Что такое атмосфера?

Атмосфера представляет собой тонкую слоистую оболочку газов, удерживаемых на Земле гравитацией. Она простирается примерно на 480 км вверх, хотя 99 % ее массы лежит в пределах первых 30 км. По объему сухой воздух составляет около 78 % азота (N2) и 21 % кислорода (O2). Остальные 1 % включают аргон (0,93 %), углекислый газ (CO2) примерно на 0,042 % (и поднимается), неон, гелий, метан и другие газы-следы. Пар воды, хотя и переменный, является мощным парниковым газом, который может составлять до 4 % воздуха вблизи поверхности.

Эта газовая оболочка — гораздо больше, чем пассивная смесь. Она защищает жизнь от вредного солнечного ультрафиолетового излучения, обеспечивает кислород, которым мы дышим, и — что наиболее важно — действует как тепловое одеяло, которое поддерживает среднюю температуру поверхности Земли около 15 ° C (59 ° F). Без атмосферы наша планета была бы холодной, безжизненной сферой со средней температурой около — 18 ° C (0 ° F), похожей на Луну.

Слои атмосферы

Атмосфера разделена на пять первичных слоев, каждый из которых имеет различные температурные профили и функции.Понимание этих слоев помогает объяснить, как энергия поглощается, перераспределяется и в конечном итоге теряется в пространстве.

Тропосфера

Тропосфера — самый низкий слой, простирающийся от поверхности до средней высоты 12 км (выше на экваторе, ниже на полюсах). Все погодные явления — облака, дожди, штормы — происходят здесь. Температура снижается с высотой при средней скорости пролета 6,5 °C на километр, потому что поверхность является основным источником тепла. Это вертикальное смешивание имеет решающее значение для распределения тепла и влаги по всему земному шару.

Стратосфера

Над тропопаузой стратосфера простирается примерно от 12 км до 50 км. В отличие от тропосферы, температура повышается с высотой, поскольку озоновый слой (O3) поглощает 93–99 % высокоэнергетического ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Это поглощение одновременно защищает жизнь и создает стабильную тепловую структуру, которая подавляет вертикальное смешивание. Коммерческие реактивные самолеты часто летают в нижней стратосфере, чтобы избежать турбулентности.

мезосфера

От 50 км до 85 км лежит мезосфера. Температура снова падает с высотой, достигая −90 °C (-130 °F). Это слой, где большинство метеоров сгорает при входе, производя видимые «стреляющие звезды». В мезосфере также обитают серебристые облака, самые высокие облака на Земле, образованные из кристаллов льда на пыли от метеоров.

Термосфера

Термосфера простирается от 85 км до примерно 600 км. Несмотря на свое название - термическое значение тепла - молекулы газа настолько редки, что посетитель будет чувствовать себя холодным. Тем не менее, температура может достигать более 1500 ° C из-за интенсивного поглощения экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения атомами кислорода и азота. Ионосфера, область в термосфере, имеет решающее значение для радиосвязи и является местом, где происходят сияния (Северное и Южное сияние).

Экзосфера

Экзосфера — самая внешняя окраина, от примерно 600 км до 10 000 км, где атмосфера постепенно разрежается в вакуум пространства. Атомы водорода и гелия могут достигать скорости выхода и отходить. Наблюдающие за Землей спутники и орбита Международной космической станции в этом регионе испытывают почти вакуум, но все еще сталкиваются с достаточным количеством частиц, чтобы со временем ухудшать свои орбиты.

Как атмосфера регулирует температуру

Регулирование температуры — сложный, динамический процесс, включающий излучение, поглощение, отражение и перераспределение энергии, атмосфера достигает этого баланса через несколько взаимосвязанных механизмов.

Парниковый эффект

Парниковый эффект часто описывается как естественное одеяло. Входящее солнечное излучение (короткая волна) проходит через атмосферу и нагревает поверхность. Затем Земля испускает длинноволновое инфракрасное излучение вверх. Парниковые газы - в первую очередь водяной пар, CO2, метан (CH4), закись азота (N2O) и озон - поглощают большую часть этой исходящей инфракрасной энергии и повторно излучают ее во всех направлениях, включая обратно к поверхности. Эта улавливание тепла повышает температуру поверхности примерно на 33 ° C по сравнению с планетой без атмосферы.

Критически, естественный парниковый эффект имеет важное значение для жизни. Проблема возникает, когда деятельность человека увеличивает концентрации этих газов, вызывая усиленный парниковый эффект, который удерживает избыточное тепло. Со времени промышленной революции уровни CO2 выросли с примерно 280 ppm до более 420 ppm, что приводит к глобальному потеплению. Подробности о атмосферных тенденциях CO2 см. в Глобальной лаборатории мониторинга NOAA .

Эффект Альбедо

Альбедо — это доля поступающего солнечного света, которую отражает поверхность. Свежий снег имеет альбедо до 0,9 (90 % отражено), в то время как темные леса и океаны имеют альбедо до 0,05—0,15. Сама атмосфера также способствует: облака отражают около 20—30 % солнечной радиации, а аэрозоли (крошечные частицы) могут либо отражаться, либо поглощаться в зависимости от их состава.

Изменения в поверхностном альбедо создают петли обратной связи. Например, когда арктический морской лед тает из-за потепления, подвергается воздействию более темной океанской воды, которая поглощает больше тепла, еще больше ускоряя потерю льда и потепление. Эта обратная связь лед-альбедо является основным усилителем изменения климата. Аналогичным образом, обезлесение в Амазонии уменьшает региональное альбедо, способствуя местному потеплению и изменению моделей осадков.

Распределение тепла путем атмосферного циркуляции

Атмосфера перемещает тепло из тропиков к полюсам через крупномасштабные циркуляционные ячейки. Наиболее важными являются ячейки Хэдли: теплый, влажный воздух поднимается вблизи экватора, охлаждает и выпускает дождь, затем течет по полюсу на большой высоте, прежде чем спуститься около 30° широты, создавая субтропические пояса высокого давления и крупные пустыни. Нисходящий воздух нагревается адиабатически, подавляя образование облаков. Подобные ячейки Ферреля и Полярного завершают глобальную ветровую систему.

Эта циркуляция не только перераспределяет тепло, но и влагу. Без нее тропики были бы еще жарче, а полюса — намного холоднее. Струйные потоки — быстро движущиеся узкие воздушные потоки в верхней тропосфере — играют решающую роль в управлении погодными системами и могут смещаться из-за изменений градиентов температуры, влияющих на климат средних широт. Для получения дополнительной информации об атмосферной циркуляции обратитесь к Обсерватории Земли НАСА .

Тепловой обмен океан-атмосфера

Океаны покрывают 71% поверхности Земли и поглощают огромное количество солнечной энергии. Они также удерживают примерно в 1000 раз больше тепла, чем атмосфера. Океанские течения, обусловленные разницей ветров и плотности (термохалинной циркуляции), переносят тепло глобально. Гольфстрим, например, переносит теплую воду из Мексиканского залива через Атлантику, смягчая климат Западной Европы. По мере нагревания атмосферы океаны поглощают больше тепла, вызывая повышение уровня моря за счет теплового расширения и таяния ледяных щитов.

Скрытое тепло и конвекция

Испарение воды из океана или поверхности суши поглощает скрытое тепло. Эта влага поднимается и конденсируется в облаках, высвобождая это тепло в атмосферу - часто на больших высотах. Конвекция (вертикальное движение воздуха), вызванная этим высвобождением скрытого тепла, является двигателем, стоящим за грозами, ураганами и тропическими дождями. Она эффективно перемещает энергию вверх, играя жизненно важную роль в глобальном энергетическом бюджете. Этот процесс также связывает водный цикл непосредственно с регулированием температуры.

Влияние человека на атмосферу

Деятельность человека глубоко изменила состав атмосферы и ее способность регулировать температуру.В то время как природные процессы, такие как вулканы и орбитальные изменения, влияли на климат в течение миллионов лет, нынешние темпы изменений беспрецедентны, по крайней мере, за 800 000 лет.

Выбросы парниковых газов

Основным фактором современных изменений климата является выброс парниковых газов в результате сжигания ископаемого топлива, промышленных процессов, сельского хозяйства и обезлесения.

  • Диоксид углерода (CO2) — от сжигания угля, нефти, природного газа и производства цемента. CO2 остаётся в атмосфере на протяжении веков.
  • Метан (CH4) — от скота, рисовых полей, свалок и утечек нефти/газа. Метан более чем в 25 раз более мощный, чем CO2 за 100 лет, но сохраняется около десятилетия.
  • Оксид азота (N2O) — от удобрений, промышленных процессов и сжигания биомассы. N2O почти в 300 раз мощнее CO2 и длится более века.
  • Фторированные газы (F-газы) — синтетические соединения, используемые в холодильной технике, кондиционировании воздуха и электронике. Некоторые, такие как SF6, имеют потенциал глобального потепления в тысячи раз выше, чем CO2.

Аэрозоли и загрязнение воздуха

Сжигание ископаемого топлива также выделяет аэрозоли — крошечные частицы сульфатов, черного углерода и органического вещества. Некоторые аэрозоли (например, сульфаты) отражают солнечный свет и могут вызывать эффект охлаждения, частично маскируя потепление в теплицах. Однако это охлаждение является региональным и кратковременным, а аэрозоли также ухудшают качество воздуха, вызывая миллионы преждевременных смертей ежегодно. Черный углерод (сажа) поглощает солнечный свет, нагревая атмосферу и темнея снег и лед, что уменьшает альбедо и ускоряет таяние.

Земельные изменения

Вырубка лесов, урбанизация и сельское хозяйство изменяют альбедо поверхности, эвапотранспирацию и хранение углерода. Замена лесов с культурами или пастбищами уменьшает количество поглощенного CO2 и может увеличить местные температуры. Городские тепловые острова - города, которые теплее, чем окружающие сельские районы - изменяют местные погодные условия и увеличивают спрос на энергию для охлаждения.

Последствия изменения температурного регулирования

Усиленный парниковый эффект уже поднял среднюю глобальную температуру примерно на 1,2 °C выше доиндустриального уровня. Это потепление вызывает каскад эффектов:

  • Экстремальная погода: Более интенсивные волны тепла, сильные дожди, засухи и более сильные тропические циклоны.
  • Повышение уровня моря: Глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 20 см с 1900 года, ускоряясь из-за теплового расширения и таяния ледников и ледяных щитов.
  • Нарушение экосистемы: Отбеливание коралла, изменение видовых диапазонов и повышенный риск лесных пожаров.
  • Положительные отзывы: Оттаивание вечной мерзлоты выделяет метан и CO2, усиливая потепление; таяние морского льда уменьшает альбедо; лесная отмирание уменьшает поглотители углерода.
  • Подкисление океана:] Около 30 % выбрасываемого CO2 растворяется в океане, образуя углекислую кислоту. Это вредит кальцифицирующим организмам, таким как кораллы, моллюски и планктон, угрожая всей морской пищевой сети.

Для получения последней научной оценки обратитесь к Межправительственной группе экспертов по изменению климата (FLT:0) в шестом оценочном докладе (FLT:1).

Смягчение последствий изменения климата и восстановление баланса

Сокращение вмешательства человека в регулирование температуры атмосферы требует немедленных, устойчивых действий. Стратегии делятся на три категории: смягчение последствий, адаптация и потенциальная геоинженерия.

Смягчение: сокращение выбросов

  • Переход на возобновляемые источники энергии: Солнечная, ветровая, гидро- и геотермальная энергия могут заменить ископаемое топливо. Затраты резко упали; солнечная и ветровая энергия в настоящее время часто являются самыми дешевыми источниками новой электроэнергии.
  • Энергоэффективность: Улучшенная изоляция, светодиодное освещение, эффективные приборы и улучшенные промышленные процессы снижают спрос на энергию.
  • Электрификация и декарбонизированный транспорт: Электромобили, общественный транспорт и велосипед уменьшают зависимость от нефти.
  • Удаление углерода: лесовосстановление, облесение, улучшение управления почвой (углеродное земледелие) и технологии прямого захвата воздуха могут вытягивать CO2 из атмосферы.
  • Улавливание метана: Уменьшение утечек от операций с нефтью и газом, улавливание свалочного газа и изменение сельскохозяйственной практики (например, кормовые добавки для крупного рогатого скота) могут сократить кратковременные, но мощные выбросы.

Адаптация к неизбежным последствиям

Даже при агрессивном смягчении последствий некоторые виды потепления уже заперты в себе. Сообщества должны адаптироваться, создавая устойчивую инфраструктуру, развивая засухоустойчивые культуры, восстанавливая мангровые заросли и водно-болотные угодья для защиты побережья и улучшая системы раннего предупреждения о экстремальных погодных условиях.

Геоинженерия: спорный последний курорт

Некоторые ученые предлагают управление солнечным излучением (например, впрыскивание сульфатных аэрозолей в стратосферу для отражения солнечного света) или удаление углекислого газа в больших масштабах. Эти подходы несут значительные риски и неизвестные, но они изучаются как потенциальные дополнения к сокращению выбросов, а не замены. Национальные академии наук обеспечивают сбалансированные обзоры таких исследований.

Важность понимания регулирования температуры атмосферы

Для студентов и преподавателей понимание того, как атмосфера регулирует температуру, является основополагающим для понимания науки о климате. Она соединяет физику (излучение и термодинамику), химию (парниковые газы и реакции) и биологию (фотосинтез, дыхание и обратную связь с экосистемой). Эти знания позволяют людям принимать обоснованные решения об использовании энергии, политике и образе жизни. Это также подчеркивает, почему международное сотрудничество, такое как Парижское соглашение, имеет важное значение: атмосфера является глобальным достоянием; выбросы в любом месте влияют на всю планету.

Более того, понимание роли атмосферы может вызвать любопытство к другим планетам. Венера, с неудержимым парниковым эффектом, имеет поверхность, достаточно горячую, чтобы расплавить свинец. Марс, с тонкой атмосферой, имеет среднюю температуру -63 ° C. Земля находится между этими крайностями из-за ее уникального атмосферного состава, обильной воды и жизни, которая эволюционировала вместе с климатом планеты. Сохранение этого тонкого баланса является одной из величайших проблем нашего времени.

Заключение

Атмосфера — это гораздо больше, чем просто слой воздуха. Это динамичная, сложная система, которая регулирует температуру Земли посредством парникового эффекта, альбедо, циркуляции тепла и скрытых тепловых процессов. Деятельность человека — особенно сжигание ископаемого топлива и изменение землепользования — разрушила эту систему, что привело к быстрому глобальному потеплению и каскаду экологических последствий. Тем не менее, то же самое научное понимание, которое раскрывает проблему, также предоставляет инструменты для решений. Сокращение выбросов, защита и восстановление экосистем и внедрение устойчивых технологий, человечество может смягчить худшие последствия и помочь восстановить способность атмосферы поддерживать стабильный, жизнеобеспечивающий климат. Для учителей, студентов и граждан, изучение этой системы не только академическое — это важно для защиты будущего.