Атмосфера, раздел «Физик»
Это слово происходит от греческих слов ατμός и σφαῖρ, которые означают «пар» и «сфера». Газовые оболочки окружают все звезды и все большие планеты. Малые же небесные тела лишены атмосфер. Происходит это потому, что ускорение силы тяжести g на поверхности малых небесных тел и их радиус R недостаточно велики, отчего вторая космическая скорость v = √(2gR) оказывается меньше тепловой скорости газовых молекул — малые небесные тела не могут удержать газ.
Но даже от звезд и больших планет газ атмосфер медленно улетучивается в космос. Так, Солнце теряет каждую секунду 109 кг водорода и гелия. Поток протонов, ядер гелия и электронов от нашей звезды называют солнечным ветром. А с Земли ежесекундно улетучивается в космос 1 кг водорода. Откуда же берется этот водород? Его ведь ничтожно мало в приземном воздухе.
Оказывается, водород образуется на высотах 90—150 км из паров воды под действием ультрафиолетовой части излучения Солнца. Оценим, надолго ли хватит воды в земном океане (m = 1,4•1021 кг) при такой убыли водорода. Окажется, что весь океан испарится только через 5000 млрд. лет, что в 1000 раз больше современного возраста Земли.
На больших высотах в атмосфере Земли ультрафиолетовое излучение Солнца разбивает не только молекулы воды. Начиная с высоты 90 км состав атмосферы существенно отличается от привычного нам состава приземного воздуха. Происходит это потому, что на этих высотах газы из молекулярных становятся атомарными. Ясно, что чем меньше масса атома или молекулы, тем легче этому газу за счет теплового движения подняться на большую высоту, а в конечном счете и улетучиться в космос.
Строение планетных атмосфер определяется, с одной стороны, их составом, а с другой — интенсивностью солнечного излучения и, следовательно, расстоянием до Солнца. Атмосферу Земли разделяют на несколько слоев (см. рис.) в зависимости от того, возрастает в них температура с высотой или понижается. 80% всего воздуха Земли сосредоточено в тропосфере — слое, прилегающем к поверхности. Это самая важная для нас часть атмосферы. Неравномерный нагрев тропосферы рождает ветры всей планеты. Трение ветра о водную поверхность приводит к образованию пассатных и муссонных течений. Испарившаяся с поверхности морей и океанов вода, поднявшись в высоту, конденсируется в мелкие капельки облаков и туманов, из них выпадают осадки.
На высотах 20—50 км расположен озонный слой. Именно озон O3, поглощающий ультрафиолетовое солнечное излучение, и дает повышение температуры на высотах около 50 км. В отсутствие озонного «экрана», защищающего нас от ультрафиолетового излучения, в больших дозах вредного для здоровья, жизнь на Земле в современных ее формах оказалась бы невозможной.
Выше 90 км солнечное излучение не только вызывает химические реакции разложения газов, но и ионизирует их. Образующиеся при этом ионы и свободные электроны располагаются несколькими слоями ионосферы Земли. На высотах 150—1000 км из‑за поглощения солнечного излучения атомами температура термосферы и экзосферы повышается. Эту температуру, однако, нельзя измерить термометром: плотность газа на этих высотах так мала, что тепловое равновесие между ним и термометром не могло бы установиться. Температура в данном случае измеряется по средней кинетической энергии молекул и атомов; она достигает 700—900 °C.
