno con l'osservatore all'apice. Il ruolo di ogni goccia è fugace. La superficie del cono arcobaleno è composta da diversi strati. Attraversandoli rapidamente e passando attraverso una serie di punti critici, ogni goccia scompone istantaneamente il raggio del sole nell'intero spettro in una sequenza rigorosamente definita, dal rosso al viola. Molte gocce attraversano la superficie del cono allo stesso modo, in modo che l'arcobaleno appaia all'osservatore come continuo lungo e attraverso il suo arco. Halo: archi e cerchi di luce bianchi o iridescenti attorno al disco del Sole o della Luna. Sono causati dalla rifrazione o dal riflesso della luce da ghiaccio o cristalli di neve nell'atmosfera. I cristalli che formano l'alone si trovano sulla superficie di un cono immaginario con l'asse diretto dall'osservatore (dalla sommità del cono) al Sole. In determinate condizioni, l'atmosfera è satura di piccoli cristalli, molte delle cui facce formano un angolo retto con il piano che passa attraverso il Sole, l'osservatore e questi cristalli. Tali sfaccettature riflettono i raggi luminosi in entrata con una deviazione di 22°, formando un alone rossastro all'interno, ma può anche essere costituito da tutti i colori dello spettro. Meno comune è un alone con un raggio angolare di 46°, posizionato concentricamente attorno ad un alone di 22°. Anche il suo lato interno ha una sfumatura rossastra. La ragione di ciò è anche la rifrazione della luce, che si verifica in questo caso sulle facce di cristallo che formano angoli retti. La larghezza dell'anello di un tale alone supera i 2,5°. Sia gli aloni di 46 gradi che di 22 gradi tendono ad essere più luminosi nella parte superiore e inferiore dell'anello. Il raro alone di 90 gradi è un anello debolmente luminoso, quasi incolore che ha un centro comune con gli altri due aloni. Se è colorato, ha un colore rosso all'esterno dell'anello. Il meccanismo della comparsa di questo tipo di alone non è stato del tutto chiarito (Fig. 7).

Parhelia e archi. Cerchio parelico (o cerchio dei falsi soli) - un anello bianco centrato nel punto zenitale, che passa attraverso il Sole parallelamente all'orizzonte. Il motivo della sua formazione è il riflesso della luce solare dai bordi delle superfici dei cristalli di ghiaccio. Se i cristalli sono sufficientemente distribuiti nell'aria, diventa visibile un cerchio completo. Parhelia, o falsi soli, sono macchie luminose somiglianti al Sole, che si formano nei punti di intersezione del cerchio parelico con l'alone, aventi raggi angolari di 22°, 46° e 90°. Il parelio più spesso formato e più luminoso si forma all'intersezione con un alone di 22 gradi, solitamente colorato in quasi tutti i colori dell'arcobaleno. I falsi soli alle intersezioni con aloni di 46 e 90 gradi si osservano molto meno frequentemente. I pareli che si verificano all'intersezione con aloni di 90 gradi sono chiamati parantelia o falsi controsoli. A volte è visibile anche un antelio (controsole), un punto luminoso situato sull'anello del parelio esattamente di fronte al Sole. Si presume che la causa di questo fenomeno sia la doppia riflessione interna della luce solare. Il raggio riflesso segue lo stesso percorso del raggio incidente, ma nella direzione opposta. L'arco circumzenitale, a volte erroneamente indicato come l'arco tangente superiore dell'alone di 46 gradi, è un arco di 90° o meno centrato sul punto zenitale e di circa 46° sopra il Sole. È raramente visibile e solo per pochi minuti, ha colori brillanti e il colore rosso è confinato al lato esterno dell'arco. L'arco circumzenitale è noto per la sua colorazione, luminosità e contorni chiari. Un altro effetto ottico curioso e molto raro del tipo alone è l'arco di Lovitz. Sorgono come continuazione dei pareli all'intersezione con l'alone di 22 gradi, passano dal lato esterno dell'alone e sono leggermente concavi verso il Sole. Pilastri di luce biancastra, oltre a varie croci, sono talvolta visibili all'alba o al tramonto, soprattutto nelle regioni polari, e possono accompagnare sia il Sole che la Luna. A volte si osservano aloni lunari e altri effetti simili a quelli sopra descritti, con l'alone lunare più comune (anello attorno alla Luna) avente un raggio angolare di 22°. Come falsi soli, possono sorgere false lune. Le corone, o corone, sono piccoli anelli concentrici colorati attorno al Sole, alla Luna o ad altri oggetti luminosi che vengono osservati di tanto in tanto quando la fonte di luce si trova dietro nuvole traslucide. Il raggio della corona è più piccolo del raggio dell'alone ed è di ca. 1-5°, l'anello blu o viola è il più vicino al Sole. Una corona si verifica quando la luce è diffusa da piccole goccioline d'acqua che formano una nuvola. A volte la corona sembra una macchia luminosa (o alone) che circonda il Sole (o Luna), che termina con un anello rossastro. In altri casi, all'esterno dell'alone sono visibili almeno due anelli concentrici di diametro maggiore, molto debolmente colorati. Questo fenomeno è accompagnato da nuvole iridescenti. A volte i bordi delle nuvole molto alte sono dipinti con colori vivaci.
Gloria (aureole). In condizioni speciali si verificano fenomeni atmosferici insoliti. Se il Sole è dietro l'osservatore e la sua ombra viene proiettata sulle nuvole vicine o su una cortina di nebbia, in un certo stato dell'atmosfera attorno all'ombra della testa di una persona, puoi vedere un cerchio luminoso colorato: un alone. Di solito un tale alone si forma a causa del riflesso della luce delle gocce di rugiada su un prato erboso. I Gloria sono anche abbastanza comuni da trovare attorno all'ombra che l'aereo proietta sulle nuvole sottostanti.
I fantasmi del Brocken. In alcune regioni del globo, quando l'ombra di un osservatore su una collina, all'alba o al tramonto, cade alle sue spalle su nuvole poste a breve distanza, si rivela un effetto sorprendente: l'ombra acquista dimensioni colossali. Ciò è dovuto al riflesso e alla rifrazione della luce da parte delle più piccole goccioline d'acqua nella nebbia. Il fenomeno descritto è chiamato il "fantasma del Brocken" dalla vetta delle montagne dell'Harz in Germania.
Miraggi- un effetto ottico causato dalla rifrazione della luce quando passa attraverso strati d'aria di diversa densità e si esprime nell'aspetto di un'immagine virtuale. In questo caso, gli oggetti distanti possono risultare sollevati o abbassati rispetto alla loro posizione effettiva, e possono anche essere distorti e acquisire forme irregolari e fantastiche. I miraggi sono spesso osservati nei climi caldi, come nelle pianure sabbiose. I miraggi inferiori sono comuni, quando la superficie del deserto lontana e quasi piatta assume l'aspetto di mare aperto, specialmente se vista da una leggera elevazione o semplicemente sopra uno strato di aria riscaldata. Un'illusione simile di solito si verifica su una strada asfaltata riscaldata che sembra una superficie d'acqua molto più avanti. In realtà, questa superficie è un riflesso del cielo. Al di sotto del livello degli occhi, in questa "acqua" possono apparire oggetti, di solito capovolti. Una "torta d'aria" si forma sopra la superficie terrestre riscaldata e lo strato più vicino alla terra è il più riscaldato e così rarefatto che le onde luminose che lo attraversano sono distorte, poiché la loro velocità di propagazione varia a seconda della densità del mezzo. I miraggi superiori sono meno comuni e più scenografici dei miraggi inferiori. Gli oggetti distanti (spesso sotto l'orizzonte del mare) appaiono capovolti nel cielo e talvolta appare anche un'immagine diretta dello stesso oggetto sopra. Questo fenomeno è tipico delle regioni fredde, soprattutto in presenza di una significativa inversione di temperatura, quando uno strato d'aria più caldo si trova al di sopra dello strato più freddo. Questo effetto ottico si manifesta come risultato di complessi schemi di propagazione del fronte delle onde luminose in strati d'aria con una densità non uniforme. Di tanto in tanto si verificano miraggi molto insoliti, specialmente nelle regioni polari. Quando si verificano miraggi sulla terra, gli alberi e le altre componenti del paesaggio vengono capovolte. In tutti i casi, gli oggetti nei miraggi superiori sono più chiaramente visibili che in quelli inferiori. Quando il confine di due masse d'aria è un piano verticale, a volte si osservano miraggi laterali.
Il fuoco di Sant'Elmo. Alcuni fenomeni ottici nell'atmosfera (ad esempio bagliore e il fenomeno meteorologico più comune - fulmine) sono di natura elettrica. Molto meno comuni sono gli incendi di Sant'Elmo - pennelli luminosi azzurri o viola lunghi da 30 cm a 1 m o più, solitamente sulla sommità degli alberi o alle estremità dei cantieri delle navi in ​​mare. A volte sembra che l'intero sartiame della nave sia ricoperto di fosforo e bagliori. I fuochi di Elmo a volte compaiono sulle cime delle montagne, così come sulle guglie e sugli angoli acuti di edifici alti. Questo fenomeno è costituito da scariche elettriche a spazzola alle estremità dei conduttori elettrici, quando l'intensità del campo elettrico è notevolmente aumentata nell'atmosfera che li circonda. I fuochi fatui sono un debole bagliore bluastro o verdastro che a volte si vede nelle paludi, nei cimiteri e nelle cripte. Spesso appaiono come una fiamma di candela che brucia con calma, senza riscaldamento, sollevata a circa 30 cm dal suolo, che si libra per un momento sull'oggetto. La luce sembra essere del tutto sfuggente e, man mano che l'osservatore si avvicina, sembra spostarsi in un altro luogo. La ragione di questo fenomeno è la decomposizione dei residui organici e la combustione spontanea del gas di palude metano (CH4) o fosfina (PH3). Le luci erranti hanno una forma diversa, a volte anche sferica. Raggio verde: un lampo di luce solare verde smeraldo nel momento in cui l'ultimo raggio di sole scompare sotto l'orizzonte. La componente rossa della luce solare scompare per prima, tutte le altre seguono in ordine e il verde smeraldo rimane per ultimo. Questo fenomeno si verifica solo quando solo il bordo stesso del disco solare rimane sopra l'orizzonte, altrimenti c'è una miscela di colori. I raggi crepuscolari sono fasci di luce solare divergenti che diventano visibili quando illuminano la polvere nell'alta atmosfera. Le ombre delle nuvole formano bande scure e i raggi si propagano tra di loro. Questo effetto si verifica quando il Sole è basso sull'orizzonte prima dell'alba o dopo il tramonto.

Atmosfera

L'atmosfera è il guscio gassoso che circonda la Terra. È tenuto in posizione dalla forza di gravità della Terra, sotto l'influenza della quale la maggior parte dei gas si accumula sopra la superficie della terra - nello strato più basso dell'atmosfera - la troposfera.

Viviamo nello strato più basso dell'atmosfera. Gli aerei volano in uno strato chiamato atmosfera. Fenomeni come le aurore negli emisferi settentrionale e meridionale hanno origine nella termosfera. Sopra c'è lo spazio.

Strati dell'atmosfera

Quanti strati ci sono nell'atmosfera?

Ci sono cinque strati principali dell'atmosfera. Lo strato più basso, la troposfera, si trova a 18 km sopra la superficie terrestre. Lo strato successivo - la stratosfera - si estende per un'altezza di 50 km, sopra - la mesosfera - a circa 80 km sopra la terra. Lo strato più in alto è chiamato termosfera. Più in alto si sale, meno densa diventa l'atmosfera; sopra i 1000 km, l'atmosfera terrestre quasi scompare e l'esosfera (un quinto strato molto rarefatto) passa nel vuoto.

In che modo l'atmosfera ci protegge?

La stratosfera contiene uno strato di ozono (un composto di tre atomi di ossigeno) che forma uno scudo protettivo che tiene fuori la maggior parte delle radiazioni ultraviolette dannose. Ai margini dell'atmosfera ci sono due zone di radiazione, conosciute come le cinture di Van Allen, che riflettono anch'esse i raggi cosmici come uno scudo.

Perchè il cielo è blu?

La luce del sole viaggia attraverso l'atmosfera e viene dispersa, riflettendo piccole particelle di polvere e vapore acqueo nell'aria. Questo è il modo in cui la luce solare bianca viene scomposta in parti spettrali, i colori dell'arcobaleno: i raggi blu si diffondono più velocemente degli altri. Di conseguenza, vediamo più blu di qualsiasi altro colore nello spettro solare, motivo per cui il cielo appare blu.

Le nuvole cambiano continuamente forma. Il motivo è il vento. Alcuni si alzano in grandi masse, altri assomigliano a piume leggere. A volte le nuvole coprono completamente il cielo sopra di noi.

L'atmosfera terrestre è l'involucro gassoso del nostro pianeta. Il suo confine inferiore passa al livello della crosta terrestre e dell'idrosfera, e quello superiore passa nella regione dello spazio esterno vicino alla Terra. L'atmosfera contiene circa il 78% di azoto, il 20% di ossigeno, fino all'1% di argon, anidride carbonica, idrogeno, elio, neon e alcuni altri gas.

Questo guscio di terra è caratterizzato da una stratificazione chiaramente definita. Gli strati dell'atmosfera sono determinati dalla distribuzione verticale della temperatura e dalla diversa densità dei gas ai suoi diversi livelli. Ci sono tali strati dell'atmosfera terrestre: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, esosfera. La ionosfera si distingue separatamente.

Fino all'80% della massa totale dell'atmosfera è la troposfera, lo strato superficiale inferiore dell'atmosfera. La troposfera nelle zone polari si trova a un livello fino a 8-10 km sopra la superficie terrestre, nella zona tropicale - fino a un massimo di 16-18 km. Tra la troposfera e la stratosfera sovrastante c'è la tropopausa, lo strato di transizione. Nella troposfera, la temperatura diminuisce all'aumentare dell'altitudine e la pressione atmosferica diminuisce con l'altitudine. Il gradiente di temperatura medio nella troposfera è di 0,6°C per 100 m La temperatura ai diversi livelli di questo guscio è determinata dall'assorbimento della radiazione solare e dall'efficienza della convezione. Quasi tutta l'attività umana si svolge nella troposfera. Le montagne più alte non vanno oltre la troposfera, solo il trasporto aereo può attraversare il confine superiore di questo guscio a una piccola altezza ed essere nella stratosfera. Una gran parte del vapore acqueo è contenuta nella troposfera, che determina la formazione di quasi tutte le nubi. Inoltre, quasi tutti gli aerosol (polvere, fumo, ecc.) che si formano sulla superficie terrestre sono concentrati nella troposfera. Nello strato limite inferiore della troposfera si esprimono le fluttuazioni giornaliere della temperatura e dell'umidità dell'aria, la velocità del vento è generalmente ridotta (aumenta con l'altitudine). Nella troposfera c'è una divisione variabile della colonna d'aria in masse d'aria in direzione orizzontale, che differiscono per una serie di caratteristiche a seconda della cintura e dell'area della loro formazione. Ai fronti atmosferici - i confini tra le masse d'aria - si formano cicloni e anticicloni, che determinano il tempo in una determinata area per un determinato periodo di tempo.

La stratosfera è lo strato dell'atmosfera tra la troposfera e la mesosfera. I limiti di questo strato vanno da 8-16 km a 50-55 km sopra la superficie terrestre. Nella stratosfera, la composizione gassosa dell'aria è approssimativamente la stessa della troposfera. Una caratteristica distintiva è una diminuzione della concentrazione di vapore acqueo e un aumento del contenuto di ozono. Lo strato di ozono dell'atmosfera, che protegge la biosfera dagli effetti aggressivi della luce ultravioletta, si trova a un livello compreso tra 20 e 30 km. Nella stratosfera la temperatura aumenta con l'altezza, e i valori di temperatura sono determinati dalla radiazione solare e non dalla convezione (movimenti delle masse d'aria), come nella troposfera. Il riscaldamento dell'aria nella stratosfera è dovuto all'assorbimento della radiazione ultravioletta da parte dell'ozono.

La mesosfera si estende sopra la stratosfera fino a un livello di 80 km. Questo strato dell'atmosfera è caratterizzato dal fatto che la temperatura diminuisce da 0 ° C a - 90 ° C all'aumentare dell'altezza.Questa è la regione più fredda dell'atmosfera.

Sopra la mesosfera c'è la termosfera fino a un livello di 500 km. Dal confine con la mesosfera all'esosfera, la temperatura varia da circa 200 K a 2000 K. Fino a un livello di 500 km, la densità dell'aria diminuisce di diverse centinaia di migliaia di volte. La composizione relativa dei componenti atmosferici della termosfera è simile allo strato superficiale della troposfera, ma con l'aumentare dell'altitudine, più ossigeno passa allo stato atomico. Una certa proporzione di molecole e atomi della termosfera è in uno stato ionizzato e distribuita in più strati, sono accomunati dal concetto di ionosfera. Le caratteristiche della termosfera variano in un ampio intervallo a seconda della latitudine geografica, della quantità di radiazione solare, del periodo dell'anno e del giorno.

Lo strato superiore dell'atmosfera è l'esosfera. Questo è lo strato più sottile dell'atmosfera. Nell'esosfera, i percorsi liberi medi delle particelle sono così enormi che le particelle possono fuggire liberamente nello spazio interplanetario. La massa dell'esosfera è un decimilionesimo della massa totale dell'atmosfera. Il limite inferiore dell'esosfera è il livello di 450-800 km e il limite superiore è l'area in cui la concentrazione di particelle è la stessa dello spazio esterno, a diverse migliaia di chilometri dalla superficie terrestre. L'esosfera è costituita da plasma, un gas ionizzato. Anche nell'esosfera ci sono le cinture di radiazioni del nostro pianeta.

Presentazione video - strati dell'atmosfera terrestre:

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