Struktur diagram atmosfer bumi berdasarkan lapisan. Ukuran atmosfer bumi. Atmosfer terbagi menjadi lapisan apa?

Atmosfer mulai terbentuk seiring dengan terbentuknya bumi. Selama evolusi planet ini dan ketika parameternya mendekati nilai modern, perubahan kualitatif mendasar terjadi pada komposisi kimia dan sifat fisiknya. Menurut model evolusi, pada tahap awal bumi berada dalam keadaan cair dan sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu terbentuk sebagai benda padat. Tonggak sejarah ini diambil sebagai awal kronologi geologi. Sejak saat itu, evolusi atmosfer yang lambat dimulai. Beberapa proses geologi (misalnya pencurahan lahar saat letusan gunung berapi) disertai dengan keluarnya gas dari perut bumi. Mereka termasuk nitrogen, amonia, metana, uap air, CO oksida dan karbon dioksida CO 2. Di bawah pengaruh radiasi ultraviolet matahari, uap air terurai menjadi hidrogen dan oksigen, tetapi oksigen yang dilepaskan bereaksi dengan karbon monoksida membentuk karbon dioksida. Amonia terurai menjadi nitrogen dan hidrogen. Selama proses difusi, hidrogen naik ke atas dan meninggalkan atmosfer, dan nitrogen yang lebih berat tidak dapat menguap dan terakumulasi secara bertahap, menjadi komponen utama, meskipun sebagian darinya terikat menjadi molekul sebagai akibat dari reaksi kimia ( cm. KIMIA SUASANA). Di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan pelepasan listrik, campuran gas yang ada di atmosfer asli bumi mengalami reaksi kimia, yang mengakibatkan terbentuknya zat organik, khususnya asam amino. Dengan munculnya tumbuhan primitif, proses fotosintesis dimulai, disertai dengan pelepasan oksigen. Gas ini, terutama setelah berdifusi ke lapisan atas atmosfer, mulai melindungi lapisan bawah dan permukaan bumi dari radiasi ultraviolet dan sinar-X yang mengancam jiwa. Menurut perkiraan teoritis, kandungan oksigen, yang 25.000 kali lebih sedikit dari sekarang, sudah dapat menyebabkan pembentukan lapisan ozon dengan konsentrasi hanya setengah dari sekarang. Namun, ini sudah cukup untuk memberikan perlindungan yang sangat signifikan bagi organisme dari efek merusak sinar ultraviolet.

Kemungkinan besar atmosfer primer mengandung banyak karbon dioksida. Itu digunakan selama fotosintesis, dan konsentrasinya pasti menurun seiring dengan berkembangnya dunia tumbuhan dan juga karena penyerapan selama proses geologi tertentu. Karena Efek rumah kaca terkait dengan keberadaan karbon dioksida di atmosfer, fluktuasi konsentrasinya adalah salah satu alasan penting terjadinya perubahan iklim berskala besar dalam sejarah bumi seperti zaman es.

Helium yang ada di atmosfer modern sebagian besar merupakan produk peluruhan radioaktif uranium, thorium, dan radium. Unsur radioaktif ini memancarkan partikel yang merupakan inti atom helium. Karena selama peluruhan radioaktif muatan listrik tidak terbentuk atau dimusnahkan, dengan pembentukan setiap partikel a, muncul dua elektron, yang bergabung kembali dengan partikel a, membentuk atom helium netral. Unsur radioaktif terkandung dalam mineral yang tersebar di batuan, sehingga sebagian besar helium yang terbentuk akibat peluruhan radioaktif tertahan di dalamnya, keluar dengan sangat lambat ke atmosfer. Sejumlah helium naik ke eksosfer karena difusi, tetapi karena aliran masuk yang konstan dari permukaan bumi, volume gas ini di atmosfer hampir tidak berubah. Berdasarkan analisis spektral cahaya bintang dan studi tentang meteorit, kelimpahan relatif berbagai unsur kimia di alam semesta dapat diperkirakan. Konsentrasi neon di luar angkasa kira-kira sepuluh miliar kali lebih tinggi daripada di Bumi, kripton sepuluh juta kali lipat, dan xenon satu juta kali lipat. Oleh karena itu, konsentrasi gas-gas inert ini, yang awalnya terdapat di atmosfer bumi dan tidak terisi kembali selama reaksi kimia, menurun drastis, bahkan mungkin pada tahap hilangnya atmosfer utama bumi. Pengecualian adalah gas inert argon, karena dalam bentuk isotop 40 Ar masih terbentuk selama peluruhan radioaktif isotop kalium.

Distribusi tekanan barometrik.

Berat total gas di atmosfer adalah sekitar 4,5 · 10 15 ton. Jadi, “berat” atmosfer per satuan luas, atau tekanan atmosfer, di permukaan laut adalah sekitar 11 t/m 2 = 1,1 kg/cm 2. Tekanan sama dengan P 0 = 1033,23 g/cm 2 = 1013,250 mbar = 760 mm Hg. Seni. = 1 atm, diambil sebagai tekanan atmosfer rata-rata standar. Untuk atmosfer dalam keadaan kesetimbangan hidrostatik kita mempunyai: d P= –rgd H, ini berarti dalam interval ketinggian dari H sebelum H+ d H terjadi kesetaraan antara perubahan tekanan atmosfer d P dan berat unsur atmosfer yang bersesuaian dengan satuan luas, massa jenis r, dan ketebalan d H. Sebagai hubungan antar tekanan R dan suhu T Persamaan keadaan gas ideal dengan massa jenis r yang cukup dapat diterapkan pada atmosfer bumi digunakan: P= r R T/m, dengan m adalah berat molekul, dan R = 8,3 J/(K mol) adalah konstanta gas universal. Lalu Dlog P= – (m g/RT)D H= – bd H= –d H/H, dimana gradien tekanan berada pada skala logaritmik. Nilai kebalikannya H disebut skala ketinggian atmosfer.

Saat mengintegrasikan persamaan ini untuk atmosfer isotermal ( T= const) atau untuk bagiannya di mana perkiraan seperti itu diperbolehkan, hukum barometrik distribusi tekanan dengan ketinggian diperoleh: P = P 0 pengalaman(– H/H 0), dimana referensi ketinggian H dihasilkan dari permukaan laut, dimana tekanan rata-rata standarnya berada P 0 . Ekspresi H 0 = R T/ mg, disebut skala ketinggian, yang mencirikan luasnya atmosfer, asalkan suhu di dalamnya sama di semua tempat (atmosfer isotermal). Jika atmosfer tidak isotermal, maka integrasi harus memperhitungkan perubahan suhu terhadap ketinggian, dan parameternya N– beberapa karakteristik lokal lapisan atmosfer, bergantung pada suhu dan sifat lingkungannya.

Suasana standar.

Model (tabel nilai parameter utama) yang sesuai dengan tekanan standar di dasar atmosfer R 0 dan komposisi kimianya disebut atmosfer standar. Lebih tepatnya, ini adalah model atmosfer bersyarat, yang menentukan nilai rata-rata suhu, tekanan, kepadatan, viskositas, dan karakteristik udara lainnya pada ketinggian 2 km di bawah permukaan laut hingga batas luar atmosfer bumi. untuk garis lintang 45° 32ў 33І. Parameter atmosfer tengah pada semua ketinggian dihitung menggunakan persamaan keadaan gas ideal dan hukum barometrik dengan asumsi tekanan di permukaan laut adalah 1013,25 hPa (760 mm Hg) dan suhu 288,15 K (15,0 °C). Berdasarkan sifat distribusi suhu vertikal, atmosfer rata-rata terdiri dari beberapa lapisan, yang masing-masing lapisan suhunya didekati dengan fungsi linier ketinggian. Di lapisan terendah - troposfer (h Ј 11 km) suhu turun 6,5 ° C dengan setiap kenaikan kilometer. Di dataran tinggi, nilai dan tanda gradien suhu vertikal berubah dari lapisan ke lapisan. Di atas 790 km suhunya sekitar 1000 K dan praktis tidak berubah seiring ketinggian.

Suasana standar adalah standar yang diperbarui secara berkala dan disahkan, diterbitkan dalam bentuk tabel.

Tabel 1. Model standar atmosfer bumi

Tabel 1. MODEL STANDAR SUASANA BUMI. Tabel tersebut menunjukkan: H– ketinggian dari permukaan laut, R- tekanan, T– suhu, r – kepadatan, N– jumlah molekul atau atom per satuan volume, H– skala tinggi badan, aku– panjang jalur bebas. Tekanan dan suhu pada ketinggian 80–250 km yang diperoleh dari data roket memiliki nilai yang lebih rendah. Nilai ketinggian lebih dari 250 km yang diperoleh dengan ekstrapolasi tidak terlalu akurat.
H(km)	P(mbar)	T(°C)	R (g/cm 3)	N(cm –3)	H(km)	aku(cm)
0	1013	288	1,22 10 –3	2,55 10 19	8,4	7.4·10 –6
1	899	281	1.11·10 –3	2.31 10 19		8.1·10 –6
2	795	275	1,01·10 –3	2.10 10 19		8.9·10 –6
3	701	268	9.1·10 –4	1,89 10 19		9.9·10 –6
4	616	262	8.2·10 –4	1,70 10 19		1.1·10 –5
5	540	255	7.4·10 –4	1,53 10 19	7,7	1.2·10 –5
6	472	249	6.6·10 –4	1,37 10 19		1.4·10 –5
8	356	236	5.2·10 -4	1,09 10 19		1.7·10 –5
10	264	223	4.1·10 –4	8.6 10 18	6,6	2.2·10 –5
15	121	214	1,93·10 –4	4.0 10 18		4.6·10 –5
20	56	214	8.9·10 –5	1,85 10 18	6,3	1.0·10 –4
30	12	225	1.9·10 –5	3,9 10 17	6,7	4.8·10 –4
40	2,9	268	3.9·10 –6	7.6 10 16	7,9	2.4·10 –3
50	0,97	276	1.15·10 –6	2.4 10 16	8,1	8.5·10 –3
60	0,28	260	3.9·10 –7	7.7 10 15	7,6	0,025
70	0,08	219	1.1·10 –7	2,5 10 15	6,5	0,09
80	0,014	205	2.7·10 –8	5.0 10 14	6,1	0,41
90	2.8·10 –3	210	5.0·10 –9	9·10 13	6,5	2,1
100	5.8·10 –4	230	8.8·10 –10	1,8 10 13	7,4	9
110	1.7·10 –4	260	2.1·10 –10	5.4 10 12	8,5	40
120	6·10 –5	300	5.6·10 –11	1,8 10 12	10,0	130
150	5·10 –6	450	3.2·10 –12	9 10 10	15	1,8 10 3
200	5·10 –7	700	1.6·10 –13	5 10 9	25	3 10 4
250	9·10 –8	800	3·10 –14	8 10 8	40	3·10 5
300	4·10 –8	900	8·10 –15	3 10 8	50
400	8·10 –9	1000	1·10 –15	5 10 7	60
500	2·10 –9	1000	2·10 –16	1·10 7	70
700	2·10 –10	1000	2·10 –17	1 10 6	80
1000	1·10 –11	1000	1·10 –18	1·10 5	80

Troposfer.

Lapisan atmosfer yang paling rendah dan paling padat, yang suhunya menurun dengan cepat seiring bertambahnya ketinggian, disebut troposfer. Ini berisi hingga 80% dari total massa atmosfer dan meluas di kutub dan garis lintang tengah hingga ketinggian 8–10 km, dan di daerah tropis hingga 16–18 km. Hampir semua proses pembentukan cuaca berkembang di sini, pertukaran panas dan kelembaban antara bumi dan atmosfernya terjadi, awan terbentuk, berbagai fenomena meteorologi terjadi, kabut dan curah hujan terjadi. Lapisan atmosfer bumi ini berada dalam kesetimbangan konvektif dan, berkat pencampuran aktif, memiliki komposisi kimia yang homogen, terutama terdiri dari molekul nitrogen (78%) dan oksigen (21%). Sebagian besar polutan udara aerosol dan gas alam dan buatan manusia terkonsentrasi di troposfer. Dinamika troposfer bagian bawah, yang tebalnya mencapai 2 km, sangat bergantung pada sifat-sifat permukaan bumi di bawahnya, yang menentukan pergerakan udara (angin) secara horizontal dan vertikal yang disebabkan oleh perpindahan panas dari daratan yang lebih hangat. melalui radiasi infra merah permukaan bumi, yang diserap di troposfer, terutama oleh uap air dan karbon dioksida (efek rumah kaca). Distribusi suhu dengan ketinggian terjadi sebagai hasil pencampuran turbulen dan konvektif. Rata-rata, ini setara dengan penurunan suhu dengan ketinggian sekitar 6,5 K/km.

Kecepatan angin di lapisan batas permukaan awalnya meningkat pesat seiring dengan ketinggian, dan di atasnya terus meningkat sebesar 2–3 km/s per kilometer. Terkadang aliran planet yang sempit (dengan kecepatan lebih dari 30 km/s) muncul di troposfer, bagian barat di garis lintang tengah, dan bagian timur dekat khatulistiwa. Mereka disebut aliran jet.

Tropopause.

Di batas atas troposfer (tropopause), suhu mencapai nilai minimum untuk atmosfer bagian bawah. Ini adalah lapisan transisi antara troposfer dan stratosfer yang terletak di atasnya. Ketebalan tropopause berkisar antara ratusan meter hingga 1,5–2 km, dan suhu serta ketinggian masing-masing berkisar antara 190 hingga 220 K dan dari 8 hingga 18 km, bergantung pada garis lintang dan musim. Di daerah beriklim sedang dan lintang tinggi pada musim dingin suhunya 1–2 km lebih rendah dibandingkan pada musim panas dan 8–15 K lebih hangat. Di daerah tropis, perubahan musim jauh lebih sedikit (ketinggian 16–18 km, suhu 180–200 K). Di atas aliran jet istirahat tropopause mungkin terjadi.

Air di atmosfer bumi.

Ciri terpenting atmosfer bumi adalah adanya sejumlah besar uap air dan air dalam bentuk tetesan, yang paling mudah diamati dalam bentuk awan dan struktur awan. Derajat tutupan awan di langit (pada saat tertentu atau rata-rata dalam jangka waktu tertentu), yang dinyatakan dalam skala 10 atau persentase, disebut kekeruhan. Bentuk awan ditentukan menurut klasifikasi internasional. Rata-rata, awan menutupi separuh bumi. Kekeruhan merupakan faktor penting yang menjadi ciri cuaca dan iklim. Di musim dingin dan malam hari, kekeruhan mencegah penurunan suhu permukaan bumi dan lapisan udara terestrial; di musim panas dan siang hari, hal ini melemahkan pemanasan permukaan bumi oleh sinar matahari, sehingga melunakkan iklim di dalam benua. .

Awan.

Awan adalah kumpulan tetesan air yang tersuspensi di atmosfer (awan air), kristal es (awan es), atau keduanya secara bersamaan (awan campuran). Ketika tetesan dan kristal menjadi lebih besar, mereka jatuh dari awan dalam bentuk presipitasi. Awan terbentuk terutama di troposfer. Mereka timbul akibat kondensasi uap air yang terkandung di udara. Diameter tetesan awan berada pada urutan beberapa mikron. Kandungan air cair di awan berkisar dari pecahan hingga beberapa gram per m3. Awan diklasifikasikan berdasarkan ketinggian: Menurut klasifikasi internasional, ada 10 jenis awan: cirrus, cirrocumulus, cirrostratus, altocumulus, altostratus, nimbostratus, stratus, stratocumulus, cumulonimbus, cumulus.

Awan mutiara juga terlihat di stratosfer, dan awan noktilusen terlihat di mesosfer.

Awan cirrus merupakan awan transparan berupa benang atau selubung tipis berwarna putih dengan kilau halus yang tidak memberikan bayangan. Awan Cirrus terdiri dari kristal es dan terbentuk di troposfer atas pada suhu yang sangat rendah. Beberapa jenis awan cirrus berfungsi sebagai pertanda perubahan cuaca.

Awan Cirrocumulus adalah punggungan atau lapisan awan putih tipis di troposfer atas. Awan Cirrocumulus dibangun dari elemen-elemen kecil yang terlihat seperti serpihan, riak, bola-bola kecil tanpa bayangan dan sebagian besar terdiri dari kristal es.

Awan Cirrostratus adalah selubung tembus keputihan di troposfer atas, biasanya berserat, kadang kabur, terdiri dari kristal es kecil berbentuk jarum atau kolumnar.

Awan Altocumulus adalah awan berwarna putih, abu-abu, atau putih abu-abu yang terletak di lapisan bawah dan tengah troposfer. Awan altocumulus tampak berlapis-lapis dan berbukit-bukit, seolah-olah dibangun dari lempengan-lempengan, massa bulat, poros, serpihan yang bertumpuk satu sama lain. Awan altocumulus terbentuk selama aktivitas konvektif yang intens dan biasanya terdiri dari tetesan air yang sangat dingin.

Awan Altostratus adalah awan berwarna keabu-abuan atau kebiruan dengan struktur berserat atau seragam. Awan Altostratus diamati di troposfer tengah, tingginya mencapai beberapa kilometer dan terkadang ribuan kilometer dalam arah horizontal. Biasanya, awan altostratus merupakan bagian dari sistem awan frontal yang terkait dengan pergerakan massa udara ke atas.

Awan Nimbostratus adalah lapisan awan amorf rendah (dari 2 km ke atas) dengan warna abu-abu seragam, sehingga menimbulkan hujan atau salju terus menerus. Awan Nimbostratus sangat berkembang secara vertikal (hingga beberapa km) dan horizontal (beberapa ribu km), terdiri dari tetesan air yang sangat dingin bercampur dengan kepingan salju, biasanya berhubungan dengan front atmosfer.

Awan stratus adalah awan tingkat bawah yang berbentuk lapisan homogen tanpa garis pasti, berwarna abu-abu. Ketinggian awan stratus di atas permukaan bumi adalah 0,5–2 km. Sesekali gerimis turun dari awan stratus.

Awan Cumulus adalah awan padat berwarna putih cerah pada siang hari dengan perkembangan vertikal yang signifikan (hingga 5 km atau lebih). Bagian atas awan kumulus tampak seperti kubah atau menara dengan garis membulat. Biasanya, awan kumulus muncul sebagai awan konveksi pada massa udara dingin.

Awan stratocumulus adalah awan rendah (di bawah 2 km) yang berbentuk lapisan tidak berserat berwarna abu-abu atau putih atau bubungan balok-balok besar berbentuk bulat. Ketebalan vertikal awan stratocumulus kecil. Kadang-kadang, awan stratocumulus menghasilkan curah hujan ringan.

Awan kumulonimbus adalah awan yang kuat dan padat dengan perkembangan vertikal yang kuat (sampai ketinggian 14 km), menghasilkan hujan lebat disertai badai petir, hujan es, dan badai petir. Awan kumulonimbus berkembang dari awan kumulus yang kuat, berbeda dengan awan kumulus di bagian atasnya yang terdiri dari kristal es.

Stratosfir.

Melalui tropopause, rata-rata pada ketinggian 12 hingga 50 km, troposfer masuk ke stratosfer. Di bagian bawah, sekitar 10 km, yaitu. hingga ketinggian sekitar 20 km, bersifat isotermal (suhu sekitar 220 K). Kemudian meningkat seiring ketinggian, mencapai maksimum sekitar 270 K pada ketinggian 50–55 km. Inilah batas antara stratosfer dan mesosfer di atasnya, yang disebut stratopause. .

Uap air di stratosfer jauh lebih sedikit. Namun, awan mutiara tipis tembus cahaya kadang-kadang terlihat, kadang-kadang muncul di stratosfer pada ketinggian 20–30 km. Awan mutiara terlihat di langit gelap setelah matahari terbenam dan sebelum matahari terbit. Bentuk awan nacreous menyerupai awan cirrus dan cirrocumulus.

Suasana tengah (mesosfer).

Pada ketinggian sekitar 50 km, mesosfer dimulai dari puncak suhu maksimum yang luas . Penyebabnya adalah kenaikan suhu di wilayah maksimum ini adalah reaksi fotokimia dekomposisi ozon yang eksotermik (yaitu disertai dengan pelepasan panas): O 3 + hv® O 2 + O. Ozon muncul sebagai hasil dekomposisi fotokimia molekul oksigen O 2

HAI 2 + hv® O + O dan reaksi selanjutnya dari tumbukan rangkap tiga atom dan molekul oksigen dengan molekul ketiga M.

O + O 2 + M ® O 3 + M

Ozon dengan rakus menyerap radiasi ultraviolet di wilayah tersebut dari tahun 2000 hingga 3000 Å, dan radiasi ini memanaskan atmosfer. Ozon yang terletak di bagian atas atmosfer berfungsi sebagai semacam perisai yang melindungi kita dari pengaruh radiasi ultraviolet Matahari. Tanpa perisai ini, perkembangan kehidupan di Bumi dalam bentuk modernnya tidak akan mungkin terjadi.

Secara umum, di seluruh mesosfer, suhu atmosfer menurun hingga nilai minimumnya sekitar 180 K di batas atas mesosfer (disebut mesopause, ketinggian sekitar 80 km). Di sekitar mesopause, pada ketinggian 70–90 km, lapisan kristal es yang sangat tipis dan partikel debu vulkanik dan meteorit mungkin muncul, diamati dalam bentuk pemandangan indah awan noctilucent. sesaat setelah matahari terbenam.

Di mesosfer, partikel meteorit padat kecil yang jatuh ke bumi sehingga menyebabkan fenomena meteor sebagian besar terbakar.

Meteor, meteorit, dan bola api.

Flare dan fenomena lain di lapisan atas atmosfer bumi yang disebabkan oleh intrusi partikel atau benda padat kosmik ke dalamnya dengan kecepatan 11 km/s atau lebih tinggi disebut meteoroid. Jejak meteor terang yang dapat diamati muncul; fenomena paling dahsyat yang sering disertai dengan jatuhnya meteorit disebut bola api; kemunculan meteor dikaitkan dengan hujan meteor.

Hujan meteor:

1) fenomena jatuhnya meteor berkali-kali dalam beberapa jam atau hari dari satu pancaran.

2) segerombolan meteoroid yang bergerak dalam orbit yang sama mengelilingi Matahari.

Kemunculan meteor secara sistematis di suatu wilayah langit tertentu dan pada hari-hari tertentu dalam setahun, yang disebabkan oleh perpotongan orbit bumi dengan orbit umum banyak benda meteorit yang bergerak dengan kecepatan yang kurang lebih sama dan berarah sama, karena yang jalur mereka di langit tampak muncul dari satu titik yang sama (bersinar). Mereka diberi nama berdasarkan konstelasi tempat pancaran cahaya berada.

Hujan meteor memberikan kesan yang mendalam dengan efek cahayanya, namun meteor individu jarang terlihat. Yang jauh lebih banyak adalah meteor yang tidak terlihat, terlalu kecil untuk terlihat saat terserap ke atmosfer. Beberapa meteor terkecil mungkin tidak memanas sama sekali, melainkan hanya tertangkap oleh atmosfer. Partikel kecil dengan ukuran mulai dari beberapa milimeter hingga seperseribu milimeter disebut mikrometeorit. Jumlah materi meteorik yang masuk ke atmosfer setiap harinya berkisar antara 100 hingga 10.000 ton, dengan mayoritas materi tersebut berasal dari mikrometeorit.

Karena sebagian materi meteorik terbakar di atmosfer, komposisi gasnya diisi ulang dengan jejak berbagai unsur kimia. Misalnya, meteor batuan memasukkan litium ke atmosfer. Pembakaran meteor logam mengarah pada pembentukan besi bulat kecil, besi-nikel, dan tetesan lainnya yang melewati atmosfer dan menetap di permukaan bumi. Mereka dapat ditemukan di Greenland dan Antartika, di mana lapisan esnya hampir tidak berubah selama bertahun-tahun. Ahli kelautan menemukannya di sedimen dasar laut.

Sebagian besar partikel meteor yang memasuki atmosfer mengendap dalam waktu sekitar 30 hari. Beberapa ilmuwan percaya bahwa debu kosmik ini berperan penting dalam pembentukan fenomena atmosfer seperti hujan karena berfungsi sebagai inti kondensasi uap air. Oleh karena itu, curah hujan diasumsikan secara statistik berhubungan dengan hujan meteor besar. Namun, beberapa ahli percaya bahwa karena total pasokan material meteorik puluhan kali lebih besar dibandingkan dengan hujan meteor terbesar sekalipun, perubahan jumlah total material yang dihasilkan dari satu kali hujan dapat diabaikan.

Namun, tidak ada keraguan bahwa mikrometeorit terbesar dan meteorit yang terlihat meninggalkan jejak ionisasi yang panjang di lapisan atas atmosfer, terutama di ionosfer. Jejak tersebut dapat digunakan untuk komunikasi radio jarak jauh, karena memantulkan gelombang radio frekuensi tinggi.

Energi meteor yang memasuki atmosfer dihabiskan terutama, dan mungkin seluruhnya, untuk memanaskannya. Ini adalah salah satu komponen kecil dari keseimbangan termal atmosfer.

Meteorit adalah benda padat alami yang jatuh ke permukaan bumi dari luar angkasa. Biasanya perbedaan dibuat antara meteorit berbatu, besi berbatu, dan besi. Yang terakhir ini terutama terdiri dari besi dan nikel. Di antara meteorit yang ditemukan, sebagian besar memiliki berat beberapa gram hingga beberapa kilogram. Yang terbesar yang ditemukan, meteorit besi Goba, memiliki berat sekitar 60 ton dan masih terletak di tempat yang sama saat ditemukan, di Afrika Selatan. Kebanyakan meteorit adalah pecahan asteroid, namun beberapa meteorit mungkin datang ke Bumi dari Bulan dan bahkan Mars.

Bolide adalah meteor yang sangat terang, terkadang terlihat bahkan pada siang hari, seringkali meninggalkan jejak berasap dan disertai fenomena suara; seringkali berakhir dengan jatuhnya meteorit.

Termosfer.

Di atas suhu minimum mesopause, termosfer dimulai, dimana suhu, mula-mula perlahan dan kemudian dengan cepat mulai naik lagi. Penyebabnya adalah penyerapan radiasi ultraviolet Matahari pada ketinggian 150–300 km, akibat ionisasi atom oksigen: O + hv® HAI++ e.

Di termosfer, suhu terus meningkat hingga ketinggian sekitar 400 km, yang mencapai 1800 K pada siang hari selama masa aktivitas matahari maksimum.Pada masa aktivitas matahari minimum, suhu batas ini bisa kurang dari 1000 K. Di atas 400 km, atmosfer berubah menjadi eksosfer isotermal. Tingkat kritis (dasar eksosfer) berada pada ketinggian sekitar 500 km.

Cahaya kutub dan banyak orbit satelit buatan, serta awan noctilucent - semua fenomena ini terjadi di mesosfer dan termosfer.

Lampu kutub.

Di lintang tinggi, aurora diamati selama gangguan medan magnet. Mereka mungkin berlangsung beberapa menit, namun sering terlihat selama beberapa jam. Aurora sangat bervariasi dalam bentuk, warna, dan intensitas, yang semuanya terkadang berubah dengan sangat cepat seiring berjalannya waktu. Spektrum aurora terdiri dari garis dan pita emisi. Beberapa emisi langit malam ditingkatkan dalam spektrum aurora, terutama garis hijau dan merah l 5577 Å dan l 6300 Å oksigen. Kebetulan salah satu garis ini berkali-kali lebih intens daripada yang lain, dan ini menentukan warna aurora yang terlihat: hijau atau merah. Gangguan medan magnet juga dibarengi dengan gangguan komunikasi radio di wilayah kutub. Penyebab gangguan tersebut adalah perubahan ionosfer, yang berarti selama terjadi badai magnet terdapat sumber ionisasi yang kuat. Telah ditetapkan bahwa badai magnet yang kuat terjadi ketika terdapat sekelompok besar bintik matahari di dekat pusat piringan matahari. Pengamatan menunjukkan bahwa badai tidak berhubungan dengan bintik matahari itu sendiri, tetapi dengan jilatan api matahari yang muncul selama perkembangan sekelompok bintik matahari.

Aurora adalah serangkaian cahaya dengan intensitas bervariasi dengan pergerakan cepat yang diamati di wilayah lintang tinggi di Bumi. Aurora visual mengandung garis emisi oksigen atom hijau (5577Å) dan merah (6300/6364Å) dan pita molekul N2, yang tereksitasi oleh partikel energik yang berasal dari matahari dan magnetosfer. Emisi ini biasanya muncul pada ketinggian sekitar 100 km ke atas. Istilah aurora optik digunakan untuk merujuk pada aurora visual dan spektrum emisinya dari wilayah inframerah hingga ultraviolet. Energi radiasi di bagian spektrum inframerah secara signifikan melebihi energi di wilayah tampak. Saat aurora muncul, emisi teramati pada kisaran ULF (

Bentuk sebenarnya dari aurora sulit untuk diklasifikasikan; Istilah yang paling umum digunakan adalah:

1. Busur atau garis yang tenang dan seragam. Busur tersebut biasanya memanjang ~1000 km ke arah paralel geomagnetik (menuju Matahari di wilayah kutub) dan memiliki lebar satu hingga beberapa puluh kilometer. Garis merupakan generalisasi dari konsep busur, biasanya tidak berbentuk busur beraturan, melainkan melengkung berbentuk huruf S atau berbentuk spiral. Busur dan garis terletak pada ketinggian 100–150 km.

2. Sinar aurora . Istilah ini mengacu pada struktur aurora yang memanjang sepanjang garis medan magnet, dengan luas vertikal beberapa puluh hingga beberapa ratus kilometer. Luas sinar horizontalnya kecil, dari beberapa puluh meter hingga beberapa kilometer. Sinar biasanya diamati dalam bentuk busur atau sebagai struktur terpisah.

3. Noda atau permukaan . Ini adalah area cahaya terisolasi yang tidak memiliki bentuk tertentu. Tempat-tempat individual mungkin terhubung satu sama lain.

4. Kerudung. Bentuk aurora yang tidak biasa, yaitu cahaya seragam yang menutupi sebagian besar langit.

Menurut strukturnya, aurora dibagi menjadi homogen, berongga, dan bercahaya. Berbagai istilah digunakan; busur berdenyut, permukaan berdenyut, permukaan menyebar, garis bercahaya, gorden, dll. Ada klasifikasi aurora menurut warnanya. Menurut klasifikasi ini, aurora termasuk dalam tipe A. Bagian atas atau seluruhnya berwarna merah (6300–6364 Å). Mereka biasanya muncul di ketinggian 300–400 km dengan aktivitas geomagnetik yang tinggi.

Tipe Aurora DI DALAM berwarna merah di bagian bawah dan berhubungan dengan pancaran pita sistem positif pertama N 2 dan sistem negatif pertama O 2. Bentuk aurora seperti ini muncul pada fase paling aktif aurora.

Zona lampu kutub – Ini adalah zona frekuensi maksimum aurora di malam hari menurut pengamat di suatu titik tetap di permukaan bumi. Zona tersebut terletak pada 67° Lintang Utara dan Selatan, dan lebarnya sekitar 6°. Kemunculan maksimum aurora, sesuai dengan momen waktu geomagnetik setempat, terjadi di sabuk berbentuk oval (oval aurora), yang terletak asimetris di sekitar kutub geomagnetik utara dan selatan. Aurora oval ditetapkan dalam koordinat lintang – waktu, dan zona aurora adalah lokus geometris dari titik-titik wilayah tengah malam oval dalam koordinat lintang – bujur. Sabuk oval terletak kira-kira 23° dari kutub geomagnetik pada sektor malam dan 15° pada sektor siang hari.

Zona aurora oval dan aurora. Lokasi aurora oval bergantung pada aktivitas geomagnetik. Oval menjadi lebih lebar pada aktivitas geomagnetik tinggi. Zona aurora atau batas oval aurora lebih baik diwakili oleh L 6.4 dibandingkan dengan koordinat dipol. Garis medan geomagnetik pada batas sektor siang hari oval aurora bertepatan magnetopause. Perubahan posisi oval aurora yang diamati tergantung pada sudut antara sumbu geomagnetik dan arah Bumi-Matahari. Oval aurora juga ditentukan berdasarkan data pengendapan partikel (elektron dan proton) dengan energi tertentu. Posisinya dapat ditentukan secara independen berdasarkan data Kaspakh di siang hari dan di ekor magnetosfer.

Variasi harian frekuensi kemunculan aurora di zona aurora maksimum pada tengah malam geomagnetik dan minimum pada tengah hari geomagnetik. Di sisi oval dekat khatulistiwa, frekuensi terjadinya aurora menurun tajam, namun bentuk variasi hariannya tetap dipertahankan. Di sisi kutub oval, frekuensi aurora menurun secara bertahap dan ditandai dengan perubahan harian yang kompleks.

Intensitas aurora.

Intensitas Aurora ditentukan dengan mengukur kecerahan permukaan semu. Permukaan luminositas SAYA aurora pada arah tertentu ditentukan oleh total emisi sebesar 4p SAYA foton/(cm 2 s). Karena nilai ini bukanlah kecerahan permukaan sebenarnya, namun mewakili emisi dari kolom, satuan foton/(cm 2 kolom s) biasanya digunakan saat mempelajari aurora. Satuan umum untuk mengukur total emisi adalah Rayleigh (Rl) yang sama dengan 10 6 foton/(cm 2 kolom s). Satuan intensitas aurora yang lebih praktis ditentukan oleh emisi suatu garis atau pita individu. Misalnya, intensitas aurora ditentukan oleh koefisien kecerahan internasional (IBRs) menurut intensitas garis hijau (5577 Å); 1 kRl = I MKY, 10 kRl = II MKY, 100 kRl = III MKY, 1000 kRl = IV MKY (intensitas maksimum aurora). Klasifikasi ini tidak dapat digunakan untuk aurora merah. Salah satu penemuan pada era tersebut (1957–1958) adalah terbentuknya sebaran spatiotemporal aurora berbentuk oval yang bergeser relatif terhadap kutub magnet. Dari ide sederhana tentang bentuk lingkaran sebaran aurora relatif terhadap kutub magnet pun ada Transisi ke fisika modern magnetosfer telah selesai. Kehormatan atas penemuan ini adalah milik O. Khorosheva, dan pengembangan ide aurora oval secara intensif dilakukan oleh G. Starkov, Y. Feldstein, S. I. Akasofu dan sejumlah peneliti lainnya. Oval aurora adalah wilayah dengan pengaruh angin matahari paling kuat di atmosfer bagian atas bumi. Intensitas aurora paling besar terjadi pada bentuk oval, dan dinamikanya terus dipantau menggunakan satelit.

Busur merah aurora yang stabil.

Busur merah aurora yang stabil, atau disebut busur merah garis lintang tengah atau M-arc, merupakan busur lebar subvisual (di bawah batas kepekaan mata), membentang dari timur ke barat sejauh ribuan kilometer dan kemungkinan mengelilingi seluruh Bumi. Panjang garis lintang busur adalah 600 km. Emisi busur merah aurora stabil hampir monokromatik pada garis merah l 6300 Å dan l 6364 Å. Baru-baru ini, garis emisi lemah l 5577 Å (OI) dan l 4278 Å (N+2) juga dilaporkan. Busur merah yang berkelanjutan diklasifikasikan sebagai aurora, tetapi muncul di ketinggian yang jauh lebih tinggi. Batas bawah berada pada ketinggian 300 km, batas atas sekitar 700 km. Intensitas busur merah aurora tenang pada emisi l 6300 Å berkisar antara 1 hingga 10 kRl (nilai tipikal 6 kRl). Ambang sensitivitas mata pada panjang gelombang ini adalah sekitar 10 kRl, sehingga busur jarang diamati secara visual. Namun, pengamatan menunjukkan bahwa kecerahannya >50 kRL pada 10% malam. Umur busur biasanya adalah sekitar satu hari, dan jarang muncul pada hari-hari berikutnya. Gelombang radio dari satelit atau sumber radio yang melintasi busur merah aurora yang persisten akan mengalami kilau, yang menunjukkan adanya ketidakhomogenan kerapatan elektron. Penjelasan teoretis untuk busur merah adalah elektron di wilayah tersebut memanas F Ionosfer menyebabkan peningkatan atom oksigen. Pengamatan satelit menunjukkan peningkatan suhu elektron di sepanjang garis medan geomagnetik yang memotong busur merah aurora yang persisten. Intensitas busur ini berkorelasi positif dengan aktivitas geomagnetik (badai), dan frekuensi kemunculan busur berkorelasi positif dengan aktivitas bintik matahari.

Mengubah aurora.

Beberapa bentuk aurora mengalami variasi intensitas kuasi-periodik dan koheren. Aurora dengan geometri yang mendekati stasioner dan variasi periodik cepat yang terjadi dalam fase disebut aurora berubah. Mereka diklasifikasikan sebagai aurora formulir R menurut Atlas Aurora Internasional Pembagian yang lebih rinci tentang perubahan aurora:

R 1 (Aurora berdenyut) adalah cahaya dengan variasi fase kecerahan yang seragam di seluruh bentuk aurora. Menurut definisi, dalam aurora berdenyut yang ideal, bagian spasial dan temporal dari denyut tersebut dapat dipisahkan, yaitu. kecerahan SAYA(r,t)= saya s(R)· DIA(T). Dalam aurora yang khas R 1 denyut terjadi dengan frekuensi 0,01 hingga 10 Hz dengan intensitas rendah (1–2 kRl). Kebanyakan aurora R 1 – ini adalah titik atau busur yang berdenyut dengan jangka waktu beberapa detik.

R 2 (aurora yang berapi-api). Istilah ini biasanya digunakan untuk merujuk pada gerakan seperti nyala api yang memenuhi langit, bukan untuk menggambarkan bentuk yang berbeda. Aurora berbentuk busur dan biasanya bergerak ke atas dari ketinggian 100 km. Aurora ini relatif jarang terjadi dan lebih sering terjadi di luar aurora.

R 3 (Aurora berkilauan). Ini adalah aurora dengan variasi kecerahan yang cepat, tidak teratur, atau teratur, sehingga memberikan kesan nyala api yang berkelap-kelip di langit. Mereka muncul sesaat sebelum aurora hancur. Frekuensi variasi yang biasanya diamati R 3 sama dengan 10 ± 3 Hz.

Istilah streaming aurora, yang digunakan untuk kelas lain dari aurora berdenyut, mengacu pada variasi kecerahan yang tidak teratur yang bergerak cepat secara horizontal dalam busur dan garis aurora.

Perubahan aurora merupakan salah satu fenomena matahari-terestrial yang menyertai denyut medan geomagnetik dan radiasi sinar-X aurora yang disebabkan oleh pengendapan partikel asal matahari dan magnetosfer.

Cahaya tutup kutub dicirikan oleh intensitas tinggi dari pita sistem negatif pertama N + 2 (l 3914 Å). Biasanya, pita N + 2 ini lima kali lebih intens daripada garis hijau OI l 5577 Å; intensitas absolut cahaya tutup kutub berkisar antara 0,1 hingga 10 kRl (biasanya 1–3 kRl). Selama aurora ini, yang muncul selama periode PCA, cahaya seragam menutupi seluruh tutup kutub hingga garis lintang geomagnetik 60° pada ketinggian 30 hingga 80 km. Hal ini dihasilkan terutama oleh proton matahari dan partikel d dengan energi 10–100 MeV, menciptakan ionisasi maksimum pada ketinggian ini. Ada jenis cahaya lain di zona aurora, yang disebut aurora mantel. Untuk jenis cahaya aurora ini, intensitas maksimum harian yang terjadi pada pagi hari adalah 1–10 kRL, dan intensitas minimumnya lima kali lebih lemah. Pengamatan terhadap aurora mantel sangat sedikit dan jarang terjadi; intensitasnya bergantung pada aktivitas geomagnetik dan matahari.

Cahaya atmosfer didefinisikan sebagai radiasi yang dihasilkan dan dipancarkan oleh atmosfer suatu planet. Ini adalah radiasi non-termal di atmosfer, kecuali emisi aurora, pelepasan petir, dan emisi jejak meteor. Istilah ini digunakan dalam kaitannya dengan atmosfer bumi (nightglow, twilight glow, dan dayglow). Cahaya atmosfer hanya merupakan sebagian dari cahaya yang tersedia di atmosfer. Sumber lain termasuk cahaya bintang, cahaya zodiak, dan cahaya menyebar siang hari dari Matahari. Kadang-kadang, cahaya atmosfer dapat mencapai hingga 40% dari total jumlah cahaya. Cahaya atmosfer terjadi di lapisan atmosfer dengan ketinggian dan ketebalan yang bervariasi. Spektrum cahaya atmosfer mencakup panjang gelombang dari 1000 Å hingga 22,5 mikron. Garis emisi utama dalam pendar atmosfer adalah l 5577 Å, muncul pada ketinggian 90–100 km pada lapisan setebal 30–40 km. Munculnya pendaran disebabkan oleh mekanisme Chapman, yang didasarkan pada rekombinasi atom oksigen. Garis emisi lainnya adalah l 6300 Å, muncul pada kasus rekombinasi disosiatif O + 2 dan emisi NI l 5198/5201 Å dan NI l 5890/5896 Å.

Intensitas pancaran udara diukur dalam Rayleigh. Kecerahan (dalam Rayleigh) sama dengan 4 rv, di mana b adalah kecerahan permukaan sudut lapisan yang memancarkan dalam satuan 10 6 foton/(cm 2 ster·s). Intensitas cahaya bergantung pada garis lintang (berbeda untuk emisi berbeda), dan juga bervariasi sepanjang hari dengan maksimum mendekati tengah malam. Korelasi positif tercatat untuk pancaran udara pada emisi l 5577 Å dengan jumlah bintik matahari dan fluks radiasi matahari pada panjang gelombang 10,7 cm Airglow diamati selama percobaan satelit. Dari luar angkasa tampak seperti cincin cahaya yang mengelilingi bumi dan berwarna kehijauan.

Ozonosfer.

Pada ketinggian 20–25 km, konsentrasi maksimum sejumlah kecil ozon O 3 tercapai (hingga 2×10 –7 kandungan oksigen!), yang timbul di bawah pengaruh radiasi ultraviolet matahari pada ketinggian sekitar 10 hingga 50 km, melindungi planet ini dari radiasi matahari pengion. Meskipun jumlah molekul ozon sangat kecil, mereka melindungi semua kehidupan di Bumi dari efek berbahaya radiasi gelombang pendek (ultraviolet dan sinar-X) dari Matahari. Jika Anda memasukkan semua molekul ke dasar atmosfer, Anda akan mendapatkan lapisan yang tebalnya tidak lebih dari 3–4 mm! Pada ketinggian di atas 100 km, proporsi gas ringan meningkat, dan pada ketinggian yang sangat tinggi, helium dan hidrogen mendominasi; banyak molekul berdisosiasi menjadi atom-atom individual, yang terionisasi di bawah pengaruh radiasi keras Matahari, membentuk ionosfer. Tekanan dan kepadatan udara di atmosfer bumi menurun seiring dengan ketinggian. Tergantung pada distribusi suhu, atmosfer bumi dibagi menjadi troposfer, stratosfer, mesosfer, termosfer, dan eksosfer. .

Pada ketinggian 20–25 km terdapat lapisan ozon. Ozon terbentuk akibat pemecahan molekul oksigen ketika menyerap radiasi ultraviolet Matahari dengan panjang gelombang lebih pendek dari 0,1–0,2 mikron. Oksigen bebas bergabung dengan molekul O2 dan membentuk ozon O3, yang dengan rakus menyerap semua radiasi ultraviolet yang lebih pendek dari 0,29 mikron. Molekul ozon O3 mudah dihancurkan oleh radiasi gelombang pendek. Oleh karena itu, meskipun tipis, lapisan ozon secara efektif menyerap radiasi ultraviolet dari Matahari yang melewati lapisan atmosfer yang lebih tinggi dan transparan. Berkat ini, organisme hidup di Bumi terlindungi dari efek berbahaya sinar ultraviolet Matahari.

Ionosfir.

Radiasi matahari mengionisasi atom dan molekul atmosfer. Derajat ionisasi menjadi signifikan pada ketinggian 60 kilometer dan terus meningkat seiring dengan jarak dari Bumi. Pada ketinggian yang berbeda-beda di atmosfer, terjadi proses disosiasi berbagai molekul yang berurutan dan ionisasi berbagai atom dan ion selanjutnya. Ini terutama molekul oksigen O 2, nitrogen N 2 dan atomnya. Tergantung pada intensitas proses ini, berbagai lapisan atmosfer yang terletak di atas 60 kilometer disebut lapisan ionosfer , dan totalitasnya adalah ionosfer . Lapisan bawah, yang ionisasinya tidak signifikan, disebut neutrosfer.

Konsentrasi maksimum partikel bermuatan di ionosfer dicapai pada ketinggian 300–400 km.

Sejarah studi ionosfer.

Hipotesis tentang keberadaan lapisan penghantar di lapisan atas atmosfer dikemukakan pada tahun 1878 oleh ilmuwan Inggris Stuart untuk menjelaskan ciri-ciri medan geomagnetik. Kemudian pada tahun 1902, secara independen satu sama lain, Kennedy di AS dan Heaviside di Inggris menunjukkan bahwa untuk menjelaskan perambatan gelombang radio dalam jarak jauh, perlu diasumsikan adanya daerah dengan konduktivitas tinggi di lapisan atas atmosfer. Pada tahun 1923, Akademisi MV Shuleikin, dengan mempertimbangkan ciri-ciri perambatan gelombang radio dari berbagai frekuensi, sampai pada kesimpulan bahwa setidaknya ada dua lapisan reflektif di ionosfer. Kemudian pada tahun 1925, peneliti Inggris Appleton dan Barnett, serta Breit dan Tuve, pertama kali secara eksperimental membuktikan keberadaan daerah yang memantulkan gelombang radio, dan meletakkan dasar bagi studi sistematis mereka. Sejak saat itu, telah dilakukan kajian sistematis terhadap sifat-sifat lapisan tersebut, yang umumnya disebut ionosfer, yang berperan penting dalam sejumlah fenomena geofisika yang menentukan pemantulan dan penyerapan gelombang radio, yang sangat penting untuk kepentingan praktis. tujuan, khususnya untuk memastikan komunikasi radio yang andal.

Pada tahun 1930-an, pengamatan sistematis terhadap keadaan ionosfer dimulai. Di negara kita, atas prakarsa M.A. Bonch-Bruevich, instalasi untuk pemeriksaan denyut nadinya dibuat. Banyak sifat umum ionosfer, ketinggian dan konsentrasi elektron lapisan utamanya telah dipelajari.

Pada ketinggian 60–70 km lapisan D teramati, pada ketinggian 100–120 km lapisan E, pada ketinggian, pada ketinggian 180–300 km lapisan ganda F 1 dan F 2. Parameter utama dari lapisan ini diberikan pada Tabel 4.

Tabel 4.

Tabel 4.
Wilayah ionosfer	Ketinggian maksimum, km	saya , K	Hari		Malam tidak , cm –3	a΄, ρm 3 s – 1
Wilayah ionosfer	Ketinggian maksimum, km	saya , K	menit tidak , cm –3	Maks tidak , cm –3	Malam tidak , cm –3	a΄, ρm 3 s – 1
D	70	20	100	200	10	10 –6
E	110	270	1,5 10 5	3·10 5	3000	10 –7
F 1	180	800–1500	3·10 5	5 10 5	–	3·10 –8
F 2 (musim dingin)	220–280	1000–2000	6 10 5	25 10 5	~10 5	2·10 –10
F 2 (musim panas)	250–320	1000–2000	2·10 5	8 10 5	~3·10 5	10 –10
tidak– konsentrasi elektron, e – muatan elektron, saya– suhu ion, a΄ – koefisien rekombinasi (yang menentukan nilainya tidak dan perubahannya seiring waktu)

Nilai rata-rata diberikan karena bervariasi pada garis lintang yang berbeda, bergantung pada waktu dan musim. Data tersebut diperlukan untuk memastikan komunikasi radio jarak jauh. Mereka digunakan dalam memilih frekuensi operasi untuk berbagai link radio gelombang pendek. Pengetahuan tentang perubahannya tergantung pada keadaan ionosfer pada waktu yang berbeda dalam sehari dan musim yang berbeda sangat penting untuk menjamin keandalan komunikasi radio. Ionosfer merupakan kumpulan lapisan atmosfer bumi yang terionisasi, mulai dari ketinggian sekitar 60 km hingga ketinggian puluhan ribu km. Sumber utama ionisasi atmosfer bumi adalah radiasi ultraviolet dan sinar-X Matahari, yang terjadi terutama di kromosfer matahari dan korona. Selain itu, derajat ionisasi atmosfer bagian atas dipengaruhi oleh aliran sel darah matahari yang terjadi selama jilatan api matahari, serta sinar kosmik dan partikel meteor.

Lapisan ionosfer

- ini adalah area di atmosfer di mana konsentrasi maksimum elektron bebas tercapai (yaitu jumlahnya per satuan volume). Elektron bebas bermuatan listrik dan (pada tingkat lebih rendah, ion yang kurang bergerak) yang dihasilkan dari ionisasi atom gas atmosfer, berinteraksi dengan gelombang radio (yaitu osilasi elektromagnetik), dapat mengubah arahnya, memantulkan atau membiaskannya, dan menyerap energinya. . Akibatnya, ketika menerima stasiun radio yang jauh, berbagai efek dapat terjadi, misalnya komunikasi radio memudar, peningkatan kemampuan mendengar stasiun jarak jauh, pemadaman listrik dan seterusnya. fenomena.

Metode penelitian.

Metode klasik untuk mempelajari ionosfer dari Bumi adalah dengan melakukan pulse sounding - mengirimkan pulsa radio dan mengamati pantulannya dari berbagai lapisan ionosfer, mengukur waktu tunda dan mempelajari intensitas dan bentuk sinyal yang dipantulkan. Dengan mengukur ketinggian pantulan pulsa radio pada berbagai frekuensi, menentukan frekuensi kritis di berbagai area (frekuensi kritis adalah frekuensi pembawa pulsa radio, di mana wilayah ionosfer tertentu menjadi transparan), dimungkinkan untuk menentukan nilai konsentrasi elektron dalam lapisan dan ketinggian efektif untuk frekuensi tertentu, dan pilih frekuensi optimal untuk jalur radio tertentu. Dengan berkembangnya teknologi roket dan munculnya satelit Bumi buatan (AES) dan pesawat ruang angkasa lainnya di zaman antariksa, parameter plasma ruang angkasa dekat Bumi dapat diukur secara langsung, yang bagian bawahnya adalah ionosfer.

Pengukuran konsentrasi elektron, yang dilakukan di atas roket yang diluncurkan khusus dan di sepanjang jalur penerbangan satelit, mengkonfirmasi dan mengklarifikasi data yang sebelumnya diperoleh dengan metode berbasis darat mengenai struktur ionosfer, distribusi konsentrasi elektron dengan ketinggian di atas berbagai wilayah di bumi dan memungkinkan untuk memperoleh nilai konsentrasi elektron di atas maksimum utama - lapisan F. Sebelumnya, hal ini tidak mungkin dilakukan dengan menggunakan metode sounding berdasarkan pengamatan pantulan pulsa radio gelombang pendek. Telah ditemukan bahwa di beberapa wilayah di dunia terdapat daerah yang cukup stabil dengan konsentrasi elektron yang berkurang, “angin ionosfer” yang teratur, proses gelombang aneh muncul di ionosfer yang membawa gangguan ionosfer lokal ribuan kilometer dari tempat eksitasinya, dan banyak lagi. Penciptaan perangkat penerima yang sangat sensitif memungkinkan untuk menerima sinyal pulsa yang sebagian dipantulkan dari daerah terendah ionosfer (stasiun refleksi parsial) di stasiun pemancar pulsa ionosfer. Penggunaan instalasi pulsa yang kuat dalam rentang panjang gelombang meter dan desimeter dengan penggunaan antena yang memungkinkan konsentrasi energi yang dipancarkan tinggi memungkinkan untuk mengamati sinyal yang tersebar oleh ionosfer di berbagai ketinggian. Studi tentang ciri-ciri spektrum sinyal-sinyal ini, yang dihamburkan secara tidak koheren oleh elektron dan ion plasma ionosfer (untuk ini, stasiun hamburan gelombang radio yang tidak koheren digunakan) memungkinkan untuk menentukan konsentrasi elektron dan ion, ekuivalennya. suhu pada berbagai ketinggian hingga ketinggian beberapa ribu kilometer. Ternyata ionosfer cukup transparan untuk frekuensi yang digunakan.

Konsentrasi muatan listrik (konsentrasi elektron sama dengan konsentrasi ion) di ionosfer bumi pada ketinggian 300 km adalah sekitar 10 6 cm –3 pada siang hari. Plasma dengan kepadatan ini memantulkan gelombang radio yang panjangnya lebih dari 20 m, dan mentransmisikan gelombang yang lebih pendek.

Distribusi vertikal khas konsentrasi elektron di ionosfer untuk kondisi siang dan malam.

Perambatan gelombang radio di ionosfer.

Penerimaan yang stabil dari stasiun penyiaran jarak jauh bergantung pada frekuensi yang digunakan, serta waktu, musim, dan, di samping itu, aktivitas matahari. Aktivitas matahari secara signifikan mempengaruhi keadaan ionosfer. Gelombang radio yang dipancarkan oleh stasiun bumi merambat dalam garis lurus, seperti semua jenis gelombang elektromagnetik. Namun, harus diingat bahwa baik permukaan bumi maupun lapisan atmosfer yang terionisasi berfungsi sebagai pelat kapasitor besar, yang bertindak seperti efek cermin pada cahaya. Dipantulkan darinya, gelombang radio dapat menempuh jarak ribuan kilometer, mengelilingi dunia dalam lompatan besar sejauh ratusan dan ribuan kilometer, dipantulkan secara bergantian dari lapisan gas terionisasi dan dari permukaan bumi atau air.

Pada tahun 20-an abad terakhir, diyakini bahwa gelombang radio yang lebih pendek dari 200 m umumnya tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh karena daya serapnya yang kuat. Eksperimen pertama penerimaan gelombang pendek jarak jauh melintasi Atlantik antara Eropa dan Amerika dilakukan oleh fisikawan Inggris Oliver Heaviside dan insinyur listrik Amerika Arthur Kennelly. Secara independen satu sama lain, mereka berpendapat bahwa di suatu tempat di sekitar bumi terdapat lapisan atmosfer terionisasi yang mampu memantulkan gelombang radio. Itu disebut lapisan Heaviside-Kennelly, dan kemudian ionosfer.

Menurut konsep modern, ionosfer terdiri dari elektron bebas bermuatan negatif dan ion bermuatan positif, terutama molekul oksigen O + dan oksida nitrat NO +. Ion dan elektron terbentuk sebagai hasil disosiasi molekul dan ionisasi atom gas netral oleh sinar-X matahari dan radiasi ultraviolet. Untuk mengionisasi suatu atom, ia perlu memberikan energi ionisasi, yang sumber utamanya bagi ionosfer adalah ultraviolet, sinar-X, dan radiasi sel dari Matahari.

Sementara cangkang gas Bumi diterangi oleh Matahari, semakin banyak elektron yang terus-menerus terbentuk di dalamnya, tetapi pada saat yang sama beberapa elektron, yang bertabrakan dengan ion, bergabung kembali, membentuk partikel netral lagi. Setelah matahari terbenam, pembentukan elektron baru hampir berhenti, dan jumlah elektron bebas mulai berkurang. Semakin banyak elektron bebas di ionosfer, semakin baik gelombang frekuensi tinggi dipantulkan darinya. Dengan penurunan konsentrasi elektron, gelombang radio hanya mungkin lewat dalam rentang frekuensi rendah. Itulah sebabnya pada malam hari, biasanya stasiun jarak jauh hanya dapat diterima pada kisaran 75, 49, 41 dan 31 m.Elektron tersebar tidak merata di ionosfer. Pada ketinggian 50 hingga 400 km terdapat beberapa lapisan atau daerah dengan konsentrasi elektron yang meningkat. Area-area ini bertransisi dengan mulus satu sama lain dan memiliki efek berbeda pada perambatan gelombang radio HF. Lapisan atas ionosfer ditandai dengan huruf F. Di sini derajat ionisasi tertinggi (fraksi partikel bermuatan sekitar 10 –4). Terletak di ketinggian lebih dari 150 km di atas permukaan bumi dan memainkan peran reflektif utama dalam perambatan gelombang radio frekuensi tinggi HF jarak jauh. Pada bulan-bulan musim panas, wilayah F terbagi menjadi dua lapisan - F 1 dan F 2. Lapisan F1 dapat menempati ketinggian 200 hingga 250 km, dan lapisan F 2 tampak “mengambang” pada kisaran ketinggian 300–400 km. Biasanya berlapis F 2 terionisasi jauh lebih kuat daripada lapisan F 1 . Lapisan malam F 1 menghilang dan lapisannya F 2 tetap ada, perlahan-lahan kehilangan hingga 60% derajat ionisasinya. Di bawah lapisan F pada ketinggian 90 hingga 150 km terdapat lapisan E ionisasi yang terjadi di bawah pengaruh radiasi sinar-X lembut dari Matahari. Derajat ionisasi lapisan E lebih rendah dibandingkan lapisan F, pada siang hari, penerimaan stasiun dalam rentang HF frekuensi rendah 31 dan 25 m terjadi ketika sinyal dipantulkan dari lapisan E. Biasanya ini adalah stasiun yang terletak pada jarak 1000–1500 km. Pada malam hari di lapisan E Ionisasi menurun tajam, namun saat ini ionisasi terus memainkan peran penting dalam penerimaan sinyal dari stasiun pada jarak 41, 49 dan 75 m.

Yang sangat menarik untuk menerima sinyal frekuensi tinggi HF rentang 16, 13 dan 11 m adalah sinyal yang muncul di area tersebut. E lapisan (awan) dengan ionisasi yang sangat meningkat. Luas awan ini bisa bervariasi dari beberapa hingga ratusan kilometer persegi. Lapisan peningkatan ionisasi ini disebut lapisan sporadis E dan ditunjuk Ya. Awan Es dapat bergerak di ionosfer di bawah pengaruh angin dan mencapai kecepatan hingga 250 km/jam. Pada musim panas di garis lintang tengah pada siang hari, asal muasal gelombang radio akibat awan Es terjadi selama 15-20 hari per bulan. Dekat khatulistiwa hampir selalu ada, dan di lintang tinggi biasanya muncul pada malam hari. Kadang-kadang, selama bertahun-tahun aktivitas matahari rendah, ketika tidak ada transmisi pada pita HF frekuensi tinggi, stasiun-stasiun jauh tiba-tiba muncul pada pita 16, 13 dan 11 m dengan volume yang baik, yang sinyalnya dipantulkan berkali-kali dari Es.

Wilayah ionosfer yang paling rendah adalah wilayah tersebut D terletak di ketinggian antara 50 dan 90 km. Ada relatif sedikit elektron bebas di sini. Dari daerah tersebut D Gelombang panjang dan menengah dipantulkan dengan baik, dan sinyal dari stasiun HF frekuensi rendah diserap dengan kuat. Setelah matahari terbenam, ionisasi menghilang dengan sangat cepat dan menjadi mungkin untuk menerima stasiun-stasiun jauh dalam jarak 41, 49 dan 75 m, yang sinyal-sinyalnya dipantulkan dari lapisan-lapisan tersebut. F 2 dan E. Lapisan ionosfer individu memainkan peran penting dalam propagasi sinyal radio HF. Pengaruh gelombang radio terjadi terutama karena adanya elektron bebas di ionosfer, meskipun mekanisme perambatan gelombang radio dikaitkan dengan adanya ion-ion besar. Yang terakhir ini juga menarik ketika mempelajari sifat kimia atmosfer, karena mereka lebih aktif daripada atom dan molekul netral. Reaksi kimia yang terjadi di ionosfer memainkan peran penting dalam keseimbangan energi dan listrik.

Ionosfer normal. Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan roket dan satelit geofisika telah memberikan banyak informasi baru yang menunjukkan bahwa ionisasi atmosfer terjadi di bawah pengaruh berbagai macam radiasi matahari. Bagian utamanya (lebih dari 90%) terkonsentrasi di bagian spektrum yang terlihat. Radiasi ultraviolet, yang memiliki panjang gelombang lebih pendek dan energi lebih tinggi daripada sinar cahaya ungu, dipancarkan oleh hidrogen di atmosfer bagian dalam Matahari (kromosfer), dan sinar-X, yang memiliki energi lebih tinggi, dipancarkan oleh gas-gas di kulit terluar Matahari. (korona).

Keadaan ionosfer yang normal (rata-rata) disebabkan oleh radiasi kuat yang konstan. Perubahan teratur terjadi pada ionosfer normal karena rotasi harian bumi dan perbedaan musim dalam sudut datangnya sinar matahari pada siang hari, namun perubahan keadaan ionosfer juga terjadi secara tidak terduga dan tiba-tiba.

Gangguan di ionosfer.

Seperti diketahui, manifestasi aktivitas berulang yang kuat terjadi di Matahari, yang mencapai maksimum setiap 11 tahun. Pengamatan dalam program Tahun Geofisika Internasional (IGY) bertepatan dengan periode aktivitas matahari tertinggi sepanjang periode pengamatan meteorologi sistematis, yaitu. dari awal abad ke-18. Selama periode aktivitas tinggi, kecerahan beberapa area di Matahari meningkat beberapa kali lipat, dan kekuatan radiasi ultraviolet dan sinar-X meningkat tajam. Fenomena seperti ini disebut jilatan api matahari. Durasinya dari beberapa menit hingga satu hingga dua jam. Selama suar, plasma matahari (kebanyakan proton dan elektron) meletus, dan partikel-partikel elementer mengalir ke luar angkasa. Radiasi elektromagnetik dan sel darah dari Matahari selama flare tersebut berdampak kuat pada atmosfer bumi.

Reaksi awal diamati 8 menit setelah suar, ketika radiasi ultraviolet dan sinar-X yang intens mencapai bumi. Akibatnya, ionisasi meningkat tajam; Sinar-X menembus atmosfer hingga batas bawah ionosfer; jumlah elektron pada lapisan ini meningkat sedemikian rupa sehingga sinyal radio hampir terserap seluruhnya (“padam”). Penyerapan tambahan radiasi menyebabkan gas memanas, yang berkontribusi pada perkembangan angin. Gas terionisasi merupakan penghantar listrik, dan ketika bergerak dalam medan magnet bumi, terjadi efek dinamo dan terciptalah arus listrik. Arus seperti itu, pada gilirannya, dapat menyebabkan gangguan nyata pada medan magnet dan memanifestasikan dirinya dalam bentuk badai magnet.

Struktur dan dinamika atmosfer bagian atas sangat ditentukan oleh proses non-ekuilibrium dalam pengertian termodinamika yang terkait dengan ionisasi dan disosiasi oleh radiasi matahari, proses kimia, eksitasi molekul dan atom, penonaktifannya, tumbukan, dan proses dasar lainnya. Dalam hal ini, derajat ketidakseimbangan meningkat seiring dengan menurunnya kepadatan. Hingga ketinggian 500–1000 km, dan seringkali lebih tinggi, tingkat ketidakseimbangan dalam banyak karakteristik atmosfer bagian atas cukup kecil, sehingga memungkinkan untuk menggunakan hidrodinamika klasik dan hidromagnetik, dengan mempertimbangkan reaksi kimia, untuk menggambarkannya.

Eksosfer adalah lapisan terluar atmosfer bumi, mulai dari ketinggian beberapa ratus kilometer, tempat atom hidrogen ringan dan bergerak cepat dapat lepas ke luar angkasa.

Edward Kononovich

Literatur:

Pudovkin M.I. Dasar-dasar Fisika Matahari. Sankt Peterburg, 2001
Eris Chaisson, Steve McMillan Astronomi saat ini. Prentice-Hall, Inc. Sungai Saddle Atas, 2002
Materi di Internet: http://ciencia.nasa.gov/

Suasana (dari bahasa Yunani kuno ἀτμός - uap dan σφαῖρα - bola) adalah cangkang gas (geosfer) yang mengelilingi planet Bumi. Permukaan dalamnya menutupi hidrosfer dan sebagian kerak bumi, sedangkan permukaan luarnya berbatasan dengan ruang luar bagian dekat Bumi.

Himpunan cabang ilmu fisika dan kimia yang mempelajari atmosfer biasa disebut fisika atmosfer. Atmosfer menentukan cuaca di permukaan bumi, meteorologi mempelajari cuaca, dan klimatologi mempelajari variasi iklim jangka panjang.

Properti fisik

Ketebalan atmosfer kurang lebih 120 km dari permukaan bumi. Massa total udara di atmosfer adalah (5,1-5,3) 1018 kg. Dari jumlah tersebut massa udara kering (5,1352 ± 0,0003) 1018 kg, massa total uap air rata-rata 1,27 1016 kg.

Massa molar udara kering bersih adalah 28,966 g/mol, dan massa jenis udara di permukaan laut kira-kira 1,2 kg/m3. Tekanan pada 0 °C di permukaan laut adalah 101,325 kPa; suhu kritis - −140,7 °C (~132,4 K); tekanan kritis - 3,7 MPa; Cp pada 0 °C - 1,0048·103 J/(kg·K), Cv - 0,7159·103 J/(kg·K) (pada 0 °C). Kelarutan udara dalam air (berdasarkan massa) pada 0 °C - 0,0036%, pada 25 °C - 0,0023%.

Berikut ini yang diterima sebagai “kondisi normal” di permukaan bumi: kepadatan 1,2 kg/m3, tekanan barometrik 101,35 kPa, suhu ditambah 20 °C dan kelembaban relatif 50%. Indikator kondisional ini murni memiliki makna rekayasa.

Komposisi kimia

Atmosfer bumi muncul akibat keluarnya gas pada saat terjadi letusan gunung berapi. Dengan munculnya lautan dan biosfer, ia terbentuk karena pertukaran gas dengan air, tumbuhan, hewan, dan produk pembusukannya di tanah dan rawa.

Saat ini atmosfer bumi sebagian besar terdiri dari gas dan berbagai kotoran (debu, tetesan air, kristal es, garam laut, hasil pembakaran).

Konsentrasi gas-gas yang menyusun atmosfer hampir konstan, kecuali air (H2O) dan karbon dioksida (CO2).

Komposisi udara kering


Nitrogen
Oksigen
Argon
Air
Karbon dioksida
Neon
Helium
metana
kripton
Hidrogen
Xenon
Nitrogen oksida

Selain gas-gas yang tertera pada tabel, atmosfer mengandung SO2, NH3, CO, ozon, hidrokarbon, HCl, HF, uap Hg, I2, serta NO dan banyak gas lainnya dalam jumlah kecil. Troposfer secara konstan mengandung sejumlah besar partikel padat dan cair tersuspensi (aerosol).

Struktur atmosfer

Troposfer

Batas atasnya berada pada ketinggian 8-10 km di kutub, 10-12 km di daerah beriklim sedang, dan 16-18 km di garis lintang tropis; lebih rendah di musim dingin dibandingkan di musim panas. Lapisan bawah atmosfer utama mengandung lebih dari 80% total massa udara atmosfer dan sekitar 90% total uap air yang ada di atmosfer. Turbulensi dan konveksi sangat berkembang di troposfer, awan muncul, dan siklon serta antisiklon berkembang. Suhu menurun seiring bertambahnya ketinggian dengan gradien vertikal rata-rata 0,65°/100 m

Tropopause

Lapisan peralihan dari troposfer ke stratosfer, yaitu lapisan atmosfer di mana penurunan suhu seiring dengan ketinggian terhenti.

Stratosfir

Lapisan atmosfer yang terletak pada ketinggian 11 sampai 50 km. Ditandai dengan sedikit perubahan suhu pada lapisan 11-25 km (lapisan bawah stratosfer) dan peningkatan suhu pada lapisan 25-40 km dari −56,5 menjadi 0,8°C (lapisan atas stratosfer atau daerah inversi) . Setelah mencapai nilai sekitar 273 K (hampir 0 °C) pada ketinggian sekitar 40 km, suhu tetap konstan hingga ketinggian sekitar 55 km. Wilayah bersuhu konstan ini disebut stratopause dan merupakan batas antara stratosfer dan mesosfer.

Stratopause

Lapisan batas atmosfer antara stratosfer dan mesosfer. Pada distribusi suhu vertikal terdapat maksimum (sekitar 0 °C).

Mesosfer

Mesosfer dimulai pada ketinggian 50 km dan meluas hingga 80-90 km. Suhu menurun seiring ketinggian dengan gradien vertikal rata-rata (0,25-0,3)°/100 m Proses energi utama adalah perpindahan panas radiasi. Proses fotokimia kompleks yang melibatkan radikal bebas, molekul yang tereksitasi secara vibrasi, dll. menyebabkan pendaran atmosfer.

Mesopause

Lapisan transisi antara mesosfer dan termosfer. Distribusi suhu vertikal minimum (sekitar -90 °C).

Jalur Karman

Ketinggian di atas permukaan laut, yang secara konvensional diterima sebagai batas antara atmosfer bumi dan ruang angkasa. Menurut definisi FAI, jalur Karman terletak pada ketinggian 100 km di atas permukaan laut.

Batas atmosfer bumi

Termosfer

Batas atasnya sekitar 800 km. Suhu naik hingga ketinggian 200-300 km, mencapai nilai sekitar 1500 K, setelah itu hampir konstan hingga ketinggian. Di bawah pengaruh radiasi matahari ultraviolet dan sinar-X serta radiasi kosmik, ionisasi udara (“aurora”) terjadi - wilayah utama ionosfer terletak di dalam termosfer. Pada ketinggian di atas 300 km, oksigen atom mendominasi. Batas atas termosfer sangat ditentukan oleh aktivitas Matahari saat ini. Selama periode aktivitas rendah - misalnya, pada 2008-2009 - terjadi penurunan ukuran lapisan ini secara nyata.

Termopause

Wilayah atmosfer yang berbatasan dengan termosfer. Di wilayah ini, penyerapan radiasi matahari dapat diabaikan dan suhu tidak berubah seiring ketinggian.

Eksosfer (bola hamburan)

Eksosfer adalah zona dispersi, bagian terluar termosfer, terletak di atas 700 km. Gas di eksosfer sangat langka, dan dari sini partikelnya bocor ke ruang antarplanet (disipasi).

Hingga ketinggian 100 km, atmosfer merupakan campuran gas yang homogen dan tercampur dengan baik. Di lapisan yang lebih tinggi, distribusi gas berdasarkan ketinggian bergantung pada berat molekulnya; konsentrasi gas yang lebih berat berkurang lebih cepat seiring dengan bertambahnya jarak dari permukaan bumi. Karena penurunan kepadatan gas, suhu turun dari 0 °C di stratosfer menjadi −110 °C di mesosfer. Namun, energi kinetik partikel individu pada ketinggian 200-250 km setara dengan suhu ~150 °C. Di atas 200 km, terjadi fluktuasi suhu dan kepadatan gas yang signifikan dalam ruang dan waktu.

Pada ketinggian sekitar 2000-3500 km, eksosfer secara bertahap berubah menjadi apa yang disebut ruang hampa dekat, yang diisi dengan partikel gas antarplanet yang sangat langka, terutama atom hidrogen. Namun gas ini hanya mewakili sebagian dari materi antarplanet. Bagian lainnya terdiri dari partikel debu yang berasal dari komet dan meteorik. Selain partikel debu yang sangat halus, radiasi elektromagnetik dan sel yang berasal dari matahari dan galaksi menembus ke dalam ruang ini.

Troposfer menyumbang sekitar 80% massa atmosfer, stratosfer - sekitar 20%; massa mesosfer tidak lebih dari 0,3%, termosfer kurang dari 0,05% total massa atmosfer. Berdasarkan sifat kelistrikannya di atmosfer, neutronosfer dan ionosfer dibedakan. Saat ini atmosfer diyakini meluas hingga ketinggian 2000-3000 km.

Tergantung pada komposisi gas di atmosfer, homosfer dan heterosfer dibedakan. Heterosfer adalah wilayah di mana gravitasi mempengaruhi pemisahan gas, karena pencampurannya pada ketinggian seperti itu dapat diabaikan. Ini menyiratkan komposisi heterosfer yang bervariasi. Di bawahnya terdapat bagian atmosfer yang tercampur rata dan homogen yang disebut homosfer. Batas antara lapisan-lapisan ini disebut turbopause, terletak pada ketinggian sekitar 120 km.

Sifat-sifat lain dari atmosfer dan pengaruhnya terhadap tubuh manusia

Sudah berada di ketinggian 5 km di atas permukaan laut, orang yang tidak terlatih mulai mengalami kelaparan oksigen dan tanpa adaptasi, kinerja seseorang menurun secara signifikan. Zona fisiologis atmosfer berakhir di sini. Pernapasan manusia menjadi tidak mungkin dilakukan pada ketinggian 9 km, meskipun hingga kurang lebih 115 km atmosfer mengandung oksigen.

Atmosfer memasok kita dengan oksigen yang diperlukan untuk bernapas. Namun, karena penurunan tekanan total atmosfer, seiring bertambahnya ketinggian, tekanan parsial oksigen juga menurun.

Paru-paru manusia selalu mengandung sekitar 3 liter udara alveolar. Tekanan parsial oksigen di udara alveolar pada tekanan atmosfer normal adalah 110 mmHg. Seni., tekanan karbon dioksida - 40 mm Hg. Seni., dan uap air - 47 mm Hg. Seni. Dengan bertambahnya ketinggian, tekanan oksigen turun, dan tekanan uap total air dan karbon dioksida di paru-paru hampir konstan - sekitar 87 mm Hg. Seni. Pasokan oksigen ke paru-paru akan berhenti total ketika tekanan udara sekitar menjadi sama dengan nilai ini.

Pada ketinggian sekitar 19-20 km, tekanan atmosfer turun menjadi 47 mm Hg. Seni. Oleh karena itu, pada ketinggian ini, air dan cairan interstisial mulai mendidih di dalam tubuh manusia. Di luar kabin bertekanan pada ketinggian tersebut, kematian terjadi hampir seketika. Jadi, dari sudut pandang fisiologi manusia, “ruang” sudah dimulai pada ketinggian 15-19 km.

Lapisan udara yang padat - troposfer dan stratosfer - melindungi kita dari efek radiasi yang merusak. Dengan penghalusan udara yang cukup, pada ketinggian lebih dari 36 km, radiasi pengion - sinar kosmik primer - memiliki efek yang kuat pada tubuh; Pada ketinggian lebih dari 40 km, bagian ultraviolet dari spektrum matahari berbahaya bagi manusia.

Saat kita naik ke ketinggian yang lebih tinggi di atas permukaan bumi, fenomena umum yang diamati di lapisan bawah atmosfer seperti perambatan suara, terjadinya gaya angkat dan tarik aerodinamis, perpindahan panas secara konveksi, dll. secara bertahap melemah dan kemudian hilang sama sekali.

Di lapisan udara yang dijernihkan, perambatan suara tidak mungkin dilakukan. Hingga ketinggian 60-90 km, hambatan udara dan gaya angkat masih dapat digunakan untuk penerbangan aerodinamis yang terkendali. Namun mulai dari ketinggian 100-130 km, konsep angka M dan penghalang suara, yang akrab bagi setiap pilot, kehilangan maknanya: di sanalah letak garis Karman konvensional, di luarnya dimulailah wilayah penerbangan balistik murni, yang hanya bisa dikendalikan dengan menggunakan gaya reaktif.

Pada ketinggian di atas 100 km, atmosfer tidak memiliki sifat luar biasa lainnya - kemampuan untuk menyerap, menghantarkan, dan mentransmisikan energi panas melalui konveksi (yaitu dengan mencampurkan udara). Artinya, berbagai elemen peralatan di stasiun luar angkasa yang mengorbit tidak akan dapat didinginkan dari luar dengan cara yang biasa dilakukan di pesawat terbang - dengan bantuan pancaran udara dan radiator udara. Pada ketinggian ini, seperti di luar angkasa pada umumnya, satu-satunya cara untuk memindahkan panas adalah radiasi termal.

Sejarah pembentukan atmosfer

Menurut teori yang paling umum, atmosfer bumi memiliki tiga komposisi berbeda dari waktu ke waktu. Awalnya, itu terdiri dari gas ringan (hidrogen dan helium) yang ditangkap dari ruang antarplanet. Inilah yang disebut atmosfer primer (sekitar empat miliar tahun yang lalu). Pada tahap selanjutnya, aktivitas vulkanik aktif menyebabkan kejenuhan atmosfer dengan gas selain hidrogen (karbon dioksida, amonia, uap air). Inilah bagaimana atmosfer sekunder terbentuk (sekitar tiga miliar tahun sebelum sekarang). Suasana ini memulihkan. Selanjutnya proses pembentukan atmosfer ditentukan oleh faktor-faktor berikut:

kebocoran gas ringan (hidrogen dan helium) ke ruang antarplanet;
reaksi kimia yang terjadi di atmosfer di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, pelepasan petir dan beberapa faktor lainnya.

Secara bertahap, faktor-faktor ini menyebabkan terbentuknya atmosfer tersier, yang ditandai dengan lebih sedikit hidrogen dan lebih banyak nitrogen dan karbon dioksida (terbentuk sebagai hasil reaksi kimia dari amonia dan hidrokarbon).

Nitrogen

Terbentuknya nitrogen N2 dalam jumlah besar disebabkan oleh oksidasi atmosfer amonia-hidrogen oleh molekul oksigen O2, yang mulai berasal dari permukaan planet sebagai hasil fotosintesis, mulai 3 miliar tahun yang lalu. Nitrogen N2 juga dilepaskan ke atmosfer sebagai akibat denitrifikasi nitrat dan senyawa lain yang mengandung nitrogen. Nitrogen dioksidasi oleh ozon menjadi NO di atmosfer bagian atas.

Nitrogen N2 hanya bereaksi dalam kondisi tertentu (misalnya, saat terjadi pelepasan petir). Oksidasi nitrogen molekuler oleh ozon selama pelepasan listrik digunakan dalam jumlah kecil dalam produksi industri pupuk nitrogen. Cyanobacteria (ganggang biru-hijau) dan bakteri bintil yang bersimbiosis rhizobial dengan tanaman polongan, disebut demikian, dapat mengoksidasinya dengan konsumsi energi yang rendah dan mengubahnya menjadi bentuk yang aktif secara biologis. pupuk hijau.

Oksigen

Komposisi atmosfer mulai berubah secara radikal dengan munculnya organisme hidup di bumi, akibat fotosintesis yang disertai pelepasan oksigen dan penyerapan karbon dioksida. Awalnya, oksigen dihabiskan untuk oksidasi senyawa tereduksi - amonia, hidrokarbon, besi berbentuk besi yang terkandung di lautan, dll. Pada akhir tahap ini, kandungan oksigen di atmosfer mulai meningkat. Secara bertahap, suasana modern dengan sifat pengoksidasi terbentuk. Karena hal ini menyebabkan perubahan yang serius dan tiba-tiba pada banyak proses yang terjadi di atmosfer, litosfer, dan biosfer, peristiwa ini disebut Bencana Oksigen.

Pada masa Fanerozoikum, komposisi atmosfer dan kandungan oksigen mengalami perubahan. Mereka berkorelasi terutama dengan laju pengendapan sedimen organik. Jadi, selama periode akumulasi batu bara, kandungan oksigen di atmosfer tampaknya jauh melebihi tingkat saat ini.

Karbon dioksida

Kandungan CO2 di atmosfer bergantung pada aktivitas gunung berapi dan proses kimia di cangkang bumi, namun yang terpenting - pada intensitas biosintesis dan dekomposisi bahan organik di biosfer bumi. Hampir seluruh biomassa planet ini saat ini (sekitar 2,4.1012 ton) terbentuk karena karbon dioksida, nitrogen, dan uap air yang terkandung di udara atmosfer. Bahan organik yang terkubur di lautan, rawa, dan hutan berubah menjadi batu bara, minyak, dan gas alam.

gas mulia

Sumber gas mulia - argon, helium dan kripton - adalah letusan gunung berapi dan peluruhan unsur radioaktif. Bumi secara umum dan atmosfer pada khususnya mengalami kekurangan gas inert dibandingkan dengan ruang angkasa. Alasannya diyakini terletak pada kebocoran gas yang terus menerus ke ruang antarplanet.

Polusi udara

Belakangan ini, manusia mulai mempengaruhi evolusi atmosfer. Hasil dari kegiatannya adalah peningkatan konstan kandungan karbon dioksida di atmosfer akibat pembakaran bahan bakar hidrokarbon yang terakumulasi pada era geologi sebelumnya. Sejumlah besar CO2 dikonsumsi selama fotosintesis dan diserap oleh lautan di dunia. Gas ini masuk ke atmosfer akibat penguraian batuan karbonat dan bahan organik yang berasal dari tumbuhan dan hewan, serta akibat vulkanisme dan aktivitas industri manusia. Selama 100 tahun terakhir, kandungan CO2 di atmosfer telah meningkat sebesar 10%, dengan sebagian besar (360 miliar ton) berasal dari pembakaran bahan bakar. Jika laju pertumbuhan pembakaran bahan bakar terus berlanjut, maka dalam 200-300 tahun mendatang jumlah CO2 di atmosfer akan berlipat ganda dan dapat menyebabkan perubahan iklim global.

Pembakaran bahan bakar merupakan sumber utama gas pencemar (CO, NO, SO2). Sulfur dioksida dioksidasi oleh oksigen atmosfer menjadi SO3, dan nitrogen oksida menjadi NO2 di lapisan atas atmosfer, yang selanjutnya berinteraksi dengan uap air, dan menghasilkan asam sulfat H2SO4 dan asam nitrat HNO3 jatuh ke permukaan bumi di bentuk yang disebut. hujan asam. Penggunaan mesin pembakaran internal menyebabkan polusi atmosfer yang signifikan dengan nitrogen oksida, hidrokarbon dan senyawa timbal (tetraetil timbal) Pb(CH3CH2)4.

Pencemaran aerosol di atmosfer disebabkan oleh penyebab alami (letusan gunung berapi, badai debu, masuknya tetesan air laut dan serbuk sari tanaman, dll.) dan aktivitas ekonomi manusia (menambang bijih dan bahan bangunan, pembakaran bahan bakar, pembuatan semen, dll. ). Pelepasan materi partikulat dalam skala besar ke atmosfer merupakan salah satu kemungkinan penyebab perubahan iklim di planet ini.

(Dikunjungi 730 kali, 1 kunjungan hari ini)

Troposfer

Tropopause

Lapisan peralihan dari troposfer ke stratosfer, yaitu lapisan atmosfer di mana penurunan suhu seiring dengan ketinggian terhenti.

Stratosfir

Stratopause

Lapisan batas atmosfer antara stratosfer dan mesosfer. Pada distribusi suhu vertikal terdapat maksimum (sekitar 0 °C).

Mesosfer

Mesopause

Lapisan transisi antara mesosfer dan termosfer. Distribusi suhu vertikal minimum (sekitar -90 °C).

Jalur Karman

Ketinggian di atas permukaan laut, yang secara konvensional diterima sebagai batas antara atmosfer bumi dan ruang angkasa. Jalur Karman terletak pada ketinggian 100 km di atas permukaan laut.

Batas atmosfer bumi

Termosfer

Batas atasnya sekitar 800 km. Suhu naik hingga ketinggian 200-300 km, mencapai nilai sekitar 1500 K, setelah itu hampir konstan hingga ketinggian. Di bawah pengaruh radiasi matahari ultraviolet dan sinar-X serta radiasi kosmik, ionisasi udara (“aurora”) terjadi - wilayah utama ionosfer terletak di dalam termosfer. Pada ketinggian di atas 300 km, oksigen atom mendominasi. Batas atas termosfer sangat ditentukan oleh aktivitas Matahari saat ini. Selama periode aktivitas rendah, terjadi penurunan nyata dalam ukuran lapisan ini.

Termopause

Wilayah atmosfer yang berbatasan dengan termosfer. Di wilayah ini, penyerapan radiasi matahari dapat diabaikan dan suhu tidak berubah seiring ketinggian.

Eksosfer (bola hamburan)

Lapisan atmosfer hingga ketinggian 120 km

Eksosfer adalah zona dispersi, bagian terluar termosfer, terletak di atas 700 km. Gas di eksosfer sangat langka, dan dari sini partikelnya bocor ke ruang antarplanet (disipasi).

Atmosfer adalah kulit terluar benda langit. Di planet yang berbeda, komposisi, sifat kimia dan fisiknya berbeda. Apa sifat utama atmosfer bumi? Terdiri dari apa? Bagaimana dan kapan hal itu muncul? Mari kita cari tahu lebih lanjut mengenai hal ini.

Formasi atmosfer

Atmosfer adalah campuran gas yang menyelimuti planet dari luar dan ditahan oleh gaya gravitasinya. Pada saat pembentukannya, planet kita belum memiliki cangkang gas. Itu dibentuk beberapa saat kemudian dan berhasil diubah beberapa kali. Tidak diketahui sepenuhnya apa sifat dasar atmosfer pada saat itu.

Para ilmuwan berpendapat bahwa atmosfer pertama diambil dari nebula matahari dan terdiri dari helium dan hidrogen. Temperatur planet yang tinggi dan pengaruh angin matahari dengan cepat menghancurkan cangkang ini.

Atmosfer selanjutnya terbentuk karena gunung berapi yang mengeluarkan gas darinya, tipis dan terdiri dari gas rumah kaca (metana, karbon dioksida, amonia), uap air dan asam.

Dua miliar tahun lalu, keadaan atmosfer mulai berubah menjadi seperti sekarang. Proses eksternal (pelapukan, aktivitas matahari) di planet ini dan bakteri serta ganggang pertama mengambil bagian dalam hal ini, karena pelepasan oksigen.

Komposisi dan sifat atmosfer

Cangkang gas planet kita tidak memiliki tepian yang jelas. Kontur luarnya kabur dan berangsur-angsur masuk ke luar angkasa, menyatu dengannya menjadi massa homogen. Tepi bagian dalam cangkang bersentuhan dengan kerak bumi dan hidrosfer bumi.

Sifat dasar atmosfer sangat ditentukan oleh komposisinya. Sebagian besar diwakili oleh gas. Bagian utama menyumbang nitrogen (75,5%) dan oksigen (23,1%). Selain itu, udara atmosfer terdiri dari argon, karbon dioksida, hidrogen, metana, helium, xenon, dll.

Konsentrasi zat praktis tidak berubah. Nilai variabel merupakan ciri khas air dan ditentukan oleh jumlah vegetasi. Air terkandung dalam bentuk uap air. Jumlahnya bervariasi tergantung pada garis lintang geografis dan jumlahnya mencapai 2,5%. Atmosfer juga mengandung hasil pembakaran, garam laut, pengotor debu, dan es dalam bentuk kristal kecil.

Sifat fisik atmosfer

Sifat utama atmosfer adalah tekanan, kelembaban, suhu dan kepadatan. Di setiap lapisan atmosfer nilainya berbeda-beda. Udara di cangkang bumi merupakan kumpulan molekul dari berbagai zat. Gaya gravitasi membuat mereka tetap berada di dalam planet, menarik mereka lebih dekat ke permukaannya.

Ada lebih banyak molekul di bagian bawah, sehingga kepadatan dan tekanan di sana lebih besar. Mereka berkurang seiring dengan ketinggian, dan di luar angkasa mereka menjadi hampir tidak terlihat. Di lapisan bawah atmosfer, tekanan berkurang 1 mm Hg. Seni. setiap 10 meter.

Berbeda dengan permukaan planet, atmosfernya tidak dipanaskan oleh Matahari. Oleh karena itu, semakin dekat dengan Bumi, semakin tinggi suhunya. Untuk setiap seratus meter suhunya berkurang sekitar 0,6 derajat. Di bagian atas troposfer mencapai -56 derajat.

Parameter udara sangat dipengaruhi oleh kandungan air di dalamnya, yaitu kelembaban udara. Massa udara total planet ini adalah (5,1-5,3) 10 18 kg, sedangkan bagian uap air adalah 1,27 · 10 16 kg. Karena sifat-sifat atmosfer berbeda-beda di berbagai wilayah, telah diturunkan nilai standar yang diterima sebagai “kondisi normal” di permukaan bumi:

Struktur cangkang gas bumi

Sifat cangkang gas berubah seiring ketinggian. Tergantung pada sifat dasar atmosfer, atmosfer dibagi menjadi beberapa lapisan:

troposfer;
stratosfir;
mesosfer;
termosfer;
eksosfer.

Parameter utama diferensiasi adalah suhu. Di antara lapisan-lapisan tersebut terdapat daerah batas yang disebut jeda, di mana suhu konstan dicatat.

Troposfer merupakan lapisan paling bawah. Perbatasannya membentang pada ketinggian 8 hingga 18 kilometer, tergantung garis lintang. Titik tertingginya berada di garis khatulistiwa. Sekitar 80% massa udara atmosfer berada di troposfer.

Lapisan luar atmosfer diwakili oleh eksosfer. Batas bawah dan ketebalannya bergantung pada aktivitas Matahari. Di Bumi, eksosfer dimulai pada ketinggian 500 hingga 1000 kilometer dan mencapai seratus ribu kilometer. Di bagian bawah jenuh dengan oksigen dan nitrogen, di bagian atas - dengan hidrogen dan gas ringan lainnya.

Peran atmosfer

Atmosfer adalah udara yang kita hirup. Tanpanya, seseorang tidak dapat hidup meski lima menit. Ini memenuhi semua sel tumbuhan dan hewan, mendorong pertukaran energi antara tubuh dan lingkungan luar.

Atmosfer adalah filter planet ini. Melewatinya, radiasi matahari tersebar. Hal ini mengurangi intensitas dan bahaya yang ditimbulkannya dalam bentuk terkonsentrasi. Cangkangnya berperan sebagai perisai bumi, di lapisan atasnya banyak meteorit dan komet terbakar sebelum mencapai permukaan planet.

Suhu, kepadatan, kelembaban dan tekanan atmosfer membentuk kondisi iklim dan cuaca. Atmosfer terlibat dalam distribusi panas di planet ini. Tanpanya, suhu akan berfluktuasi dalam dua ratus derajat.

Cangkang bumi berpartisipasi dalam siklus zat, merupakan habitat beberapa makhluk hidup, dan berkontribusi terhadap transmisi suara. Ketidakhadirannya akan membuat kehidupan di planet ini tidak mungkin ada.

Atmosfer bumi adalah cangkang udara.

Keberadaan bola khusus di atas permukaan bumi dibuktikan oleh orang Yunani kuno yang menyebut atmosfer sebagai bola uap atau gas.

Ini adalah salah satu geosfer di planet ini, yang tanpanya keberadaan semua makhluk hidup tidak akan mungkin terjadi.

Dimana suasananya

Atmosfer mengelilingi planet-planet dengan lapisan udara yang padat, mulai dari permukaan bumi. Ia bersentuhan dengan hidrosfer, menutupi litosfer, meluas jauh ke luar angkasa.

Terdiri dari apakah atmosfer itu?

Lapisan udara bumi sebagian besar terdiri dari udara, yang massa totalnya mencapai 5,3 * 1018 kilogram. Dari jumlah tersebut, bagian yang terkena penyakit adalah udara kering, dan lebih sedikit lagi adalah uap air.

Di atas laut, kepadatan atmosfer adalah 1,2 kilogram per meter kubik. Suhu di atmosfer bisa mencapai –140,7 derajat, udara larut dalam air pada suhu nol.

Atmosfer terdiri dari beberapa lapisan:

Troposfer;
tropopause;
Stratosfer dan stratopause;
Mesosfer dan mesopause;
Garis khusus di atas permukaan laut disebut garis Karman;
Termosfer dan termopause;
Zona hamburan atau eksosfer.

Setiap lapisan memiliki karakteristiknya masing-masing; mereka saling berhubungan dan memastikan berfungsinya selubung udara planet ini.

Batasan atmosfer

Tepi terendah atmosfer melewati hidrosfer dan lapisan atas litosfer. Batas atas dimulai di eksosfer yang terletak 700 kilometer dari permukaan planet dan akan mencapai 1,3 ribu kilometer.

Menurut beberapa laporan, atmosfernya mencapai 10 ribu kilometer. Para ilmuwan sepakat bahwa batas atas lapisan udara adalah garis Karman, karena aeronautika tidak lagi memungkinkan di sini.

Berkat penelitian terus-menerus di bidang ini, para ilmuwan telah menemukan bahwa atmosfer bersentuhan dengan ionosfer pada ketinggian 118 kilometer.

Komposisi kimia

Lapisan bumi ini terdiri dari gas dan pengotor gas, yang meliputi sisa pembakaran, garam laut, es, air, dan debu. Komposisi dan massa gas yang terdapat di atmosfer hampir tidak pernah berubah, hanya konsentrasi air dan karbon dioksida yang berubah.

Komposisi airnya bisa bervariasi antara 0,2 persen hingga 2,5 persen, bergantung pada garis lintang. Unsur tambahannya adalah klor, nitrogen, belerang, amonia, karbon, ozon, hidrokarbon, asam klorida, hidrogen fluorida, hidrogen bromida, hidrogen iodida.

Bagian terpisah ditempati oleh merkuri, yodium, brom, dan oksida nitrat. Selain itu, partikel cair dan padat yang disebut aerosol ditemukan di troposfer. Salah satu gas paling langka di planet ini, radon, ditemukan di atmosfer.

Dalam hal komposisi kimia, nitrogen menempati lebih dari 78% atmosfer, oksigen - hampir 21%, karbon dioksida - 0,03%, argon - hampir 1%, jumlah total zat kurang dari 0,01%. Komposisi udara ini terbentuk saat planet pertama kali muncul dan mulai berkembang.

Dengan munculnya manusia, yang secara bertahap beralih ke produksi, komposisi kimianya berubah. Secara khusus, jumlah karbon dioksida terus meningkat.

Fungsi atmosfer

Gas-gas di lapisan udara melakukan berbagai fungsi. Pertama, mereka menyerap sinar dan energi radiasi. Kedua, mempengaruhi pembentukan suhu di atmosfer dan di Bumi. Ketiga, ia menjamin kehidupan dan jalannya di Bumi.

Selain itu, lapisan ini menyediakan termoregulasi, yang menentukan cuaca dan iklim, cara distribusi panas dan tekanan atmosfer. Troposfer membantu mengatur aliran massa udara, menentukan pergerakan air, dan proses pertukaran panas.

Atmosfer terus-menerus berinteraksi dengan litosfer dan hidrosfer, menyediakan proses geologis. Fungsi terpentingnya adalah memberikan perlindungan dari debu asal meteorit, dari pengaruh luar angkasa dan matahari.

Data

Oksigen disediakan di Bumi melalui penguraian bahan organik dalam batuan padat, yang sangat penting selama emisi, penguraian batuan, dan oksidasi organisme.
Karbon dioksida membantu terjadinya fotosintesis, dan juga berkontribusi pada transmisi gelombang pendek radiasi matahari dan penyerapan gelombang panas panjang. Jika ini tidak terjadi, maka yang disebut efek rumah kaca akan terjadi.
Salah satu masalah utama yang terkait dengan atmosfer adalah polusi, yang terjadi akibat pengoperasian pabrik dan emisi mobil. Oleh karena itu, banyak negara telah menerapkan pengendalian lingkungan khusus, dan di tingkat internasional, mekanisme khusus sedang dilakukan untuk mengatur emisi dan efek rumah kaca.