Атмосфера

Представления о воздухе и областях над земной поверхностью существовали в античной и средневековой натурфилософии, однако современный термин «атмосфера» появился значительно позднее. Историк науки Крейг Мартин показал, что слово было создано в начале XVII века нидерландским математиком Виллебрордом Снеллом при латинском переводе космографических работ Симона Стевина; латинское ‘’atmosphaera’’ было образовано из греческих слов, означающих «пар» и «сфера».

В 1638 году английский учёный и богослов Джон Уилкинс употребил английскую форму слова в книге "The Discovery of a World in the Moone’", рассуждая о предполагаемой газовой оболочке Луны^[1]. В течение XVII века термин распространился в европейской научной литературе и стал связываться с физическими свойствами воздуха.

В 1643 году Эванджелиста Торричелли провёл опыт с ртутной трубкой, ставший первым измерением атмосферного давления и основой ртутного барометра. Барометрические и пневматические эксперименты XVII века способствовали формированию представления об атмосфере как о материальной газовой оболочке, обладающей весом, плотностью и давлением.

30 января 1930 года советский метеоролог Павел Александрович Молчанов впервые запустил радиозонд собственной конструкции, передававший данные о состоянии атмосферы по радио. Во второй половине XX века исследования стали опираться на метеорологические спутники и другие средства дистанционного зондирования, а космические аппараты сделали возможным прямое исследование атмосфер других планет. В XXI веке спектроскопия стала одним из основных методов определения состава атмосфер экзопланет^[2].

В планетологии атмосферой называют смесь газов и аэрозолей, удерживаемую гравитационным полем планеты или другого небесного тела. NASA определяет атмосферу также как оболочку газов, окружающую планету, естественный спутник или звезду. Поэтому понятие «атмосфера» шире понятия «атмосфера Земли»: земная атмосфера представляет собой один из частных случаев атмосфер небесных тел^[3].

Способность небесного тела сохранять газовую оболочку зависит, в частности, от его гравитации и температуры: более сильное притяжение затрудняет уход молекул газа в космос, тогда как нагревание верхней атмосферы высокоэнергетическим излучением способствует их утечке^[4].

Понятие «атмосфера» также использует философия^[5].

Атмосферное давление — это физическая величина, численно равная силе, действующей в атмосфере на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к планете. В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях, в средствах массовой информации давление атмосферы характеризуется также в миллиметрах ртутного столба. При «нормальных условиях», согласно Международной стандартной атмосфере, давление воздуха на среднем уровне моря при температуре 15 °C принято равным 101325 Па или 760 мм рт. ст. Давление атмосферы уменьшается с высотой в соответствии с барометрической формулой.

Начальный состав атмосферы планеты обычно зависит от химических и температурных свойств Солнца в период формирования планет и последующего выхода внешних газов. Затем состав газовой оболочки эволюционирует под действием различных факторов.

Атмосферы Венеры и Марса в основном состоят из диоксида углерода с небольшими добавлениями азота, аргона, кислорода и других газов. Земная атмосфера в большой степени является продуктом живущих в ней организмов. Состав атмосферы Земли: 78,084 % азота, 20,9476 % кислорода, изменяющееся количество водяного пара (в среднем около 1 %), 0,934 % аргона, 0,038 % диоксида углерода и небольшое количество водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

Низкотемпературные газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — могут удерживать газы с низкой молекулярной массой — водород и гелий. Высокотемпературные газовые гиганты, такие как Осирис или 51 Пегаса b, наоборот, не могут её удержать и молекулы их атмосферы рассеиваются в пространстве. Этот процесс протекает медленно, постоянно.

Атмосфера Земли состоит преимущественно из азота и кислорода: в сухом воздухе у поверхности их объёмные доли составляют приблизительно 78 % и 21 % соответственно. По характеру изменения температуры с высотой её подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. В тропосфере происходит основная часть явлений погоды^[6].

Методы исследования зависят от расстояния до объекта и свойств его атмосферы. Для атмосферы Земли доступны непосредственные измерения на поверхности и в воздухе, тогда как атмосферы далёких планет изучаются главным образом дистанционно.

• Наземные измерения. На метеорологических станциях измеряют температуру воздуха, атмосферное давление, влажность, направление и скорость ветра и другие метеорологические величины. Систематические наблюдения позволяют описывать состояние атмосферы, анализировать погоду и формировать многолетние климатические ряды^[7].
• Аэрологическое зондирование. Для измерений в толще земной атмосферы применяют радиозонды, поднимаемые метеорологическими аэростатами. Стандартный радиозонд измеряет температуру, влажность и давление; по траектории его полёта определяют направление и скорость ветра на различных высотах. По данным Росгидромета, стандартная высота подъёма составляет 25—30 км, а продолжительность наблюдения — около 90—100 минут.
• Дистанционное зондирование. Дистанционные методы основаны на регистрации электромагнитного излучения, прошедшего через атмосферу, рассеянного ею либо испущенного атмосферой и поверхностью. Спутниковые приборы позволяют исследовать облачность, аэрозоли, водяной пар, температуру и химический состав атмосферы на больших территориях.
• Спектроскопия. Спектроскопия позволяет определять химический состав атмосферы по характерным длинам волн, которые поглощают или излучают атомы и молекулы^[8]. Для атмосфер экзопланет применяется трансмиссионная спектроскопия: во время прохождения планеты перед звездой часть звёздного света проходит через атмосферу, а молекулы поглощают определённые диапазоны длин волн. По спектру можно выявлять присутствие водяного пара, диоксида углерода, метана и других веществ.
• Исследования космическими аппаратами. Атмосферы планет Солнечной системы исследуются дистанционными приборами орбитальных аппаратов, а также приборами спускаемых аппаратов и атмосферных зондов. Контактные измерения позволяют непосредственно определять температуру, давление, плотность и химический состав газа вдоль траектории аппарата.

Атмосферы изучаются несколькими научными дисциплинами. Метеорология исследует физические процессы и состояние земной атмосферы, климатология — закономерности климата, а физика и химия атмосферы — динамику, термодинамику и химический состав газовой оболочки. В планетологии атмосферы рассматриваются как источник сведений о происхождении и эволюции планет и спутников.

Изучение атмосфер экзопланет относится к современной астрофизике и планетологии: спектральные наблюдения используются для определения химического состава и физических свойств газовой оболочки.

⚠️ Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Атмосфера» необходимо усвоить, что это газовая оболочка Земли, удерживаемая силой тяжести и вращающаяся вместе с планетой, которая состоит из смеси газов (азот — 78 %, кислород — 21 %, аргон, углекислый газ и другие примеси) и разделяется на слои: тропосфера (до 8-18 км, где формируется погода и содержится 80 % массы воздуха), стратосфера (до 50-55 км, в которой находится озоновый слой, поглощающий ультрафиолет), мезосфера, термосфера (ионосфера) и экзосфера.

Ключевое для ЕГЭ — понимать, что атмосфера обеспечивает жизнь на Земле (защита от метеоритов и жёсткого излучения, парниковый эффект, круговорот воды), а также знать основные характеристики: атмосферное давление (нормальное — 760 мм рт. ст. на уровне моря, снижается с высотой), температура (понижается в тропосфере на 6 °C на каждый километр), влажность, облачность и циркуляцию (пассаты, западные ветры, муссоны).

В заданиях ЕГЭ могут попросить: объяснить причины изменения температуры и давления с высотой, определить тип облаков или воздушных масс, проанализировать климатограммы, или объяснить, как атмосферная циркуляция влияет на климат регионов.

Систематизируйте через блок «состав и строение (слои) → физические свойства (давление, температура, влажность) → циркуляция (ветры, воздушные массы) → значение для жизни и хозяйства → связь с климатом».