Точний розмір атмосфери невідомий, оскільки її верхня межа не простежується. Однак будову атмосфери вивчено достатньо для того, щоб кожен міг отримати уявлення про те, як влаштована газова оболонка нашої планети.

Вчені, що вивчають фізику атмосфери, визначають її як область навколо Землі, що обертається разом із планетою. ФАІ дає таке визначення:

• межа між космосом та атмосферою проходить по лінії Кармана. Лінія ця, за визначенням тієї ж організації, - це висота над рівнем моря, що знаходиться на висоті 100 км.

Все, що вище за цю лінію – космічний простір. У міжпланетний простір атмосфера переходить поступово, саме тому є різні уявлення про її розміри.

З нижньою межею атмосфери все набагато простіше - вона проходить поверхнею земної кори і водної поверхні Землі - гідросфері. При цьому межа, можна сказати, зливається із земною та водною поверхнею, тому що частинки там також розчинені частинки повітря.

Які шари атмосфери входять до розміру Землі

Цікавий факт: взимку вона знаходиться нижче, влітку – вище.

Саме в цьому шарі виникає турбулентність, антициклони та циклони, утворюються хмари. Саме ця сфера відповідає за формування погоди, у ній розташовано приблизно 80% усіх повітряних мас.

Тропопаузою називають шар, у якому з висотою не відбувається зниження температури. Вище тропопаузи, на висоті вище 11 і до 50 км. У стратосфері знаходиться шар озону, який, як відомо, захищає планету від ультрафіолетових променів. Повітря в цьому шарі розряджене, пояснюється характерний фіолетовий відтінок неба. Швидкість повітряних потоків тут може досягати 300 км/годину. Між стратосферою та мезосферою знаходиться стратопауза – прикордонна сфера, в якій має місце температурний максимум.

Наступний шар – . Вона тягнеться до висот 85-90 кілометрів. Колір неба у мезосфері – чорний, тому зірки можна спостерігати навіть уранці та вдень. Там відбуваються найскладніші фотохімічні процеси, під час яких виникає свічення атмосфери.

Між мезосферою та наступним шаром знаходиться мезопауза. Його визначають як перехідний шар, у якому спостерігається температурний мінімум. Вище на висоті 100 кілометрів над рівнем моря знаходиться лінія Кармана. Вище цієї лінії знаходяться термосфера (межа висоти 800км) та екзосфера, яку також називають «зоною розсіювання». Вона на висоті приблизно 2-3 тисячі кілометрів переходить у близькокосмічний вакуум.

Зважаючи на те, що верхній шар атмосфери чітко не простежується, точний її розмір вирахувати неможливо. Крім того, в різних країнахіснують організації, які дотримуються різних думок щодо цього. Слід зазначити, що лінію Кишеніможна вважати кордоном земної атмосфери лише умовно, оскільки різні джерела використовують різні позначки кордонів. Так, у деяких джерелах можна знайти відомості про те, що верхня межа проходить на висоті 2500-3000 км.

NASA для розрахунків використовує позначку 122 кілометри. Нещодавно були проведені експерименти, які уточнили кордон, як розташований на позначці 118км.

Газова оболонка, що оточує нашу планету Земля, відома як атмосфера, складається з п'яти основних шарів. Ці шари беруть початок на поверхні планети, від рівня моря (іноді нижче) і піднімаються до космічного простору в наступній послідовності:

• Тропосфера;
• Стратосфера;
• мезосфера;
• Термосфера;
• Екзосфера.

Схема основних шарів атмосфери Землі

У проміжку між кожним із цих основних п'яти шарів знаходяться перехідні зони, які називаються «паузами», де відбуваються зміни температури, складу та щільності повітря. Разом з паузами, атмосфера Землі загалом включає 9 шарів.

Тропосфера: де відбувається погода

З усіх шарів атмосфери тропосфера є тим, з яким ми найбільше знайомі (усвідомлюєте це чи ні), тому що ми живемо на її дні - поверхні планети. Вона огортає поверхню Землі і простягається на кілька кілометрів. Слово тропосфера означає "зміна кулі". Дуже підходяща назва, тому що цей шар де відбувається наша повсякденна погода.

Починаючи з поверхні планети тропосфера піднімається на висоту від 6 до 20 км. Нижня третина шару, що найближча до нас, містить 50% усіх атмосферних газів. Це єдина частина всього складу атмосфери, що дихає. Завдяки тому, що повітря нагрівається знизу земною поверхнею, що поглинає теплову енергію Сонця, зі збільшенням висоти температура та тиск тропосфери знижуються.

На вершині знаходиться тонкий шар, званий тропопаузою, який є лише буфером між тропосферою і стратосферою.

Стратосфера: будинок озону

Стратосфера – наступний шар атмосфери. Він тягнеться від 6-20 км до 50 км над земною поверхнею Землі. Це шар, у якому літають більшість комерційних авіалайнерів та подорожують повітряні кулі.

Тут повітря не тече вгору і вниз, а рухається паралельно до поверхні в дуже швидких повітряних потоках. У міру того, як ви піднімаєтесь, температура збільшується, завдяки великій кількості природного озону (O 3) - побічного продукту сонячної радіаціїі кисню, який має здатність поглинати шкідливі ультрафіолетові промені сонця (будь-яке підвищення температури з висотою в метеорології, відоме як "інверсія").

Оскільки стратосфера має більш теплі температури внизу і прохолодніші нагорі, конвекція (вертикальні переміщення повітряних мас) зустрічається рідко в цій частині атмосфери. Фактично, ви можете розглядати зі стратосфери бурю, що бушує в тропосфері, оскільки шар діє як «ковпачок» для конвекції, через який не проникають штормові хмари.

Після стратосфери знову слідує буферний шар, цього разу званий стратопаузою.

Мезосфера: середня атмосфера

Мезосфера знаходиться приблизно на відстані 50-80 км від Землі. Верхня область мезосфери є найхолоднішим природним місцем Землі, де температура може опускатися нижче -143° C.

Термосфера: верхня атмосфера

Після мезосфери і мезопаузи слідує термосфера, розташована між 80 і 700 км над поверхнею планети, і містить менше 0,01% всього повітря в атмосферній оболонці. Температури тут досягають до +2000 ° C, але через сильну розрідженість повітря і брак молекул газу для перенесення тепла, ці високі температури сприймаються, як дуже холодні.

Екзосфера: межа атмосфери та космосу

На висоті близько 700-10000 км над земною поверхнею знаходиться екзосфера - зовнішній край атмосфери, що межує з космосом. Тут метеорологічні супутники обертаються довкола Землі.

Як щодо іоносфери?

Іоносфера є окремим шаром, а насправді цей термін використовується для позначення атмосфери на висоті від 60 до 1000 км. Вона включає найвищі частини мезосфери, всю термосферу і частину екзосфери. Іоносфера отримала свою назву, тому що в цій частині атмосфери випромінювання Сонця іонізується, коли проходить магнітні поля Землі і . Це явище спостерігається із землі як північне сяйво.

Атмосфера – газова оболонка нашої планети, яка обертається разом із Землею. Газ, що у атмосфері, називають повітрям. Атмосфера стикається з гідросферою та частково покриває літосферу. А ось верхні межі визначити важко. Умовно прийнято вважати, що атмосфера простягається нагору приблизно на три тисячі кілометрів. Там вона плавно перетікає у безповітряний простір.

Хімічний склад атмосфери Землі

Формування хімічного складу атмосфери розпочалося близько чотирьох мільярдів років тому. Спочатку атмосфера складалася лише з легких газів – гелію та водню. На думку вчених, вихідними передумовами створення газової оболонки навколо Землі стали виверження вулканів, які разом з лавою викидали величезну кількість газів. Надалі розпочався газообмін з водними просторами, з живими організмами, з продуктами їхньої діяльності. Склад повітря поступово змінювався та у сучасному вигляді зафіксувався кілька мільйонів років тому.

Головні складові атмосфери це азот (близько 79%) і кисень (20%). Відсоток (1%), що залишився, припадає на такі гази: аргон, неон, гелій, метан, вуглекислий газ, водень, криптон, ксенон, озон, аміак, двоокису сірки і азоту, закис азоту і окис вуглецю, що входять в цей один відсоток.

Крім того, в повітрі міститься водяна пара і тверді частинки (пилок рослин, пил, кристали солі, домішки аерозолів).

Останнім часом вчені відзначають не якісну, а кількісну зміну деяких інгредієнтів повітря. І причина цього - людина та її діяльність. Лише за останні 100 років вміст вуглекислого газу значно зріс! Це загрожує багатьма проблемами, найбільш глобальна з яких – зміна клімату.

Формування погоди та клімату

Атмосфера грає найважливішу роль формуванні клімату та погоди Землі. Дуже багато залежить від кількості сонячних променів, від характеру підстилаючої поверхні та атмосферної циркуляції.

Розглянемо чинники з порядку.

1. Атмосфера пропускає тепло сонячних променів та поглинає шкідливу радіацію. Про те, що промені Сонця падають різні ділянки Землі під різними кутами, знали ще древні греки. Саме слово "клімат" у перекладі з давньогрецької означає "нахил". Так, на екваторі сонячні промені падають практично прямовисно, тому тут дуже спекотно. Що ближче до полюсів, то більший кут нахилу. І температура знижується.

2. Через нерівномірне нагрівання Землі в атмосфері формуються повітряні течії. Вони класифікуються за своїми розмірами. Найменші (десятки та сотні метрів) – це місцеві вітри. Далі йдуть мусони та пасати, циклони та антициклони, планетарні фронтальні зони.

Усі ці повітряні маси постійно переміщуються. Деякі їх досить статичні. Наприклад, пасати, які дмуть від субтропіків у напрямку екватора. Рух інших багато в чому залежить від атмосферного тиску.

3. Атмосферний тиск – ще один фактор, що впливає на формування клімату. Це тиск повітря на поверхню ґрунту. Як відомо, повітряні маси переміщуються з області з підвищеним атмосферним тиском у бік області, де тиск нижче.

Усього виділено 7 зон. Екватор – зона низького тиску. Далі, по обидва боки від екватора до тридцятих широт - область високого тиску. Від 30 ° до 60 ° - знову низький тиск. А від 60 ° до полюсів – зона високого тиску. Між цими зонами циркулюють повітряні маси. Ті, що йдуть з моря на сушу, несуть дощі та негоду, а ті, що дмуть з континентів – ясну та суху погоду. У місцях, де повітряні течії стикаються, утворюються зони атмосферного фронту, які характеризуються опадами та ненастною, вітряною погодою.

Вчені довели, що від атмосферного тиску залежить навіть здоров'я людини. За міжнародними стандартами нормальний атмосферний тиск – 760 мм рт. стовпа за температури 0°C. Цей показник розрахований на ті ділянки суші, які перебувають практично нарівні з рівнем моря. З висотою тиск знижується. Тому, наприклад, для Санкт-Петербурга 760 мм рт. - це норма. А ось для Москви, яка розташована вище, нормальний тиск – 748 мм рт.ст.

Тиск змінюється не лише по вертикалі, а й по горизонталі. Особливо це відчувається під час проходження циклонів.

Будова атмосфери

Атмосфера нагадує листковий пиріг. І кожний шар має свої особливості.

. Тропосфера- Найближчий до Землі шар. "Товщина" цього шару змінюється при віддаленні від екватора. Над екватором шар простягається вгору на 16-18 км, у помірних зонах – на 10-12 км, на полюсах – на 8-10 км.

Саме тут міститься 80% усієї маси повітря та 90% водяної пари. Тут утворюються хмари, виникають циклони та антициклони. Температура повітря залежить від висоти. В середньому вона знижується на 0,65 ° C на кожні 100 метрів.

. Тропопауза- Перехідний шар атмосфери. Його висота – від кількох сотень метрів до 1-2 км. Температура повітря влітку вища, ніж узимку. Так, наприклад, над полюсами взимку -65 ° C. А над екватором будь-якої пори року тримається -70 ° C.

. Стратосфера- це шар, верхня межа якого проходить на висоті 50-55 км. Турбулентність тут низька, вміст водяної пари в повітрі – незначний. Зате дуже багато озону. Максимальна його концентрація – на висоті 20-25 км. У стратосфері температура повітря починає підвищуватися і досягає позначки +0,8 ° C. Це зумовлено тим, що озоновий шар взаємодіє з ультрафіолетовим випромінюванням.

. Стратопауза- невисокий проміжний шар між стратосферою і наступною за нею мезосферою.

. Мезосфера- верхня межа цього шару – 80-85 кілометрів. Тут відбуваються складні фотохімічні процеси з участю вільних радикалів. Саме вони забезпечують те ніжне блакитне сяйво нашої планети, яке бачиться з космосу.

У мезосфері згоряє більшість комет та метеоритів.

. Мезопауза- наступний проміжний шар, температура повітря в якому -90°.

. Термосфера- нижня межа починається висоті 80 - 90 км, а верхня межа шару проходить приблизно за позначкою 800 км. Температура повітря зростає. Вона може варіюватися від +500 ° C до +1000 ° C. Протягом доби температурні коливання становлять сотні градусів! Але повітря тут настільки розріджене, що розуміння терміна "температура" як ми його уявляємо, тут не доречно.

. Іоносфера- поєднує мезосферу, мезопаузу та термосферу. Повітря тут складається в основному з молекул кисню та азоту, а також із квазінейтральної плазми. Сонячні промені, потрапляючи в іоносферу, сильно іонізують молекули повітря. У нижньому шарі (до 90 км) ступінь іонізації низька. Що вище, то більше вписувалося іонізація. Так, на висоті 100–110 км електрони концентруються. Це сприяє відображенню коротких та середніх радіохвиль.

Найважливіший шар іоносфери – верхній, що знаходиться на висоті 150-400 км. Його особливість у цьому, що він відбиває радіохвилі, але це сприяє передачі радіосигналів на значні відстані.

Саме в іоносфері відбувається таке явище, як полярне сяйво.

. Екзосфера- складається з атомів кисню, гелію та водню. Газ у цьому шарі дуже розріджений і нерідко атоми водню вислизають у космічний простір. Тому цей шар і називають "зоною розсіювання".

Першим ученим, який припустив, що наша атмосфера має вагу, був італієць Е. Торрічеллі. Остап Бендер, наприклад, у романі "Золоте теля" журився, що на кожну людину тисне повітряний стовп вагою в 14 кг! Але великий комбінатор трохи помилявся. Доросла людина відчуває на себе тиск 13-15 тонн! Але ми не відчуваємо цієї тяжкості, тому що атмосферний тиск урівноважується внутрішнім тиском людини. Вага нашої атмосфери становить 5 300 000 000 000 000 тонн. Цифра колосальна, хоча це лише мільйонна частина ваги нашої планети.

Атмосфера є сумішшю різних газів. Вона простягається від Землі на висоту до 900 км, захищаючи планету від шкідливого спектра сонячного випромінювання, і містить гази, необхідних всього живого планети. Атмосфера затримує сонячне тепло, нагріваючи біля земної поверхні та створюючи сприятливий клімат.

Склад атмосфери

Атмосфера Землі складається переважно з двох газів - азоту (78%) і кисню (21%). Крім того, вона містить домішки вуглекислого та інших газів. в атмосфері існує у вигляді пари, крапель вологи у хмарах та кристаликів льоду.

Шари атмосфери

Атмосфера складається з багатьох верств, між якими немає чітких меж. Температури різних верств помітно відрізняються одна від одної.

Безповітряна магнітосфера. Тут літає більшість супутників Землі поза земної атмосфери. Екзосфера (450-500 км. від поверхні). Майже не містить газів. Деякі супутники погоди здійснюють польоти в екзосфері. Термосфера (80-450 км) характеризується високими температурами, що досягають верхньому шарі 1700°С. Мезосфери (50-80 км). У цій сфері температура падає зі збільшенням висоти. Саме тут згоряють більшість метеоритів (уламків космічних порід), що потрапляють в атмосферу. Стратосфера (15-50 км). Містить озоновий спой, тобто шар озону, що поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця. Це призводить до підвищення температури біля Землі. Тут зазвичай літають реактивні літаки, оскільки видимість у цьому шарі дуже хороша і майже немає перешкод, спричинених погодними умовами. Тропосфери. Висота варіюється від 8 до 15 км. від земної поверхні. Саме тут формується погода планети, оскільки цьому шарі міститься найбільше водяної пари, пилу і виникають вітри. Температура знижується при віддаленні від земної поверхні.

Атмосферний тиск

Хоча ми й не відчуваємо цього, шари атмосфери чинять тиск на поверхню Землі. Найбільш високе біля поверхні, а при віддаленні від неї воно поступово знижується. Воно залежить від перепаду температур суші та океану, і тому в районах, що знаходяться на однаковій висоті над рівнем моря, нерідко буває різний тиск. Низький тиск приносить сиру погоду, а за високого зазвичай встановлюєте ясна погода.

Рух повітряних мас у атмосфері

І тиск змушують у нижніх шарах атмосфери перемішатися. Так виникають вітри, що дмуть із областей високого тиску в області низького. У багатьох регіонах виникають і місцеві вітри, спричинені перепадами температур суші та моря. Гори також істотно впливають на напрям вітрів.

Парниковий ефект

Вуглекислий газ та інші гази, що входять до складу земної атмосфери, затримують сонячне тепло. Цей процес прийнято називати парниковим ефектом, оскільки багато в чому нагадує циркуляцію тепла в парниках. Парниковий ефект спричиняє глобальне потепління на планеті. В областях високого тиску – антициклонах – встановлюється ясна сонячна. В областях низького тиску – циклонах – зазвичай стоїть нестійка погода. Тепло та світлова, що надходять в атмосферу. Гази затримують тепло, що відбивається від земної поверхні, викликаючи цим підвищення температури Землі.

У стратосфері існує спеціальний озоновий шар. Озон затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, захищаючи від нього Землю та все живе на ній. Вчені встановили, що причиною руйнування озонового шару є особливі хлорофторвуглекислі гази, що містяться в деяких аерозолях і холодильному устаткуванні. Над Арктикою та Антарктидою в озоновому шарі було виявлено величезні дірки, що сприяють збільшенню кількості ультрафіолетового випромінювання, що впливає на поверхню Землі.

Озон утворюється в нижніх шарах атмосфери в результаті між сонячним випромінюваннямта різними вихлопними димами та газами. Зазвичай він розсіюється по атмосфері, але якщо під шаром теплого повітря утворюється замкнутий шар холодного, озон концентрується і виникає зміг. На жаль, це не може компенсувати втрати озону в озонових дірах.

На фото з супутника добре видно дірку в озоновому шарі над Антарктикою. Розміри дірки змінюються, але вчені вважають, що вона постійно зростає. Робляться спроби знизити рівень вихлопних газів у атмосфері. Слід зменшувати забруднення повітря та застосовувати у містах бездимні види палива. Зміг викликає роздратування очей та задуху у багатьох людей.

Виникнення та еволюція атмосфери Землі

Сучасна атмосфера Землі є результатом тривалого еволюційного розвитку. Вона виникла внаслідок спільних процесів геологічних чинників та життєдіяльності організмів. Протягом усієї геологічної історії земна атмосфера пережила кілька глибоких перебудов. На основі геологічних даних та теоретичних (передумов первісна атмосфера молодої Землі, що існувала близько 4 млрд. років тому, могла складатися із суміші інертних та благородних газів з невеликим додаванням пасивного азоту (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монін, 1987; О. Г. Сорохтін, С. А. Ушаков, 1991, 1993) В даний час погляд на склад і будову ранньої атмосфери дещо видозмінився. 4,2 млрд. років, могла складатися з суміші метану, аміаку і вуглекислого газу.В результаті дегазації мантії та активних процесів вивітрювання в атмосферу, що протікають на земній поверхні, стали надходити пари води, з'єднання вуглецю у вигляді СО 2 і СО, сірки та її сполук , а також сильних галогенних кислот - НСI, НF, НI і борної кислоти, які доповнювалися метаном, аміаком, воднем, аргоном та деякими іншими благородними газами, що знаходилися в атмосфері. надзвичайно тонкою. Тому температура біля земної поверхні була близькою до температури променистої рівноваги (А. С. Монін, 1977).

З часом газовий склад первинної атмосфери під впливом процесів вивітрювання гірських порід, що виступали на земній поверхні, життєдіяльності ціанобактерій та синьо-зелених водоростей, вулканічних процесів та дії сонячних променів став трансформуватися. Привело це до розкладання метану на вуглекислоту, аміаку - на азот і водень; у вторинній атмосфері стали накопичуватися вуглекислий газ, який повільно опускався до земної поверхні, та азот. Завдяки життєдіяльності синьо-зелених водоростей у процесі фотосинтезу став вироблятися кисень, який, проте, спочатку переважно витрачався на «окислення атмосферних газів, та був і гірських порід. При цьому аміак, що окислився до молекулярного азоту, став активно накопичуватися в атмосфері. Як передбачається, значна чай азоту сучасної атмосфери є реліктовою. Метан та оксид вуглецю окислялися до вуглекислоти. Сірка та сірководень окислювалися до SO 2 і SO 3 , які внаслідок своєї високої рухливості та легкості швидко віддалилися з атмосфери. Таким чином, атмосфера з відновної, якою вона була в археї та ранньому протерозої, поступово перетворювалася на окисну.

Вуглекислий газ надходив в атмосферу як внаслідок окиснення метану, так і внаслідок дегазації мантії та вивітрювання гірських порід. У тому випадку, якби весь вуглекислий газ, що виділився за всю історію Землі, зберігся в атмосфері, його парціальний тиск у цей час міг стати таким самим, як на Венері (О. Сорохтін, С. А. Ушаков, 1991). Але Землі діяв зворотний процес. Значна частина вуглекислого газу з атмосфери розчинялася в гідросфері, в якій він використовувався гідробіонтами для побудови своєї раковини та біогенним шляхом перетворювався на карбонати. Надалі з них були сформовані найпотужніші товщі хемогенних та органогенних карбонатів.

Кисень в атмосферу надходив із трьох джерел. Протягом тривалого часу, починаючи з моменту виникнення Землі, він виділявся в процесі дегазації мантії та в основному витрачався на окисні процеси, Іншим джерелом кисню була фотодисоціація водяної пари жорстким ультрафіолетовим сонячним випромінюванням. появ; вільного кисню в атмосфері призвело до загибелі більшості прокаріотів, які мешкали у відновлювальних умовах. Прокаріотні організми змінили місця свого проживання. Вони пішли з поверхні Землі в її глибини та області, де ще зберігалися відновлювальні умови. Їм на зміну прийшли еукаріоти, які стали активно переробляти вуглекислоту в кисень.

Протягом архею та значної частини протерозою практично весь кисень, що виникає як: абіогенним, так і біогенним шляхом, переважно витрачався на окислення заліза та сірки. Вже до кінця протерозою все металеве двовалентне залізо, що знаходилося на земній поверхні або окислилося, або перемістилося в земне ядро. Це спричинило те, що парціальний тиск кисню в раннепротерозойской атмосфері змінилося.

У середині протерозою концентрація кисню в атмосфері досягала точки Юрі та становила 0,01% сучасного рівня. Починаючи з цього часу кисень став накопичуватися в атмосфері і, ймовірно, вже наприкінці рифея його вміст досяг точки Пастера (0,1% сучасного рівня). Можливо, у вендському періоді виник озоновий шар і цього часу вже ніколи не зникав.

Поява вільного кисню в земній атмосфері стимулювало еволюцію життя і призвело до виникнення нових форм із досконалішим метаболізмом. Якщо раніше еукаріотні одноклітинні водорості і ціанеї, що з'явилися на початку протерозою, вимагали вмісту кисню у воді всього 10 -3 його сучасної концентрації, то з виникненням безскелетних Metazoa в кінці раннього венду, тобто близько 650 млн. років тому, концентрація в атмосфері мала б бути значно вищою. Адже Metazoa використовували кисневе дихання і для цього потрібно, щоб парціальний тиск кисню досяг критичного рівня - точки Пастера. У цьому випадку анаеробний процес бродіння змінився енергетично перспективнішим і прогресивнішим кисневим метаболізмом.

Після цього подальше накопичення кисню у земній атмосфері відбувалося досить швидко. Прогресивне збільшення обсягу синьо-зелених водоростей сприяло досягненню в атмосфері необхідного для життєзабезпечення тваринного світу рівня кисню. Певна стабілізація вмісту кисню в атмосфері відбулася з того моменту, коли рослини вийшли на сушу – приблизно 450 млн. років тому. Вихід рослин на сушу, що стався в силурійському періоді, призвів до остаточної стабілізації кисню в атмосфері. Починаючи з цього часу його концентрація стала коливатися в досить вузьких межах, які ніколи не сходили за межі життя. Повністю концентрація кисню у атмосфері стабілізувалася від часу появи квіткових рослин. Ця подія сталася у середині крейдового періоду, тобто. близько 100 млн років тому.

Переважна більшість азоту сформувалася ранніх стадіях розвитку Землі, головним чином з допомогою розкладання аміаку. З появою організмів почався процес зв'язування атмосферного азоту в органічну речовину та поховання їх у морських опадів. Після виходу організмів на сушу азот став похований і в континентальних опадів. Особливо посилилися процеси переробки вільного азоту із появою наземних рослин.

На рубежі криптозою та фанерозою, тобто близько 650 млн. років тому, вміст вуглекислого газу в атмосфері знизився до десятих часток відсотків, а змісту, близького до сучасного рівня, він досяг лише зовсім недавно, приблизно 10-20 млн. років тому.

Отже, газовий склад атмосфери як надавав організмам життєвий простір, а й визначав особливості їх життєдіяльності, сприяв розселенню та еволюції. Збої, що виникають у розподілі сприятливого для організмів газового складу атмосфери як через космічні, так і планетарні причини призводили до масових вимирань органічного світу, які неодноразово відбувалися протягом криптозою і на певних рубежах фанерозойської історії.

Етносферні функції атмосфери

Атмосфера Землі забезпечує необхідною речовиною, енергією та визначає спрямованість та швидкість метаболічних процесів. Газовий склад сучасної атмосфери є оптимальним для існування та розвитку життя. Будучи областю формування погоди та клімату, атмосфера повинна створювати комфортні умовидля життєдіяльності людей, тварин та рослинності. Відхилення в той чи інший бік як атмосферне повітря та погодні умови створюють екстремальні умови для життєдіяльності тваринного та рослинного світу, у тому числі й для людини.

Атмосфера Землі як забезпечує умови існування людства, будучи основним чинником еволюції етносфери. Вона водночас виявляється енергетичним та сировинним ресурсом виробництва. В цілому атмосфера - це фактор, що зберігає здоров'я людини, а деякі області в силу фізико-географічних умов та якості атмосферного повітря служать рекреаційними територіями та є областями, призначеними для санаторно-курортного лікування та відпочинку людей. Таким чином, атмосфера є фактором естетичного та емоційного впливу.

Етносферні та техносферні функції атмосфери, визначені зовсім недавно (Є. Д. Нікітін, Н. А. Ясаманов, 2001), потребують самостійного та поглибленого дослідження. Так, дуже актуальним є вивчення енергетичних атмосферних функцій як з погляду виникнення та дії процесів, що завдають шкоди навколишньому середовищу, так і з погляду на здоров'я та добробут людей. У даному випадку йдеться про енергію циклонів і антициклонів, атмосферних вихорів, атмосферний тиск та інші екстремальні атмосферні явища, ефективне використання яких сприятиме успішному вирішенню проблеми отримання альтернативних джерел енергії, що не забруднюють довкілля. Адже повітряне середовище, особливо та його частина, яка знаходиться над Світовим океаном, є областю виділення колосального обсягу вільної енергії.

Наприклад, встановлено, що тропічні циклони середньої сили за добу виділяють енергію, еквівалентну енергії 500 тис. атомних бомб, скинутих на Хіросіму та Нагасакі. За 10 днів існування такого циклону вивільняється енергія, достатньої для задоволення всіх енергетичних потреб такої країни, як США, протягом 600 років.

Останніми роками було опубліковано велику кількість робіт учених природничо-наукового профілю, що тією чи іншою мірою стосуються різних сторін діяльності та впливу атмосфери на земні процеси, що свідчить про активізацію міждисциплінарних взаємодій у сучасному природознавстві. У цьому проявляється інтегруюча роль певних його напрямів, серед яких слід зазначити функціонально-екологічний напрямок у геоекології.

Даний напрямок стимулює аналіз та теоретичне узагальнення з екологічних функцій та планетарної ролі різних геосфер, а це, у свою чергу, є важливою передумовою для розробки методології та наукових засад цілісного вивчення нашої планети, раціонального використання та охорони її природних ресурсів.

Атмосфера Землі складається з кількох шарів: тропосфери, стратосфери, мезосфери, термосфери, іоносфери та екзосфери. У верхній частині тропосфери і нижній частині стратосфери розташовується шар, збагачений озоном, що називається озоновим екраном. Встановлено певні (добові, сезонні, річні тощо) закономірності у розподілі озону. З часу виникнення атмосфера впливає протягом планетарних процесів. Первинний склад атмосфери був зовсім іншим, ніж у час, але з часом неухильно зростали частка і роль молекулярного азоту, близько 650 млн. років тому виник вільний кисень, кількість якого безперервно підвищувалося, але відповідно знижувалася концентрація вуглекислого газу. Висока рухливість атмосфери, її газовий склад та наявність аерозолів зумовлюють її визначну роль та активну участь у різноманітних геологічних та біосферних процесах. Велика роль атмосфери у перерозподілі сонячної енергії та розвитку катастрофічних стихійних явищ та лих. Негативний вплив на органічний світ та природні системи надають атмосферні вихори – смерчі (торнадо), урагани, тайфуни, циклони та інші явища. Основними джерелами забруднень поряд із природними факторами виступають різні формигосподарську діяльність людини. Антропогенні на атмосферу виражаються у появі різних аерозолів і парникових газів, а й у збільшенні кількості водяної пари, і виявляються як смогів і кислотних дощів. Парникові гази змінюють температурний режим земної поверхні, викиди деяких газів зменшують об'єм озонового екрана та сприяють виникненню озонових дірок. Велика етносферна роль атмосфери Землі.

Роль атмосфери у природних процесах

Приземна атмосфера свого проміжного стану між літосферою і космічним простором і свого газового складу створює умови для життєдіяльності організмів. Водночас від кількості, характеру та періодичності атмосферних опадів, від частот та сили вітрів та особливо від температури повітря залежать вивітрювання та інтенсивність руйнування гірських порід, перенесення та акумуляція уламкового матеріалу. Атмосфера є центральним компонентом кліматичної системи. Температура і вологість повітря, хмарність і опади, вітер - все це характеризує погоду, тобто стан атмосфери, що безперервно змінюється. Одночасно ці компоненти характеризують і клімат, тобто. усереднений багаторічний режим погоди.

Склад газів, наявність хмарності та різних домішок, які називаються аерозольними частинками (попіл, пил, частинки водяної пари), визначають особливості проходження сонячної радіації крізь атмосферу та перешкоджають відходу теплового випромінювання Землі до космічного простору.

Атмосфера Землі дуже рухлива. Виникають у ній процеси та зміни її газового складу, товщини, хмарності, прозорості та наявність у ній тих чи інших аерозольних частинок впливають як на погоду, так і на клімат.

Дія та спрямованість природних, процесів, а також життя та діяльність на Землі визначаються сонячною радіацією. Вона дає 99,98% теплоти, що надходить на земну поверхню. Щорічно це становить 134*1019 ккал. Таку кількість теплоти можна отримати при спалюванні 200 млрд. т кам'яного вугілля. Запасів водню, що створює цей потік термоядерної енергії у масі Сонця, вистачить, по крайнього заходу, ще 10 млрд. років, т. е. на період удвічі більший, ніж є і наша планета.

Близько 1/3 загальної кількості сонячної енергії, що надходить верхню межу атмосфери, відбивається у світовий простір, 13% поглинається озоновим шаром (зокрема майже вся ультрафіолетова радіація),. 7% - рештою атмосфери і лише 44% досягає земної поверхні. Сумарна сонячна радіація, що досягає Землі за добу, дорівнює енергії, яку людство отримало внаслідок спалювання всіх видів палива за останнє тисячоліття.

Кількість та характер розподілу сонячної радіації на земній поверхні перебувають у тісній залежності від хмарності та прозорості атмосфери. На величину розсіяної радіації впливають висота Сонця над горизонтом, прозорість атмосфери, вміст у ній водяної пари, пилу, загальна кількість вуглекислоти тощо.

Максимальна кількість розсіяної радіації потрапляє до полярних районів. Чим нижче Сонце над горизонтом, тим менше теплоти надходить на цю ділянку місцевості.

Велике значення мають прозорість атмосфери та хмарність. У похмурий літній день зазвичай холодніше, ніж у ясний, оскільки хмарність перешкоджає нагріванню земної поверхні.

Велику роль у розподілі теплоти грає запиленість атмосфери. Тонкодисперсні тверді частинки пилу і попелу, що знаходяться в ній, впливають на її прозорість, негативно позначаються на розподілі сонячної радіації, більша частина якої відображається. Тонкодисперсні частинки потрапляють в атмосферу двома шляхами: це або попіл, що викидається під час вулканічних вивержень, або пил пустель, що переноситься вітрами з тропічних і субтропічних областей. Особливо багато такого пилу утворюється в період посух, коли потоками теплого повітря вона виноситься у верхні шари атмосфери та здатна перебувати там тривалий час. Після виверження вулкана Кракатау в 1883 р. пил, викинутий на десятки кілометрів в атмосферу, був у стратосфері близько 3 років. В результаті виверження в 1985 р. вулкана Ель-Чічен (Мексика) пил досяг Європи, і тому сталося деяке зниження приземних температур.

Атмосфера Землі містить змінну кількість водяної пари. В абсолютному обчисленні за масою чи обсягом його кількість становить від 2 до 5%.

Водяна пара, як і вуглекислота, посилює парниковий ефект. У хмарах і туманах, що виникають в атмосфері, протікають своєрідні фізико-хімічні процеси.

Першоджерелом водяної пари в атмосферу є поверхня Світового океану. З нього щорічно випаровується шар води завтовшки від 95 до 110 см. Частина вологи повертається в океан після конденсації, а інша повітряними потоками прямує у бік материків. В областях змінно-вологого клімату опади зволожують ґрунт, а у вологих створюють запаси ґрунтових вод. Таким чином, атмосфера є акумулятором вологості та резервуаром опадів. і тумани, що формуються в атмосфері, забезпечують вологою ґрунтовий покрив і цим грають визначальну роль у розвитку тваринного та рослинного світу.

Атмосферна волога розподіляється по земній поверхні завдяки рухливості атмосфери. Їй властива дуже складна система вітрів та розподілу тиску. У зв'язку з тим, що атмосфера знаходиться в безперервному русі, характер і масштаби розподілу вітрових потоків і тиску постійно змінюються. Масштаби циркуляції змінюються від мікрометеорологічних, розміром всього кілька сотень метрів, до глобального - кілька десятків тисяч кілометрів. Величезні атмосферні вихори беруть участь у створенні систем великомасштабних повітряних течій та визначають загальну циркуляцію атмосфери. З іншого боку, є джерелами катастрофічних атмосферних явищ.

Від атмосферного тиску залежить розподіл погодних та кліматичних умов та функціонування живої речовини. У тому випадку, якщо атмосферний тиск коливається в невеликих межах, він не відіграє вирішальної ролі у самопочутті людей та поведінці тварин і не відбивається на фізіологічних функціях рослин. Зі зміною тиску, як правило, пов'язані фронтальні явища та зміни погоди.

Фундаментальне значення має атмосферний тиск для формування вітру, який, будучи рельєфоутворюючим фактором, дуже впливає на тваринний і рослинний світ.

Вітер здатний придушити зростання рослин і водночас сприяє перенесенню насіння. Велика роль вітру у формуванні погодних та кліматичних умов. Виступає він і як регулятор морських течій. Вітер як один із екзогенних факторів сприяє ерозії та дефляції вивітрілого матеріалу на великі відстані.

Еколого-геологічна роль атмосферних процесів

Зменшення прозорості атмосфери за рахунок появи в ній аерозольних частинок та твердого пилу впливає на розподіл сонячної радіації, збільшуючи альбедо або відбивну здатність. До такого ж результату наводять і різноманітні хімічні реакції, що викликають розкладання озону та генерацію «перламутрових» хмар, що складаються з водяної пари. Глобальна зміна відбивної здатності, як і зміни газового складу атмосфери, головним чином парникових газів, є причиною кліматичних змін.

Нерівномірне нагрівання, що викликає відмінності в атмосферному тиску над різними ділянками земної поверхні, призводить до атмосферної циркуляції, яка є характерною рисою тропосфери. У разі різниці у тиску повітря спрямовується з областей підвищеного тискуу область знижених тисків. Ці переміщення повітряних мас разом із вологістю та температурою визначають основні еколого-геологічні особливості атмосферних процесів.

Залежно від швидкості вітер виготовляє на земній поверхні різну геологічну роботу. При швидкості 10 м/с він хитає товсті гілки дерев, піднімає та переносить пил та дрібний пісок; зі швидкістю 20 м/с ламає гілки дерев, переносить пісок та гравій; зі швидкістю 30 м/с (буря) зриває дахи будинків, вириває з коренем дерева, ламає стовпи, пересуває гальку та переносить дрібний щебінь, а ураганний вітер зі швидкістю 40 м/с руйнує будинки, ламає та зносить стовпи ліній електропередач, вириває з коренем великі дерева.

Велике негативне екологічне вплив із катастрофічними наслідками надають шквальні бурі та смерчі (торнадо) - атмосферні вихори, що у теплу пору року на потужних атмосферних фронтах, мають швидкість до 100 м/с. Шквали – це горизонтальні вихори з ураганною швидкістю вітру (до 60-80 м/с). Вони часто супроводжуються потужними зливами та грозами тривалістю від декількох хвилин до півгодини. Шквали охоплюють території завширшки до 50 км і проходять відстань 200-250 км. Шквальна буря в Москві та Підмосков'ї у 1998 р. пошкодила дахи багатьох будинків та повалила дерева.

Смерчі, звані в Північній Америціторнадо, являють собою потужні лійкоподібні атмосферні вихори, часто пов'язані з хмарами. Це стовпи повітря, що звужуються в середині, діаметром від декількох десятків до сотень метрів. Смерч має вигляд вирви, дуже схожої на хобот слона, що спускається з хмар або піднімається з поверхні землі. Маючи сильну розрідженість і високу швидкість обертання, смерч проходить шлях до декількох сотень кілометрів, втягуючи в себе пил, воду з водойм і різні предмети. Потужні смерчі супроводжуються грозою, дощем і мають велику руйнівну силу.

Смерчі рідко виникають у приполярних чи екваторіальних областях, де постійно холодно чи спекотно. Мало смерчі у відкритому океані. Смерчі відбуваються в Європі, Японії, Австралії, США, а в Росії особливо часті в Центрально-Чорноземному районі, Московській, Ярославській, Нижегородській та Іванівській областях.

Смерчі піднімають та переміщують автомобілі, будинки, вагони, мости. Особливо руйнівні смерчі (торнадо) спостерігаються у США. Щорічно відзначається від 450 до 1500 торнадо із кількістю жертв у середньому близько 100 осіб. Смерчі відносяться до швидкодіючих катастрофічних атмосферних процесів. Вони формуються лише за 20-30 хв, а час існування 30 хв. Тому передбачити час та місце виникнення смерчів практично неможливо.

Іншими руйнівними, але діючими тривалий час атмосферними вихорами є циклони. Вони утворюються через перепад тиску, який у певних умовах сприяє виникненню кругового руху повітряних потоків. Атмосферні вихори зароджуються навколо потужних висхідних потоків вологого теплого повітря і з великою швидкістю обертаються за годинниковою стрілкою у південній півкулі та проти годинникової – у північній. Циклони на відміну смерчів зароджуються над океанами і роблять свої руйнівні дії над материками. Основними руйнівними факторами є сильні вітри, інтенсивні опади у вигляді снігопаду, злив, граду та нагінні повені. Вітри зі швидкостями 19 – 30 м/с утворюють бурю, 30 – 35 м/с – шторм, а понад 35 м/с – ураган.

Тропічні циклони - урагани і тайфуни - мають середню ширину кілька сотень кілометрів. Швидкість вітру всередині циклону досягає ураганної сили. Тривають тропічні циклони від кількох днів за кілька тижнів, переміщаючись зі швидкістю від 50 до 200 км/год. Циклони середніх широт мають більший діаметр. Поперечні розміри становлять від тисячі до кількох тисяч кілометрів, швидкість вітру штормова. Рухають у північній півкулі із заходу та супроводжуються градом та снігопадом, що мають катастрофічний характер. За кількістю жертв і шкоди циклони і пов'язані з ними урагани і тайфуни є найбільшими після повеней атмосферними стихійними явищами. У густонаселених районах Азії кількість жертв під час ураганів вимірюється тисячами. У 1991 р. у Бангладеш під час урагану, який викликав утворення морських хвиль заввишки 6 м, загинуло 125 тис. Чоловік. Великих збитків завдають тайфуни території США. При цьому гинуть десятки та сотні людей. У Західній Європі урагани завдають менших збитків.

Катастрофічним атмосферним явищем вважаються грози. Вони виникають за дуже швидкого підняття теплого вологого повітря. На межі тропічного та субтропічного поясів грози відбуваються по 90-100 днів на рік, у помірному поясі по 10-30 днів. В нашій країні найбільша кількістьгроз трапляється на Північному Кавказі.

Грози зазвичай продовжуються менше години. Особливу небезпеку становлять інтенсивні зливи, градобиття, удари блискавки, пориви вітру, вертикальні потоки повітря. Небезпека градобиття визначається розмірами градин. На Північному Кавказі маса градин одного разу досягала 0,5 кг, а Індії відзначені градини масою 7 кг. Найбільш містобезпечні райони в нашій країні знаходяться на Північному Кавказі. У липні 1992 р. місто пошкодило в аеропорту «Мінеральні Води» 18 літаків.

До небезпечних атмосферних явищ належать блискавки. Вони вбивають людей, худобу, викликають пожежі, ушкоджують електромережу. Від гроз та їхніх наслідків щорічно у світі гине близько 10 000 людей. Причому в деяких районах Африки, у Франції та США кількість жертв від блискавок більша, ніж від інших стихійних явищ. Щорічна економічна шкода від гроз у США становить не менше 700 млн. доларів.

Посухи характерні для пустельних, степових та лісостепових регіонів. Нестача атмосферних опадів викликає сушіння ґрунту, зниження рівня підземних вод та у водоймах до повного їх висихання. Дефіцит вологи призводить до загибелі рослинності та посівів. Особливо сильними бувають посухи в Африці, на Близькому та Середньому Сході, у Центральній Азії та на півдні Північної Америки.

Посухи змінюють умови життєдіяльності людини, надають несприятливий вплив на природне середовище через такі процеси, як осолонення ґрунту, суховії, курні бурі, ерозія ґрунту та лісові пожежі. Особливо сильними пожежі бувають під час посухи у тайгових районах, тропічних та субтропічних лісах та саванах.

Посухи відносяться до короткочасних процесів, які продовжуються протягом одного сезону. У тому випадку, коли посухи тривають понад два сезони, виникає загроза голоду та масової смертності. Зазвичай дія посухи поширюється на територію однієї чи кількох країн. Особливо часто тривалі посухи із трагічними наслідками виникають у Сахельській області Африки.

Великих збитків завдають такі атмосферні явища, як снігопади, короткочасні зливи та тривалі затяжні дощі. Снігопади викликають масові сходи лавин у горах, а швидке танення снігу, що випав, і зливові тривалі дощі призводять до повеней. Величезна маса води, що падає на земну поверхню, особливо у безлісних районах, викликає сильну ерозію ґрунтового покриву. Відбувається інтенсивне зростання яружно-балкових систем. Повені виникають у результаті великих паводків у період рясного випадання атмосферних опадів або повені після раптово потепління або весняного танення снігу і, отже, за походженням відносяться до атмосферних явищ (вони розглядаються в розділі, присвяченій екологічній ролі гідросфери).

Антропогенні зміни атмосфери

В даний час є безліч різних джерел антропогенного характеру, що викликають забруднення атмосфери і призводять до серйозних порушень екологічної рівноваги. За своїми масштабами найбільше впливають на атмосферу два джерела: транспорт і промисловість. У середньому частку транспорту припадає близько 60% загальної кількості атмосферних забруднень, промисловості - 15, теплової енергетики - 15, технологій знищення побутових та промислових відходів - 10%.

Транспорт залежно від палива і типів окислювачів, що використовується, викидає в атмосферу оксиди азоту, сірки, оксиди і діоксиди вуглецю, свинцю та його сполук, сажу, бензопірен (речовина з групи поліциклічних ароматичних вуглеводнів, яка є сильним канцерогеном, що викликає рак шкіри).

Промисловість викидає в атмосферу сірчистий газ, оксиди та діоксиди вуглецю, вуглеводні, аміак, сірководень, сірчану кислоту, фенол, хлор, фтор та інші сполуки та хімічні речовини. Але чільне становище серед викидів (до 85%) займає пил.

Внаслідок забруднення змінюється прозорість атмосфери, у ній виникають аерозолі, зміг та кислотні дощі.

Аерозолі являють собою дисперсні системи, що складаються з частинок твердого тіла або крапель рідини, що знаходяться у зваженому стані в газовому середовищі. Розмір часток дисперсної фази зазвичай становить 10 -3 -10 -7 см. Залежно від складу дисперсної фази аерозолі поділяють на дві групи. До однієї відносять аерозолі, що складаються з твердих частинок, диспергованих в газоподібному середовищі, до другої - аерозолі, що є сумішшю газоподібних та рідких фаз. Перші називають димами, а другі – туманами. У процесі освіти велику роль грають центри конденсації. Як ядер конденсації виступають вулканічний попіл, космічний пил, продукти промислових викидів, різні бактерії та ін. можливих джерелядер концентрації безперервно зростає. Так, наприклад, при знищенні вогнем сухої трави на площі 4000 м2 утворюється в середньому 11*1022 ядер аерозолів.

Аерозолі почали утворюватися з моменту виникнення нашої планети та впливали на природні умови. Проте їх кількість та дії, врівноважуючись із загальним кругообігом речовин у природі, не викликали глибоких екологічних змін. Антропогенні фактори їх утворення зрушили цю рівновагу у бік значних біосферних навантажень. Особливо сильно ця особливість проявляється з тих пір, як людство стало використовувати аерозолі, що створюються спеціально як у вигляді отруйних речовин, так і для захисту рослин.

Найбільш небезпечними для рослинного покриву є аерозолі сірчистого газу, фтористого водню та азоту. При зіткненні з вологою поверхнею листа вони утворюють кислоти, що згубно впливають на живі. Кислотні тумани потрапляють разом з повітрям, що вдихається, в дихальні органи тварин і людини, агресивно впливають на слизові оболонки. Одні їх розкладають живу тканину, а радіоактивні аерозолі викликають онкологічні захворювання. Серед радіоактивних ізотопів особливу небезпеку становить Sг 90 як своєї канцерогенністю, а й як аналог кальцію, замещающий їх у кістках організмів, викликаючи їх розкладання.

Під час ядерних вибухів у атмосфері утворюються радіоактивні аерозольні хмари. Дрібні частинки радіусом 1 - 10 мкм потрапляють у верхні шари тропосфери, а й у стратосферу, де вони здатні перебувати тривалий час. Аерозольні хмари утворюються також під час роботи реакторів промислових установок, що виробляють ядерне паливо, а також внаслідок аварій на АЕС.

Зміг являє собою суміш аерозолів з рідкою та твердою дисперсними фазами, які утворюють туманну завісу над промисловими районами та великими містами.

Розрізняють три види смогу: крижаний, вологий та сухий. Крижаний зміг названий аляскінським. Це поєднання газоподібних забруднювачів з додаванням пилуватих частинок та кристаликів льоду, які виникають при замерзанні крапель туману та пари опалювальних систем.

Вологий зміг, або зміг лондонського типу, іноді називається зимовим. Він є сумішшю газоподібних забруднювачів (в основному сірчистого ангідриту), пилуватих частинок і крапель туману. Метеорологічною передумовою для появи зимового смогу є безвітряна погода, при якій шар теплого повітря розташовується над шаром приземного холодного повітря (нижче 700 м). У цьому відсутня як горизонтальний, а й вертикальний обмін. Забруднюючі речовини, які зазвичай розсіюються у високих шарах, в даному випадку накопичуються в приземному шарі.

Сухий зміг виникає влітку, і його нерідко називають смогом лос-анджелеського типу. Він являє собою суміш озону, чадного газу, оксидів азоту та пари кислот. Утворюється такий зміг внаслідок розкладання забруднюючих речовин сонячною радіацією, особливо її ультрафіолетовою частиною. Метеорологічною причиною є атмосферна інверсія, що виявляється у появі шару холодного повітря над теплим. Зазвичай гази, що піднімаються теплими потоками повітря, і тверді частинки потім розсіюються у верхніх холодних шарах, але в даному випадку накопичуються в інверсійному шарі. У процесі фотолізу діоксиди азоту, утворені при згорянні палива в двигунах автомобілів, розпадаються:

NO 2 → NO + О

Потім відбувається синтез озону:

O + O 2 + M → O 3 + M

NO + О → NO 2

Процеси фотодисоціації супроводжуються жовто-зеленим світінням.

Крім того, відбуваються реакції за типом: SO 3 + Н 2 0 -> Н 2 SO 4 т. Е. Утворюється сильна сірчана кислота.

Зі зміною метеорологічних умов (поява вітру або зміна вологості) холодне повітря розсіюється і змогло зникати.

Наявність канцерогенних речовин у змозі призводить до порушення дихання, подразнення слизових оболонок, розладу кровообігу, виникнення астматичних ядух і нерідко до смерті. Особливо небезпечний зміг малолітніх дітей.

Кислотні дощі являють собою атмосферні опади, підкислені розчиненими в них промисловими викидами оксидів сірки, азоту та пари хлорної кислоти та хлору. У процесі спалювання вугілля, і газу більша частина сірки, що знаходиться в ній, як у вигляді оксиду, так у сполуках із залізом, зокрема в піриті, пірротині, халькопіриті і т. д., перетворюється на оксид сірки, який разом з діоксидом вуглецю викидається в атмосферу. При з'єднанні атмосферного азоту і технічних викидів з киснем утворюються різні оксиди азоту, причому обсяг оксидів азоту, що утворилися, залежить від температури горіння. Основна маса оксидів азоту виникає під час експлуатації автотранспорту та тепловозів, а менша частина припадає на енергетику та промислові підприємства. Оксиди сірки та азоту – головні кислотоутворювачі. При реакції з атмосферним киснем і парами води, що знаходяться в ньому, утворюються сірчана і азотна кислоти.

Відомо, що лужно-кислотний баланс середовища визначається за величиною рН. Нейтральна середовище має величину рН, що дорівнює 7, кисла - 0, а лужна - 14. У сучасну епоху величина рН дощової води становить 5,6, хоча в недавньому минулому вона була нейтральною. Зменшення значення рН на одиницю відповідає десятикратному підвищенню кислотності і, отже, нині майже повсюдно випадають дощі з підвищеною кислотністю. Максимальна кислотність дощів, зареєстрована у Європі, становила 4-3,5 рН. При цьому треба врахувати, що величина рН, що дорівнює 4-4,5, є смертельною для більшості риб.

Кислотні дощі мають агресивний вплив на рослинний покрив Землі, на промислові та житлові будівлі та сприяють істотному прискоренню вивітрювання оголених гірських порід. Підвищення кислотності перешкоджає саморегуляції нейтралізації ґрунтів, у яких розчиняються поживні речовини. У свою чергу, це призводить до різкого зниження врожайності та викликає деградацію рослинного покриву. Кислотність грунтів сприяє звільненню що у зв'язаному стані важких , які поступово засвоюються рослинами, викликаючи вони серйозні ушкодження тканин і проникаючи в харчові ланцюжка людини.

Зміна лужно-кислотного потенціалу морських вод, особливо в мілководдях, веде до припинення розмноження багатьох безхребетних, викликає загибель риб і порушує екологічну рівновагу в океанах.

Внаслідок кислотних дощів під загрозою загибелі знаходяться лісові масиви Західної Європи, Прибалтики, Карелії, Уралу, Сибіру та Канади.

АТМОСФЕРА
газова оболонка, що оточує небесне тіло. Її характеристики залежать від розміру, маси, температури, швидкості обертання та хімічного складу даного небесного тіла, а також визначаються історією його формування, починаючи з моменту зародження. Атмосфера Землі утворена сумішшю газів, яка називається повітрям. Її основні складові - азот та кисень у співвідношенні приблизно 4:1. На людину впливає головним чином стан нижніх 15-25 км атмосфери, оскільки саме в цьому нижньому шарі зосереджено основну масу повітря. Наука, що вивчає атмосферу, називається метеорологією, хоча предметом цієї науки є також погода та її вплив на людину. Стан верхніх шаріватмосфери, розташовані на висотах від 60 до 300 і навіть 1000 км від поверхні Землі, також змінюються. Тут розвиваються сильні вітри, шторми та виявляються такі дивовижні електричні явища, як полярні сяйва. Чимало з перелічених феноменів пов'язані з потоками сонячної радіації, космічного випромінювання, і навіть магнітним полем Землі. Високі прошарки атмосфери - це також і хімічна лабораторія, оскільки там в умовах, близьких до вакууму, деякі атмосферні гази під впливом потужного потоку сонячної енергії вступають у хімічні реакції. Наука, що вивчає ці взаємопов'язані явища та процеси, називається фізикою високих шарів атмосфери.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРИ ЗЕМЛІ
Розміри.Поки ракети-зонди та штучні супутники не досліджували зовнішні шари атмосфери на відстанях, що у кілька разів перевершують радіус Землі, вважалося, що в міру віддалення від земної поверхні атмосфера поступово стає більш розрідженою і плавно переходить у міжпланетний простір. Наразі встановлено, що потоки енергії з глибоких шарів Сонця проникають у космічний простір далеко за орбіту Землі, аж до зовнішніх меж Сонячної системи. Цей т.зв. сонячний вітер обтікає магнітне поле Землі, формуючи видовжену "порожнину", всередині якої і зосереджена земна атмосфера. Магнітне поле Землі помітно звужено зі зверненої до Сонця денної сторони і утворює довгу мову, що ймовірно виходить за межі орбіти Місяця, - з протилежного, нічного боку. Кордон магнітного поля Землі називається магнітопаузою. З денного боку цей кордон проходить на відстані близько семи земних радіусів від поверхні, але в періоди підвищеної сонячної активності виявляється ще ближче до Землі. Магнітопауза є одночасно межею земної атмосфери, зовнішня оболонка якої називається також магнітосферою, тому що в ній зосереджені заряджені частинки (іони), рух яких обумовлений магнітним полем Землі. Загальна вага газів атмосфери становить приблизно 4,5 * 1015 т. Таким чином, "вага" атмосфери, що припадає на одиницю площі, або атмосферний тиск становить приблизно 11 т/м2.
Значення життя.Зі сказаного вище випливає, що Землю від міжпланетного простору відокремлює потужний захисний шар. Космічний простір пронизаний потужним ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням Сонця і ще більш жорстким космічним випромінюванням, і ці види радіації є згубними для всього живого. На зовнішній межі атмосфери інтенсивність випромінювання смертоносна, але значна його частина затримується атмосферою далеко від Землі. Поглинанням цього випромінювання пояснюються багато властивостей високих шарів атмосфери і особливо що відбуваються там електричні явища. Найнижчий, приземний шар атмосфери особливо важливий для людини, яка мешкає у місці контакту твердої, рідкої та газоподібної оболонок Землі. Верхня оболонка "твердої" Землі називається літосферою. Близько 72% поверхні Землі покрито водами океанів, що становлять більшу частину гідросфери. Атмосфера межує як із літосферою, так і з гідросферою. Людина живе на дні повітряного океану і поблизу або вище за рівень океану водного. Взаємодія цих океанів одна із важливих чинників, визначальних стан атмосфери.
склад.Нижні шари атмосфери складаються із суміші газів (див. табл.). Крім наведених у таблиці, у вигляді невеликих домішок у повітрі присутні й інші гази: озон, метан, такі речовини, як оксид вуглецю (СО), оксиди азоту та сірки, аміак.

СКЛАД АТМОСФЕРИ

У високих прошарках атмосфери склад повітря змінюється під впливом жорсткого випромінювання Сонця, що призводить до розпаду молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом найвищих шарів атмосфери. Нарешті, найбільш віддалених від поверхні Землі шарах атмосфери головними компонентами стають найлегші гази - водень і гелій. Оскільки основна маса речовини зосереджена в нижніх 30 км, зміни складу повітря на висотах більше 100 км не надають помітного впливу на загальний склад атмосфери.
Енергообмін.Сонце є основним джерелом енергії, що надходить на Землю. Перебуваючи на відстані прибл. 150 млн. км від Сонця, Земля отримує приблизно одну двомільярдну частину енергії, що випромінюється ним, головним чином у видимій частині спектра, яку людина називає "світлом". Більшість цієї енергії поглинається атмосферою та літосферою. Земля також випромінює енергію, переважно у вигляді довгохвильової інфрачервоної радіації. Таким чином встановлюється рівновага між енергією, що отримується від Сонця, нагріванням Землі та атмосфери і зворотним потоком теплової енергії, що випромінюється в простір. Механізм цієї рівноваги дуже складний. Пил і молекули газів розсіюють світло, частково відбиваючи їх у світовий простір. Ще більшу частину радіації, що приходить, відображають хмари. Частина енергії поглинається безпосередньо молекулами газів, але переважно - гірськими породами, рослинністю і поверхневими водами. Водяна пара та вуглекислий газ, присутні в атмосфері, пропускають видиме випромінювання, але поглинають інфрачервоне. Теплова енергія накопичується головним чином нижніх шарах атмосфери. Подібний ефект виникає у теплиці, коли скло пропускає світло всередину і ґрунт нагрівається. Оскільки скло відносно непрозоре для інфрачервоної радіації, у парнику акумулюється тепло. Нагрів нижніх шарів атмосфери за рахунок присутності водяної пари та вуглекислого газу часто називають парниковим ефектом. Істотну роль збереженні тепла у нижніх шарах атмосфери грає хмарність. Якщо хмари розсіюються або зростає прозорість повітряних мас, температура неминуче знижується у міру того, як поверхня Землі безперешкодно випромінює теплову енергію в навколишній простір. Вода, що знаходиться на поверхні Землі, поглинає сонячну енергію і випаровується, перетворюючись на газ - водяну пару, яка виносить величезну кількість енергії в нижні шари атмосфери. При конденсації водяної пари та утворенні при цьому хмар або туману ця енергія звільняється у вигляді тепла. Близько половини сонячної енергії, що досягає земної поверхні, витрачається на випаровування води та надходить у нижні шари атмосфери. Таким чином, внаслідок парникового ефекту та випаровування води атмосфера прогрівається знизу. Цим частково пояснюється висока активність її циркуляції в порівнянні з циркуляцією Світового океану, який прогрівається тільки зверху і тому значно стабільніший за атмосферу.
також МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ. Крім загального нагрівання атмосфери сонячним світлом, значне прогрівання деяких її шарів відбувається за рахунок ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Будова. Порівняно з рідинами та твердими тілами, у газоподібних речовинах сила тяжіння між молекулами мінімальна. У міру збільшення відстані між молекулами гази можуть розширюватися безмежно, якщо їм ніщо не перешкоджає. Нижнім кордоном атмосфери є Землі. Строго кажучи, цей бар'єр непроникний, тому що газообмін відбувається між повітрям і водою і навіть між повітрям та гірськими породами, але в цьому випадку цими факторами можна знехтувати. Оскільки атмосфера є сферичною оболонкою, вона не має бічних кордонів, а є лише нижня межа і верхня (зовнішня) межа, відкрита з боку міжпланетного простору. Через зовнішній кордон відбувається витік деяких нейтральних газів, і навіть надходження речовини з навколишнього космічного простору. Більшість заряджених частинок, крім космічних променів, які мають високої енергією, або захоплюється магнітосферою, або відштовхується нею. На атмосферу діє сила земного тяжіння, яка утримує повітряну оболонку біля Землі. Атмосферні гази стискаються під впливом своєї ваги. Це стиснення максимально біля нижньої межі атмосфери, тому й щільність повітря тут є найбільшою. На будь-якій висоті над земною поверхнею ступінь стиснення повітря залежить від маси вище стовпа повітря, тому з висотою щільність повітря зменшується. Тиск, що дорівнює масі вищого стовпа повітря, що припадає на одиницю площі, знаходиться в прямій залежності від щільності і, отже, також знижується з висотою. Якби атмосфера являла собою "ідеальний газ" з незалежним від висоти постійним складом, незмінною температурою і на неї діяла б постійна сила тяжкості, то тиск зменшувався б у 10 разів на кожні 20 км висоти. Реальна атмосфера трохи відрізняється від ідеального газу приблизно до висоти 100 км, а потім тиск з висотою зменшується повільніше, оскільки змінюється склад повітря. Невеликі зміни в описану модель вносить і зменшення сили тяжіння в міру віддалення від центру Землі, що становить поблизу земної поверхні прибл. 3% на кожні 100 км. висоти. На відміну від атмосферного тиску, температура з висотою не знижується безперервно. Як показано на рис. 1, вона зменшується приблизно до висоти 10 км, а потім знову починає рости. Це при поглинанні ультрафіолетової сонячної радіації киснем. При цьому утворюється газ озон, молекули якого складаються із трьох атомів кисню (О3). Він також поглинає ультрафіолетове випромінювання, тому цей шар атмосфери, званий озоносферою, нагрівається. Вище температура знову знижується, тому що там набагато менше молекул газу, і, відповідно, скорочується поглинання енергії. У ще вищих шарах температура знову підвищується внаслідок поглинання атмосферою найбільш короткохвильового ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Під впливом цього випромінювання відбувається іонізація атмосфери, тобто. молекула газу втрачає електрон і набуває позитивного електричного заряду. Такі молекули стають позитивно зарядженими іонами. Завдяки наявності вільних електронів та іонів цей шар атмосфери набуває властивостей електропровідника. Вважають, що температура продовжує підвищуватися до висот, де розріджена атмосфера перетворюється на міжпланетний простір. На відстані кількох тисяч кілометрів від поверхні Землі, ймовірно, переважають температури від 5000 ° до 10 000 ° С. Хоча молекули та атоми мають дуже великі швидкості руху, а отже, і високу температуру, цей розріджений газ не є "гарячим" у звичному сенсі . Через мізерну кількість молекул на великих висотах їх сумарна теплова енергіядуже невелика. Таким чином, атмосфера складається з окремих шарів (тобто серії концентричних оболонок, або сфер), виділення яких залежить від того, яку властивість представляє найбільший інтерес. На підставі розподілу температур метеорологи розробили схему будови ідеальної "середньої атмосфери" (див. рис. 1).

Тропосфера - нижній шар атмосфери, що тягнеться до першого термічного мінімуму (т.зв. тропопаузи). Верхня межа тропосфери залежить від географічної широти (у тропіках – 18-20 км, у помірних широтах – бл. 10 км) та пори року. Національна метеорологічна служба США провела зондування поблизу Південного полюсата виявила сезонні зміни висоти тропопаузи. У березні тропопауза знаходиться на висоті прибл. 7,5 км. З березня до серпня чи вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, і її межа на короткий період у серпні чи вересні піднімається приблизно до висоти 11,5 км. Потім з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого становища - 7,5 км, де і залишається до березня, відчуваючи коливання в межах лише 0,5 км. Саме в тропосфері переважно формується погода, яка визначає умови існування людини. Більшість атмосферної водяної пари зосереджена в тропосфері, і тому тут головним чином і формуються хмари, хоча деякі з них, що складаються з крижаних кристалів, зустрічаються і у більш високих шарах. Для тропосфери характерні турбулентність та потужні повітряні течії (вітри) та шторми. У верхній тропосфері існують сильні повітряні течії певного напрямку. Турбулентні вихори, подібні до невеликих виворотів, утворюються під впливом тертя і динамічної взаємодії між повітряними масами, що повільно і швидко рухаються. Оскільки в цих високих прошарках хмарності зазвичай немає, таку турбулентність називають "турбулентністю ясного неба".
Стратосфери.Вищележачий шар атмосфери часто помилково описують як шар з порівняно постійними температурами, де вітри дмуть більш менш стійко і де метеорологічні елементи мало змінюються. Верхні шари стратосфери нагріваються при поглинанні киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. Верхня межа стратосфери (стратопауза) проводиться там, де температура трохи підвищується, досягаючи проміжного максимуму, який нерідко можна порівняти з температурою приземного шару повітря. На основі спостережень, проведених за допомогою літаків та куль-зондів, пристосованих для польотів на постійній висоті, у стратосфері встановлені турбулентні обурення та сильні вітри, що дмуть у різних напрямках. Як і в тропосфері, відзначаються потужні повітряні вихори, особливо небезпечні для високошвидкісних літальних апаратів. Сильні вітри, які називають струменевими течіями, дмуть у вузьких зонах вздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Однак ці зони можуть зміщуватися, зникати та з'являтися знову. Струменеві течії зазвичай проникають у тропопаузу і виявляються у верхніх шарах тропосфери, але їхня швидкість швидко зменшується зі зниженням висоти. Можливо, частина енергії, що надходить у стратосферу (переважно витрачається на утворення озону), впливає на процеси в тропосфері. Особливо активне перемішування пов'язані з атмосферними фронтами, де великі потоки стратосферного повітря було зареєстровано значно нижче тропопаузи, а тропосферне повітря залучалося нижні шари стратосфери. Значних успіхів було досягнуто у вивченні вертикальної структури нижніх шарів атмосфери у зв'язку з удосконаленням техніки запуску на висоти 25-30 км радіозондів. Мезосфера, що знаходиться вище стратосфери, є оболонкою, в якій до висоти 80-85 км відбувається зниження температури до мінімальних показників для атмосфери в цілому. Рекордно низькі температуридо -110 ° С були зареєстровані метеорологічними ракетами, запущеними з американо-канадської установки у Форт-Черчіллі (Канада). Верхня межа Мезосфера (мезопауза) приблизно збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського та найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця, що супроводжується нагріванням та іонізацією газу. У полярних регіонах влітку у мезопаузі часто з'являються хмарні системи, які займають велику площу, але мають незначний вертикальний розвиток. Такі хмари, що світяться ночами, часто дозволяють виявляти великомасштабні хвилеподібні рухи повітря в мезосфері. Склад цих хмар, джерела вологи та ядер конденсації, динаміка та зв'язок з метеорологічними факторами поки що недостатньо вивчені. Термосфера є шаром атмосфери, в якому безперервно підвищується температура. Його потужність може сягати 600 км. Тиск і, отже, густина газу з висотою постійно зменшуються. Поблизу земної поверхні 1 м3 повітря міститься бл. 2,5?1025 молекул, на висоті бл. 100 км, у нижніх шарах термосфери, - приблизно 1019, на висоті 200 км, в іоносфері - 5*10 15 і, за розрахунками, на висоті бл. 850 км – приблизно 1012 молекул. У міжпланетному просторі концентрація молекул становить 108-109 на 1 м3. На висоті прибл. 100 км. кількість молекул невелика, і вони рідко стикаються між собою. Середня відстань, яку долає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою, називається її середнім вільним пробігом. Шар, в якому ця величина настільки збільшується, що ймовірністю міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна знехтувати, знаходиться на межі між термосферою та вищою оболонкою (екзосферою) і називається термопаузою. Термопауза віддалена від земної поверхні приблизно на 650 км. За певної температури швидкість руху молекули залежить від її маси: легші молекули рухаються швидше за важкі. У нижній атмосфері, де вільний пробіг дуже короткий, не спостерігається помітного поділу газів за їхньою молекулярною вагою, але воно виражене вище 100 км. Крім того, під впливом ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця молекули кисню розпадаються на атоми, маса яких становить половину маси молекули. Тому в міру віддалення від поверхні Землі атомарний кисень набуває все більшого значення у складі атмосфери та на висоті бл. 200 км. стає її головним компонентом. Вище, приблизно з відривом 1200 км від Землі, переважають легкі гази - гелій і водень. З них складається зовнішня оболонка атмосфери. Такий поділ за вагою, званий дифузним розшаруванням, нагадує поділ сумішей за допомогою центрифуги. Екзосферою називається зовнішній шар атмосфери, що виділяється на основі змін температури та властивостей нейтрального газу. Молекули та атоми в екзосфері обертаються навколо Землі за балістичними орбітами під впливом сили тяжіння. Деякі з цих орбіт є параболічними і схожі на траєкторії метальних снарядів. Молекули можуть обертатися навколо Землі та по еліптичних орбітах, як супутники. Деякі молекули, в основному водню та гелію, мають розімкнені траєкторії та йдуть у космічний простір (рис. 2).

СОНЯЧНО-ЗЕМНІ ЗВ'ЯЗКИ І ЇХ ВПЛИВ НА АТМОСФЕРУ
Атмосферні припливи.Притягнення Сонця та Місяця викликає в атмосфері припливи, подібні до земних і морських припливів. Але атмосферні припливи мають суттєву відмінність: атмосфера найсильніше реагує на тяжіння Сонця, тоді як земна кора та океан - на тяжіння Місяця. Це пояснюється тим, що атмосфера нагрівається Сонцем і на додаток до гравітаційного виникає потужний термальний приплив. В цілому механізми утворення атмосферних і морських припливів подібні, за винятком того, що для прогнозу реакції повітря на гравітаційні та термічні дії необхідно враховувати його стисливість та розподіл температури. Не до кінця зрозуміло, чому півдобові (12-годинні) сонячні припливи в атмосфері переважають над добовими сонячними та напівдобовими місячними припливами, хоча рушійні сили двох останніх процесів набагато потужніші. Раніше вважалося, що в атмосфері виникає резонанс, що посилює саме коливання із 12-годинним періодом. Проте, спостереження, проведені за допомогою геофізичних ракет, свідчать про відсутність температурних причинтакого резонансу. При вирішенні цієї проблеми, ймовірно, слід враховувати всі гідродинамічні та термічні особливості атмосфери. У земної поверхні поблизу екватора, де вплив приливних коливань максимальний, воно забезпечує зміну атмосферного тиску на 0,1%. Швидкість приливних вітрів становить прибл. 0,3 км/год. Завдяки складній термічній структурі атмосфери (особливо наявності мінімуму температури в мезопаузі) приливні повітряні течії посилюються, і, наприклад, на висоті 70 км їхня швидкість приблизно в 160 разів вища, ніж у земної поверхні, що має важливі геофізичні наслідки. Вважається, що в нижній частині іоносфери (шар Е) приливні коливання переміщують іонізований газ вертикально в магнітному полі Землі, отже, тут виникають електричні струми. Ці системи струмів, що постійно виникають, на поверхні Землі встановлюються по обуренням магнітного поля. Добові варіації магнітного поля досить добре узгоджуються з розрахунковими величинами, що свідчить на користь теорії приливних механізмів "атмосферного динамо". Електричні струми, що виникають у нижній частині іоносфери (шар Е), повинні кудись переміщатися, і, отже, ланцюг має замкнутися. Аналогія з динамо-машиною стає повною, якщо розглядати зустрічний рух як роботу двигуна. Передбачається, що зворотна циркуляція електричного струму здійснюється у вищому шарі іоносфери (F), і цим зустрічним потоком можуть пояснюватися деякі своєрідні риси цього шару. Нарешті, приливний ефект повинен породжувати також горизонтальні потоки шарі Е і, отже, шарі F.
Іоносфера.Намагаючись пояснити механізм виникнення полярних сяйв, вчені 19 в. припустили, що у атмосфері існує зона з електрично зарядженими частинками. У 20 ст. експериментально були отримані переконливі докази існування на висотах від 85 до 400 км шару, що відбиває радіохвилі. Нині відомо, що його електричні властивості є наслідком іонізації атмосферного газу. Тому зазвичай цей шар називають іоносферою. Вплив на радіохвилі відбувається головним чином через наявність в іоносфері вільних електронів, хоча механізм поширення радіохвиль пов'язаний із наявністю великих іонів. Останні також цікаві щодо хімічних властивостей атмосфери, оскільки вони активніше нейтральних атомів і молекул. Хімічні реакції, що протікають в іоносфері, відіграють важливу рольу її енергетичному та електричному балансі.
Нормальна іоносфера.Спостереження, проведені за допомогою геофізичних ракет та супутників, дали масу нової інформації, що свідчить, що іонізація атмосфери відбувається під впливом сонячної радіації. широкого спектру. Основна її частина (більше 90%) зосереджена у видимій частині спектра. Ультрафіолетове випромінюванняз меншою довжиною хвилі та більшою енергією, ніж у фіолетових світлових променів, випромінюється воднем внутрішньої частини атмосфери Сонця (хромосфери), а рентгенівське випромінювання, що має ще більш високу енергію, - гази зовнішньої оболонки Сонця (корони). Нормальний (середній) стан іоносфери обумовлений постійним потужним випромінюванням. Регулярні зміни відбуваються у нормальній іоносфері під впливом добового обертання Землі та сезонних відмінностей кута падіння сонячних променів опівдні, але відбуваються також непередбачувані та різкі зміни стану іоносфери.
Обурення в іоносфері.Як відомо, на Сонці виникають потужні циклічно повторювані обурення, які досягають максимуму кожні 11 років. Спостереження за програмою Міжнародного геофізичного року (МГГ) збіглися з періодом найвищої сонячної активності протягом термін систематичних метеорологічних спостережень, тобто. з початку 18 ст. У періоди високої активності яскравість деяких областей на Сонці зростає у кілька разів, і вони посилають потужні імпульси ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання. Такі явища називаються спалахами на Сонці. Вони тривають від кількох хвилин до однієї-двої години. Під час спалаху вивергається сонячний газ (в основному протони та електрони), і елементарні частки спрямовуються у космічний простір. Електромагнітне та корпускулярне випромінювання Сонця в моменти таких спалахів дуже впливає на атмосферу Землі. Початкова реакція відзначається через 8 хв після спалаху, коли інтенсивне ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання досягає Землі. В результаті різко підвищується іонізація; рентгенівські промені проникають в атмосферу до нижньої межі іоносфери; кількість електронів у цих шарах зростає настільки, що радіосигнали майже повністю поглинаються ("гаснуть"). Додаткове поглинання радіації викликає нагрівання газу, що сприяє розвитку вітрів. Іонізований газ є електричним провідником, і коли він рухається в магнітному полі Землі, проявляється ефект динамо-машини та виникає електричний струм. Такі струми можуть викликати помітні обурення магнітного поля і виявлятися у вигляді магнітних бур. Ця початкова фаза займає лише короткий час, що відповідає тривалості сонячного спалаху. Під час потужних спалахів на Сонці у космічний простір спрямовується потік прискорених частинок. Коли він спрямований у бік Землі, настає друга фаза, що впливає на стан атмосфери. Багато природних явищ, серед яких найбільш відомі полярні сяйва, свідчать про те, що значна кількість заряджених частинок досягає Землі (див. також ПОЛЯРНЕ блиск). Проте процеси відриву цих частинок від Сонця, їх траєкторії у міжпланетному просторі та механізми взаємодії з магнітним полем Землі та магнітосферою поки що недостатньо вивчені. Проблема ускладнилася після відкриття в 1958 Джеймсом Ван Алленом утримуваних геомагнітним полем оболонок, що складаються із заряджених частинок. Ці частинки переміщаються з однієї півкулі в іншу, обертаючись спіралями навколо силових ліній магнітного поля. Поблизу Землі на висоті, яка залежить від форми силових ліній і від енергії частинок, розташовуються "точки відображення", в яких частки змінюють напрямок руху на протилежне (рис. 3). Оскільки напруженість магнітного поля зменшується з віддаленням від Землі, орбіти, якими рухаються ці частинки, дещо спотворюються: електрони відхиляються на схід, а протони - на захід. Тому вони розподіляються як поясів навколо земної кулі.

Деякі наслідки нагрівання атмосфери Сонцем.Сонячна енергія впливає всю атмосферу. Вище вже згадувалися пояси, утворені зарядженими частинками в магнітному полі Землі і навколо неї. Ці пояси найближче підходять до земної поверхні у приполярних районах (див. рис. 3), де спостерігаються полярні сяйва. На малюнку 1 показано, що у районах прояви полярних сяйв Канаді температури термосфери значно вище, ніж у Південному Заході США. Ймовірно, захоплені частинки віддають частину своєї енергії в атмосферу, особливо при зіткненні з молекулами газу поблизу точок відображення і сходять зі своїх колишніх орбіт. Так відбувається нагрівання високих шарів атмосфери у зоні полярних сяйв. Ще одне важливе відкриття було зроблено щодо орбіт штучних супутників. Луїджі Яккіа, астроном зі Смітсонівської астрофізичної обсерваторії, вважає, що невеликі відхилення цих орбіт обумовлені змінами щільності атмосфери за її нагріванні Сонцем. Він припустив існування на висоті понад 200 км в іоносфері максимуму концентрації електронів, який не відповідає сонячному полудню, а під впливом сили тертя запізнюється по відношенню до нього приблизно дві години. Саме тоді значення щільності атмосфери, звичайні для висоти 600 км, спостерігаються лише на рівні прибл. 950 км. Крім того, максимум концентрації електронів зазнає нерегулярних коливань внаслідок короткочасних спалахів ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Л.Якіа виявив також короткочасні коливання щільності повітря, що відповідають спалахам на Сонці та обуренням магнітного поля. Ці явища пояснюються вторгненням частинок сонячного походження в атмосферу Землі та нагріванням тих її шарів, де проходять орбіти супутників.
АТМОСФЕРНА ЕЛЕКТРИКА
У приземному шарі атмосфери невелика частина молекул піддається іонізації під впливом космічних променів, випромінювання радіоактивних гірських порід та продуктів розпаду радію (в основному радону) у самому повітрі. У процесі іонізації атом втрачає електрон і набуває позитивного заряду. Вільний електрон швидко з'єднується з іншим атомом утворюючи негативно заряджений іон. Такі парні позитивні та негативні іони мають молекулярні розміри. Молекули в атмосфері прагнуть групуватись навколо цих іонів. Декілька молекул, що об'єдналися з іоном, утворюють комплекс, званий зазвичай "легким іоном". В атмосфері присутні також комплекси молекул, відомі у метеорології під назвою ядер конденсації, навколо яких при насиченні повітря вологою починається процес конденсації. Ці ядра є частинками солі та пилу, а також забруднюючих речовин, що надходять у повітря від промислових та інших джерел. Легкі іони часто приєднуються до таких ядра, утворюючи "важкі іони". Під впливом електричного поля легкі та важкі іони переміщаються з одних областей атмосфери до інших, переносячи електричні заряди. Хоча зазвичай атмосфера не вважається електропровідним середовищем, вона все ж таки має невелику провідність. Тому залишене в повітрі заряджене тіло повільно втрачає свій заряд. Провідність атмосфери зростає з висотою через збільшення інтенсивності космічного випромінювання, зменшення втрат іонів в умовах нижчого тиску (і, отже, при більшому середньому вільному пробігу), а також через меншу кількість важких ядер. Провідність атмосфери досягає максимальної величини на висоті прибл. 50 км, т.зв. "рівні компенсації". Відомо, що між поверхнею Землі та "рівнем компенсації" завжди існує різниця потенціалів у кілька сотень кіловольт, тобто. постійне електричне поле. З'ясувалося, що різниця потенціалів між деякою точкою, що знаходиться в повітрі на висоті кількох метрів, і поверхнею Землі дуже велика – понад 100 В. Атмосфера має позитивний заряд, а земна поверхня заряджена негативно. Оскільки електричне поле - область, у кожній точці якої є певне значення потенціалу, можна говорити про градієнт потенціалу. У ясну погоду в межах кількох нижніх метрів напруженість електричного поля атмосфери майже постійна. Через відмінності електропровідності повітря в приземному шарі градієнт потенціалу схильний до добових коливань, хід яких істотно змінюється від місця до місця. За відсутності локальних джерел забруднення повітря над океанами, високо в горах або в полярних районах добовий хід градієнта потенціалу в ясну погоду однаковий. Величина градієнта залежить від всесвітнього, або середнього грінвічського часу (UT) і досягає максимуму в 19 год. Е. Еплтон припустив, що цей максимум електропровідності, ймовірно, збігається з найбільшою грозовою активністю в планетарному масштабі. Розряди блискавок під час гроз переносять негативний заряд до поверхні Землі, оскільки основи найбільш активних купово-дощових грозових хмар мають значний негативний заряд. Верхні частини грозових хмар мають позитивний заряд, який, за розрахунками Хольцера і Саксона, під час гроз стікає з їхніх вершин. Без постійного поповнення заряд земної поверхні було б нейтралізовано з допомогою провідності атмосфери. Припущення про те, що різниця потенціалів між земною поверхнею та "рівнем компенсації" підтримується завдяки грозам, підкріплюється статистичними даними. Наприклад, максимальна кількість гроз відзначається у долині річки. Амазонки. Найчастіше грози бувають там наприкінці дня, тобто. бл. 19 год середнього грінвічського часу, коли градієнт потенціалу максимальний у будь-якій точці земної кулі. Більше того, сезонні варіації форми кривих добового ходу градієнта потенціалу також знаходяться у повній відповідності до даних про глобальний розподіл гроз. Деякі дослідники стверджують, що джерело електричного поля Землі, можливо, має зовнішнє походження, оскільки електричні поля, як вважають, існують в іоносфері та магнітосфері. Цією обставиною, ймовірно, пояснюється виникнення дуже вузьких видовжених форм полярних сяйв, схожих на куліси та арки.
(див. також ПОЛЯРНЕ блиск). Завдяки наявності градієнта потенціалу та провідності атмосфери між "рівнем компенсації" та поверхнею Землі починають рухатися заряджені частинки: позитивно заряджені іони - у напрямку до земної поверхні, а негативно заряджені - вгору від неї. Сила цього струму становить прибл. 1800 А. Хоча ця величина здається великою, необхідно пам'ятати, що вона розподіляється на всій поверхні Землі. Сила струму в стовпі повітря з площею основи 1 м2 становить лише 4*10 -12 А. З іншого боку, сила струму при розряді блискавки може досягати кількох ампер, хоча, звичайно, такий розряд має малу тривалість - від часток секунди до цілої секунди або трохи більше за повторних розрядів. Блискавка становить великий інтерес як як своєрідне явище природи. Вона дає можливість спостерігати електричний розряд у газовому середовищі при напрузі кілька сотень мільйонів вольт і відстані між електродами кілька кілометрів. У 1750 Б. Франклін запропонував Лондонському королівському суспільству поставити досвід із залізною штангою, укріпленою на ізолюючій основі та встановленою на високій вежі. Він очікував, що при наближенні грозової хмари до вежі на верхньому кінці спочатку нейтральної штанги зосередиться заряд протилежного знака, а на нижньому - заряд того ж знака, що біля хмари. Якщо напруженість електричного поля при розряді блискавки зросте досить сильно, заряд з верхнього кінця штанги частково стікатиме в повітря, а штанга набуде заряду того ж знака, що й основа хмари. Запропонований Франкліном експеримент не був здійснений в Англії, однак його поставив у 1752 році в Марлі під Парижем французький фізик Жан д'Аламбер. його помічник повідомив, що, коли грозова хмара знаходилася над штангою, при піднесенні до неї заземленого дроту виникали іскри.Сам Франклін, не знаючи про успішний досвід, реалізований у Франції, у червні того ж року провів свій знаменитий експеримент з повітряним змієм і спостерігав електричні На наступний рік, вивчаючи заряди, зібрані зі штанги, Франклін встановив, що підстави грозових хмар зазвичай заряджені негативно.Детальніші дослідження блискавок стали можливі в кінці 19 ст завдяки вдосконаленню методів фотографії, особливо після винаходу апарату з лінзами, що обертаються, що дозволило фіксувати швидко розвиваються. Такий фотоапарат широко використовувався щодо іскрових розрядів. Було встановлено, що існує кілька типів блискавок, причому найбільш поширені лінійні, плоскі (внутрішньохмарні) і кульові (повітряні розряди). Лінійні блискавки є іскровим розрядом між хмарою і земною поверхнею, що йде по каналу з спрямованими вниз відгалуженнями. Плоскі блискавки виникають усередині грозової хмари і виглядають як спалахи розсіяного світла. Повітряні розряди кульових блискавок, що починаються від грозової хмари, часто спрямовані горизонтально і досягають земної поверхні.

Розряд блискавки зазвичай складається з трьох або більше повторних розрядів - імпульсів, що йдуть по тому самому шляху. Інтервали між послідовними імпульсами дуже короткі, від 1/100 до 1/10 с (цим обумовлено мерехтіння блискавки). Загалом спалах триває близько секунди чи менше. Типовий процес розвитку блискавки можна описати в такий спосіб. Спочатку зверху до земної поверхні спрямовується слабо світиться розряд-лідер. Коли він її досягне, зворотний або головний, що яскраво світиться, розряд проходить від землі вгору по каналу, прокладеному лідером. Розряд-лідер, як правило, рухається зигзагоподібно. Швидкість його поширення коливається від ста до кількох сотень кілометрів на секунду. На своєму шляху він іонізує молекули повітря, створюючи канал з підвищеною провідністю, яким зворотний розряд рухається вгору зі швидкістю приблизно в сто разів більшою, ніж у розряду-лідера. Розмір каналу визначити важко, проте діаметр розряду-лідера оцінюється в 1-10 м, а зворотного розряду - кілька сантиметрів. Розряди блискавки створюють радіоперешкоди, випромінюючи радіохвилі в широкому діапазоні - від 30 кГц до наднизьких частот. Найбільше випромінювання радіохвиль знаходиться, ймовірно, у діапазоні від 5 до 10 кГц. Такі низькочастотні радіоперешкоди "зосереджені" у просторі між нижньою межею іоносфери та земною поверхнею та здатні поширюватися на відстані в тисячі кілометрів від джерела.
ЗМІНИ В АТМОСФЕРІ
Вплив метеорів та метеоритів.Хоча іноді метеорні дощі справляють глибоке враження своїми світловими ефектами, окремі метеори видно досить рідко. Набагато чисельніші невидимі метеори, надто малі, щоб бути помітними в момент їх поглинання атмосферою. Деякі з найдрібніших метеорів, мабуть, зовсім не нагріваються, лише захоплюються атмосферою. Ці дрібні частинки з розмірами від кількох міліметрів до десятитисячних часток міліметра називаються мікрометеоритами. Кількість метеорної речовини, яка щодобово надходить в атмосферу становить від 100 до 10 000 т, причому більша частина цієї речовини припадає на мікрометеорити. Оскільки метеорна речовина частково згоряє в атмосфері, її склад поповнюється слідами різних хімічних елементів. Наприклад, кам'яні метеори привносять до атмосфери літій. Згоряння металевих метеорів призводить до утворення найдрібніших сферичних залізних, залізонікелевих та інших крапельок, які проходять крізь атмосферу та осідають на земній поверхні. Їх можна виявити у Гренландії та Антарктиді, де майже без змін роками зберігаються льодовикові покриви. Океанологи знаходять їх у донних океанічних відкладах. Більшість метеорних частинок, що надійшли в атмосферу, осаджується приблизно протягом 30 діб. Деякі вчені вважають, що цей космічний пил відіграє важливу роль у формуванні таких атмосферних явищ, як дощ, оскільки є ядрами конденсації водяної пари. Тому припускають, що випадання опадів статистично пов'язані з великими метеорними дощами. Проте деякі фахівці вважають, що, оскільки загальне надходження метеорної речовини у багато десятків разів перевищує її надходження навіть із найбільшим метеорним дощем, зміною загальної кількості цієї речовини, що відбувається в результаті одного такого дощу, можна знехтувати. Однак, безсумнівно, найбільші мікрометеорити і, звичайно, видимі метеорити залишають довгі сліди іонізації у високих шарах атмосфери, головним чином в іоносфері. Такі сліди можна використовувати для далекого радіозв'язку, оскільки вони відображають високочастотні радіохвилі. Енергія які у атмосферу метеорів витрачається головним чином, і може бути, на її нагрівання. Це одна з другорядних складових теплового балансу атмосфери.
Вуглекислий газ промислового походження.У кам'яновугільному періоді Землі була поширена деревна рослинність. Більшість діоксиду вуглецю, поглиненого тоді рослинами, накопичилася в покладах вугілля й у нафтоносних відкладеннях. Величезні запаси цих корисних копалин людина навчилася використовувати як джерело енергії і зараз швидкими темпами повертає вуглекислий газ у кругообіг речовин. У викопному стані, ймовірно, бл. 4 * 10 13 т вуглецю. За останнє століття людство спалило стільки викопного палива, що приблизно 4*10 11 т вуглецю знову надійшло атмосферу. В даний час в атмосфері є прибл. 2*10 12 т вуглецю, а найближчі сто років з допомогою спалювання викопного палива ця цифра, можливо, подвоїться. Однак не весь вуглець залишиться в атмосфері: частина його розчиниться у водах океану, частина буде поглинена рослинами, а частина пов'язана у процесі вивітрювання гірських порід. Поки не можна передбачити, скільки вуглекислого газу утримуватиметься в атмосфері або який саме вплив він вплине на клімат земної кулі. Тим не менш, вважається, що будь-яке збільшення його змісту викличе потепління, хоча зовсім не обов'язково, що будь-яке потепління суттєво вплине на клімат. Концентрація вуглекислого газу в атмосфері, за результатами вимірювань, помітно збільшується, хоч і нешвидкими темпами. Кліматичні дані по Шпіцбергену та станції Літтл-Америка на шельфовому льодовику Росса в Антарктиді свідчать про підвищення середніх річних температур приблизно за 50-річний період відповідно на 5° та 2,5°С.
Вплив космічного випромінювання.При взаємодії космічних променів, що володіють високою енергією, з окремими складовими атмосфери утворюються радіоактивні ізотопи. Серед них виділяється ізотоп вуглецю 14С, що накопичується в рослинних та тваринних тканинах. Шляхом виміру радіоактивності органічних речовин, які давно не обмінюються вуглецем з навколишнім середовищем, можна визначити їхній вік. Радіовуглецевий метод зарекомендував себе як найбільш надійний спосіб датування викопних організмів та предметів матеріальної культури, вік яких не перевищує 50 тис. років. Для датування матеріалів, які мають вік у сотні тисяч років, можна буде використовувати інші радіоактивні ізотопи з великими періодами напіврозпаду, якщо буде вирішено принципове завдання вимірювання вкрай низьких рівнів радіоактивності
(див. також РАДІОВУГЛЕРОДНЕ ДАТУВАННЯ).
ПОХОДЖЕННЯ АТМОСФЕРИ ЗЕМЛІ
Історію утворення атмосфери поки що не вдалося відновити абсолютно достовірно. Проте виявлено деякі можливі зміни її складу. Становлення атмосфери розпочалося відразу після формування Землі. Є досить вагомі підстави вважати, що у процесі еволюції Праземлі та набуття нею близьких до сучасних розмірів та маси вона майже повністю втратила свою первісну атмосферу. Вважається, що на ранньому етапі Земля перебувала в розплавленому стані та прибл. 4,5 млрд років тому оформилася в тверде тіло. Цей рубіж приймається початку геологічного літочислення. Відтоді відбувалася і повільна еволюція атмосфери. Деякі геологічні процеси, як, наприклад, вилив лави при виверженнях вулканів, супроводжувалися викидом газів з надр Землі. До їх складу, ймовірно, входили азот, аміак, метан, водяна пара, оксид та діоксид вуглецю. Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладалася на водень і кисень, але кисень, що звільнився, вступав у реакцію з оксидом вуглецю з утворенням вуглекислого газу. Аміак розкладався на азот та водень. Водень у процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а більш важкий азот не міг зникнути і поступово накопичувався, стаючи основним її компонентом, хоча деяка його частина зв'язувалася під час хімічних реакцій. Під впливом ультрафіолетових променів та електричних розрядів суміш газів, що ймовірно були присутні в початковій атмосфері Землі, вступала в хімічні реакції, внаслідок яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот. Отже, життя могло зародитися в атмосфері, важливою від сучасної. З появою примітивних рослин почався процес фотосинтезу (див. також ФОТОСИНТЕЗ), що супроводжувався виділенням вільного кисню. Цей газ, особливо після дифузії у верхні шари атмосфери, став захищати її нижні шари та поверхню Землі від небезпечних для життя ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань. За оцінками, наявність всього 0,00004 сучасного обсягу кисню могло призвести до формування шару з удвічі меншою, ніж зараз, концентрацією озону, що забезпечувало істотний захист від ультрафіолетових променів. Можливо також, що у первинної атмосфері містилося багато вуглекислого газу. Він витрачався в ході фотосинтезу, і його концентрація мала зменшуватися в міру еволюції світу рослин, а також через поглинання в ході деяких геологічних процесів. Оскільки парниковий ефект пов'язаний із присутністю вуглекислого газу в атмосфері, деякі вчені вважають, що коливання його концентрації є однією з важливих причин таких великомасштабних кліматичних змін в історії Землі, як льодовикові періоди. Присутній у сучасній атмосфері гелій, ймовірно, здебільшого є продуктом радіоактивного розпаду урану, торію та радію. Ці радіоактивні елементи випускають альфа-частинки, які є ядра атомів гелію. Оскільки в ході радіоактивного розпаду електричний заряд не утворюється і не зникає, на кожну альфа-частинку припадає два електрони. У результаті вона сполучається з ними, утворюючи нейтральні атоми гелію. Радіоактивні елементи містяться в мінералах, розсіяних у товщі гірських порід, тому значна частина гелію, що утворився в результаті радіоактивного розпаду, зберігається в них, дуже повільно випаровуючись в атмосферу. Деяка кількість гелію за рахунок дифузії піднімається вгору в екзосферу, але завдяки постійному припливу від земної поверхні обсяг цього газу атмосфері незмінний. На підставі спектрального аналізу світла зірок та вивчення метеоритів можна оцінити відносний вміст різних хімічних елементів у Всесвіті. Концентрація неону в космосі приблизно в десять мільярдів разів вища, ніж на Землі, криптону – у десять мільйонів разів, а ксенону – у мільйон разів. Звідси випливає, що концентрація цих інертних газів, які спочатку були присутні в земній атмосфері і не поповнювалися в процесі хімічних реакцій, сильно знизилася, ймовірно, ще на етапі втрати Землею своєї первинної атмосфери. Виняток становить інертний газ аргон, оскільки у формі ізотопу 40Ar він і зараз утворюється у процесі радіоактивного розпаду ізотопу калію.
ОПТИЧНІ ЯВИЩА
Розмаїття оптичних явищ у атмосфері зумовлено різними причинами. До найпоширеніших феноменів відносяться блискавка і дуже мальовничі північне і південне полярні сяйва. Крім того, особливо цікаві веселка, гал, паргелій (хибне сонце) і дуги, корона, німби та примари Броккена, міражі, вогні святого Ельма, хмари, що світяться, зелені та сутінкові промені. Веселка – найкрасивіше атмосферне явище. Зазвичай це величезна арка, що складається з різнокольорових смуг, що спостерігається, коли Сонце висвітлює лише частину небосхилу, а повітря насичене крапельками води, наприклад під час дощу. Різнобарвні дуги розташовуються в послідовності спектру (червона, помаранчева, жовта, зелена, блакитна, синя, фіолетова), проте кольори майже ніколи не бувають чистими, оскільки смуги взаємно перекриваються. Як правило, фізичні характеристики веселок істотно різняться, тому і на вигляд вони дуже різноманітні. Їхньою загальною рисою є те, що центр дуги завжди розташовується на прямій, проведеній від Сонця до спостерігача. Головна веселка являє собою дугу, що складається з найбільш яскравих кольорів- червоного на зовнішній стороні та фіолетового - на внутрішній. Іноді видно лише одну дугу, але часто із зовнішнього боку основний веселки з'являється побічна. Вона має не такі яскраві кольори, як перша, а червона та фіолетова смуги в ній міняються місцями: червона розташовується з внутрішньої сторони. Утворення головної веселки пояснюється подвійним заломленням (див. також ОПТИКА) та одноразовим внутрішнім відображенням променів сонячного світла (див. рис. 5). Проникаючи всередину краплі води (А), промінь світла заломлюється і розкладається, як у проходженні крізь призму. Потім він досягає протилежної поверхні краплі (В), відбивається від неї і виходить із краплі назовні (С). При цьому промінь світла, перш ніж досягти спостерігача, переломлюється вдруге. Вихідний білий промінь розкладається на промені різних кольорів із кутом розбіжності 2°. При утворенні побічної веселки відбувається подвійне заломлення та подвійне відображення сонячних променів (див. рис. 6). В цьому випадку світло переломлюється, проникаючи всередину краплі через її нижню частину (А), і відбивається від внутрішньої поверхнікраплі спочатку в точці, потім у точці С. У точці D світло заломлюється, виходячи з краплі в бік спостерігача.

На сході і заході Сонця спостерігач бачить веселку як дуги, що дорівнює половині кола, оскільки вісь веселки паралельна горизонту. Якщо Сонце знаходиться вище над горизонтом, дуга веселки менше половини кола. Коли Сонце піднімається вище за 42° над горизонтом, веселка зникає. Скрізь, окрім високих широт, веселка не може з'явитися опівдні, коли Сонце стоїть надто високо. Цікаво оцінити відстань до веселки. Хоча здається, що різнокольорова дуга розташована в одній площині, це ілюзія. Насправді веселка має величезну глибину, і її можна уявити у вигляді поверхні пустотілого конуса, у вершині якого знаходиться спостерігач. Ось конуса з'єднує Сонце, спостерігача та центр веселки. Спостерігач дивиться як би вздовж поверхні цього конуса. Двоє людей ніколи не можуть побачити абсолютно однакову веселку. Звичайно, можна спостерігати в цілому той самий ефект, але дві веселки займають різне положення і утворені різними крапельками води. Коли дощ або водяний пил утворюють веселку, повний оптичний ефект досягається за рахунок сумарного впливу всіх крапельок води, що перетинають поверхню конуса веселки зі спостерігачем у вершині. Роль кожної краплі швидкоплинна. Поверхня конуса веселки складається з кількох шарів. Швидко перетинаючи їх і проходячи при цьому через серію критичних точок, кожна крапля миттєво розкладає сонячний промінь на весь спектр у певній послідовності - від червоного до фіолетового кольору. Багато крапель таким же чином перетинає поверхню конуса, так що веселка представляється спостерігачеві безперервної як вздовж, так і поперек її дуги. Гало - білі або райдужні світлові дуги та кола навколо диска Сонця або Місяця. Вони виникають внаслідок заломлення або відображення світла кристалами льоду або снігу, що знаходяться в атмосфері. Кристали, що формують гало, розташовуються на поверхні уявного конуса з віссю, спрямованої від спостерігача (з вершини конуса) до Сонця. За деяких умов атмосфера буває насичена дрібними кристалами, багато грані яких утворюють прямий кут з площиною, що проходить через Сонце, спостерігача та ці кристали. Такі грані відбивають промені світла, що надходять, з відхиленням на 22°, утворюючи червоне з внутрішньої сторони гало, але воно може складатися і з усіх кольорів спектру. Рідше зустрічається гало з кутовим радіусом 46°, що міститься концентрично навколо 22-градусного гало. Його внутрішня сторона теж має червоний відтінок. Причиною цього також є заломлення світла, що відбувається в цьому випадку на гранях кристалів, що утворюють прямі кути. Ширина кільця такого гало перевищує 2,5 °. Як 46-градусні, так і 22-градусні гало, як правило, мають найбільшу яскравість у верхній та нижній частинах кільця. 90-градусне гало, що рідко зустрічається, являє собою слабо світиться, майже безбарвне кільце, що має загальний центр з двома іншими гало. Якщо воно пофарбоване, має червоний колір на зовнішній стороні кільця. Механізм виникнення такого типу гало остаточно не з'ясований (рис. 7).

Паргелії та дуги. Паргелічний коло (або коло хибних сонців) - біле кільце з центром у точці зеніту, що проходить через Сонце паралельно горизонту. Причиною його утворення є відображення сонячного світла від граней поверхонь кристалів льоду. Якщо кристали досить рівномірно розподілені повітря, стає видимим повне коло. Паргелії, або помилкові сонця, - це плями, що яскраво світяться, що нагадують Сонце, які утворюються в точках перетину паргелічного кола з гало, що мають кутові радіуси 22°, 46° і 90°. Найчастіше утворюється і найяскравіший паргелій формується на перетині з 22-градусним гало, зазвичай пофарбований майже у всі кольори веселки. Хибні сонця на перетинах з 46- та 90-градусними гало спостерігаються набагато рідше. Паргелії, що виникають на перехрестях з 90-градусними гало, називаються парантеліями, або хибними протисонцями. Іноді видно також антелій (протисонце) - яскрава пляма, розташована на кільці паргелія точно навпроти Сонця. Передбачається, що причиною цього явища служить подвійне внутрішнє відображення сонячного світла. Відбитий промінь проходить тим самим шляхом, що й падаючий промінь, але у зворотному напрямку. Околозенітна дуга, іноді неправильно звана верхньою дотичною дугою 46-градусного гало, - це дуга в 90° або менше з центром у точці зеніту, розташована вище Сонця приблизно на 46°. Вона буває видна рідко і лише протягом декількох хвилин, має яскраві кольори, причому червоний колір приурочений до зовнішнього боку дуги. Околозенітна дуга примітна своїм забарвленням, яскравістю і чіткими контурами. Ще один цікавий та дуже рідкісний оптичний ефект типу гало – дуги Ловіца. Вони виникають як продовження паргеліїв на перетині з 22-градусним гало, проходять із зовнішнього боку гало і злегка увігнуті у бік Сонця. Стовпи білуватого світла, як і різноманітні хрести, іноді видно на світанку або на заході сонця, особливо в полярних регіонах, і можуть супроводжувати як Сонцю, так і Місяцю. Часом спостерігаються місячні гало та інші ефекти, подібні до описаних вище, причому найбільш звичайне місячне гало (кільце навколо Місяця) має кутовий радіус 22°. Подібно до хибних сонців, можуть виникати помилкові місяці. Корони, або вінці, - невеликі концентричні кольорові кільця навколо Сонця, Місяця чи інших яскравих об'єктів, які спостерігаються іноді, коли джерело світла перебуває за напівпрозорими хмарами. Радіус корони менший за радіус гало і становить бл. 1-5°, найближчим до Сонця виявляється блакитне або фіолетове кільце. Корона виникає при розсіюванні світла дрібними водяними крапельками води, що утворюють хмару. Іноді корона виглядає як пляма (або ореол), що світиться, навколишнє Сонце (або Місяць), яке завершується червонуватим кільцем. В інших випадках за межами ореолу видно не менше двох концентричних кілець більшого діаметра, дуже слабко забарвлених. Це супроводжується райдужними хмарами. Іноді краї дуже високо розташованих хмар пофарбовані яскравими кольорами.
Глорії (німби).У особливих умовах виникають незвичайні атмосферні явища. Якщо Сонце знаходиться за спиною спостерігача, а його тінь проектується на хмари або завісу туману, при певному стані атмосфери навколо тіні голови людини можна побачити кольорове коло - німб. Зазвичай такий німб утворюється через відображення світла крапельками роси на трав'яному газоні. Глорії також досить часто можна виявити навколо тіні, яку відкидає літак на хмари нижче.
Привиди Броккена.У деяких районах земної кулі, коли тінь спостерігача при сході або заході Сонця ззаду нього падає на хмари, розташовані на невеликій відстані, виявляється разючий ефект: тінь набуває колосальних розмірів. Це відбувається через відображення та заломлення світла найдрібнішими крапельками води в тумані. Описане явище зветься "примара Броккена" на ім'я вершини в горах Гарц у Німеччині.
Міражі- оптичний ефект, зумовлений заломленням світла при проходженні через шари повітря різної щільності і виявляється у виникненні уявного зображення. Видалені об'єкти при цьому можуть виявитися піднятими або опущеними щодо їх дійсного становища, а також можуть бути спотворені та набути неправильних, фантастичних форм. Міражі часто спостерігаються за умов спекотного клімату, наприклад над піщаними рівнинами. Звичайні нижні міражі, коли віддалена, майже рівна поверхня пустелі набуває вигляду відкритої води, особливо якщо дивитися з невеликого піднесення або просто перебувати вище шару нагрітого повітря. Подібна ілюзія зазвичай виникає на нагрітій асфальтованій дорозі, яка далеко попереду виглядає як водяна поверхня. Насправді ця поверхня є відображенням піднебіння. Нижче за рівень очей у цій "воді" можуть з'явитися об'єкти, зазвичай перевернуті. Над нагрітою поверхнею суші формується "повітряний листковий пиріг", причому найближчий до землі шар - нагрітий і настільки розріджений, що світлові хвилі, проходячи через нього, спотворюються, так як швидкість їх поширення змінюється в залежності від щільності середовища. Верхні міражі менш поширені і більш мальовничі проти нижніми. Видалені об'єкти (часто перебувають за морським горизонтом) вимальовуються на небі в перевернутому положенні, інколи ж вище з'являється ще й пряме зображення того ж об'єкта. Це типово для холодних регіонів, особливо при значній температурній інверсії, коли над холоднішим шаром знаходиться тепліший шар повітря. Цей оптичний ефект проявляється внаслідок складних закономірностей поширення фронту світлових хвиль у шарах повітря з неоднорідною щільністю. Іноді виникають дуже незвичайні міражі, особливо у полярних регіонах. Коли міражі виникають на суші, дерева та інші компоненти ландшафту перекинуті. У всіх випадках у верхніх міражах об'єкти видно більш виразно, ніж у нижніх. Коли кордоном двох повітряних мас є вертикальна площина, часом спостерігаються бічні міражі.
Вогні святого Ельма.Деякі оптичні явища в атмосфері (наприклад, світіння та найпоширеніше метеорологічне явище – блискавка) мають електричну природу. Набагато рідше зустрічаються вогні святого Ельма - блідо-блакитні або фіолетові кисті, що світяться, довжиною від 30 см до 1 м і більше, зазвичай на верхівках щог або кінцях рей суден, що знаходяться в морі. Іноді здається, що такелаж судна покритий фосфором і світиться. Вогні святого Ельма іноді виникають на гірських вершинах, а також на шпилях та гострих кутах високих будівель. Це явище є кистьові електричні розряди на кінцях електропровідників, коли в атмосфері навколо них сильно підвищується напруженість електричного поля. Блукаючі вогники - слабке світіння блакитного або зеленуватого кольору, яке іноді спостерігається на болотах, цвинтарях та в склепах. Вони часто виглядають як піднесене приблизно на 30 см над землею, що спокійно горить, не дає тепла, полум'я свічки, що на мить зависає над об'єктом. Вогник здається абсолютно невловимим і при наближенні спостерігача переміщується в інше місце. Причиною цього явища є розкладання органічних залишків і самозаймання болотного газу метану (СН4) або фосфіну (РН3). Блукаючі вогники мають різну форму, іноді навіть кулясту. Зелений промінь – спалах сонячного світла смарагдово-зеленого кольору в той момент, коли останній промінь Сонця ховається за горизонтом. Червона складова сонячного світла зникає першою, решта - по порядку слідом за нею, і останньою залишається смарагдово-зелена. Це явище виникає, лише коли над горизонтом залишається тільки самий краєчок сонячного диска, інакше відбувається змішання кольорів. Сутінкові промені - пучки сонячного світла, що розходяться, які стають видимими завдяки освітленню ними пилу у високих шарах атмосфери. Тіні від хмар утворюють темні смуги, а між ними поширюються промені. Цей ефект спостерігається, коли Сонце знаходиться низько над горизонтом перед світанком або після заходу сонця.