Что такое… атмосфера Земли? – НАСА

Представьте себе слоеный пирог, обвивающий Землю. По сути, это то, на что похожа атмосфера Земли: слои газа, окружающие Землю, защищают планету. Мы попросили Рей Уэяму, ученого-атмосферника из Исследовательского центра Эймса НАСА, объяснить немного больше о функции и важности нашей атмосферы. Уэяма является частью Отделения атмосферных наук, которое занимается расширением наших знаний и понимания поведения атмосферы на планете. Исследования Уэямы сосредоточены конкретно на процессах в верхней тропосфере и стратосфере, что также позволяет ей поддерживать воздушные миссии НАСА с помощью прогнозирования и планирования полетов, сбора данных и анализа.

«Атмосфера Земли позволяет существовать жизни. . . как защитный пузырь, окружающий планету», — заявил Уэяма. Хотя мы не можем напрямую видеть атмосферу, она обеспечивает воздух, которым мы дышим, и защищает нас от вредных ультрафиолетовых (УФ) лучей. Атмосфера также удерживает тепло и поддерживает умеренный, пригодный для жизни диапазон температур. Без него температура Земли была бы аналогична температуре Луны, которая испытывает резкие колебания температуры между днем ​​и ночью (от -208°F до 250°F) из-за отсутствия атмосферы.

Атмосфера состоит из пяти основных слоев, различающихся по таким факторам, как температура, химический состав и плотность воздуха.

Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Тропосфера содержит весь воздух, необходимый растениям для фотосинтеза и животным для дыхания. Погода на Земле формируется в этом слое, поскольку именно здесь находится большая часть атмосферной массы, включая большую часть водяного пара. Тропосфера также является самым плотным слоем атмосферы из-за сжатия верхних слоев.

Тропосфера взаимодействует с поверхностью Земли, создавая градиенты температуры, которые приводят к движению воздуха и воды. Вода с поверхности Земли превращается в водяной пар посредством испарения и транспирации и перемещается по тропосфере, где конденсируется в облака. Ветры перемещают облака, и вода возвращается в виде осадков; дождь, снег, мокрый снег и град.

В тропосфере температура снижается с увеличением высоты в результате разрежения воздуха выше в слое. Именно из-за этого понижения температуры мы видим снег на вершинах высоких гор.

Стратосфера – это слой над тропосферой. По сравнению с тропосферой, нижняя стратосфера испытывает меньшую турбулентность воздуха из-за уменьшения конвекции — вертикального движения воздуха в атмосфере. В этом регионе летают коммерческие пассажирские самолеты. В отличие от тропосферы, внутри этого слоя температура начинает повышаться с увеличением высоты, во многом благодаря наличию озонового слоя, который поглощает и защищает Землю от УФ-излучения Солнца. По словам Уэямы, такое отклонение температуры создает стабильность: более прохладный и плотный воздух внизу и теплый, менее плотный вверху.

Мезосфера — средний слой между стратосферой и термосферой. Метеоры сгорают при входе в мезосферу из-за скорости их движения и повышенного присутствия молекул газа в мезосфере по сравнению с внешними слоями атмосферы: это создает трение и тепло, которые испепеляют падающие метеоры.

Как и в тропосфере, температура начинает снижаться с увеличением высоты. Мезосфера — самый холодный слой атмосферы, и Уэяма отметил, что мезопауза, граница между мезосферой и термосферой, является самой холодной частью всей атмосферы. Это связано с тем, что мезосфера получает меньше солнечной радиации (солнечного света), чем слои над ней, а воздух менее плотный, чем слои ниже.

Термосфера расположена над мезосферой. Этот слой очень активен, набухая и сжимаясь в ответ на различные уровни солнечной радиации от Солнца. Температура термосферы может достигать 2000°C (3632°F) и выше. По мнению Уэямы, плотность слоя (вернее, его отсутствие) ответственна за его высокие температуры. Поскольку частиц газа так мало, каждая из них поглощает больше энергии излучения, что приводит к тому, что термосфера достигает таких высоких температур. Этот слой примечателен тем, что здесь находится Международная космическая станция и другие спутники на низкой околоземной орбите.

В некоторых частях мезосферы и термосферы находятся участки высокоэнергетических электронов и ионизированных атомов, называемые ионосферой (не позволяйте сферической части названия ввести вас в заблуждение: это группы частиц внутри мезо- и термосферы). ). «Очень высокоэнергетические рентгеновские лучи и УФ-излучение Солнца попадают на [gas] молекулы, и он выбивает электроны из их родительских атомов [leaving] много ионов. Вот почему мы называем это [the] ионосфера», — объяснил Уэяма. Когда эти частицы возбуждаются, они сталкиваются, создавая полярные сияния, также известные как северное и южное сияние.

Экзосфера — это самый внешний слой атмосферы Земли, вокруг которого вращается большинство спутников. Экзосфера обозначает конец нашей атмосферы и начало космического пространства, хотя не существует определенной максимальной высоты, где заканчивается экзосфера. «Это похоже на то, как будто молекулы воздуха вытекают из атмосферы Земли», — сказал Уэяма.

Некоторые из тем, которые интересуют ученых-атмосферников, включают парниковые газы, загрязнение и качество воздуха, а также процессы, связанные с облаками. Исследователи работают над улучшением нашего понимания того, как эти темы повлияют на наш климат и здоровье населения в будущем, особенно с учетом быстро меняющихся факторов окружающей среды.

Парниковые газы, особая категория малых газов, возникают в результате естественной и антропогенной (антропогенной) деятельности. По сравнению с историческими данными, концентрация парниковых газов в атмосфере увеличивается, что приводит к повышению средней глобальной температуры.

Парниковые газы по своей сути не являются проблемой, поскольку они поддерживают на Земле комфортную для жизни температуру. Уэяма объяснил, что без эффекта парниковых газов средняя температура поверхности составляла бы около –20˚C (–4˚F). Это становится проблемой, когда антропогенная деятельность, такая как сжигание ископаемого топлива, увеличивает концентрацию парниковых газов сверх естественного уровня, что затем удерживает больше тепла, чем обычно. Такое повышение температуры напрямую связано с изменением климата.

Загрязнение вызывает проблемы общественного здравоохранения, такие как снижение функции легких и даже преждевременная смерть людей с заболеваниями сердца или легких. Некоторые источники загрязняющих веществ имеют естественное происхождение, например, дым вулканов и лесные пожары, но другие источники возникают в результате антропогенной деятельности. Например, заводы и автомобили выделяют углекислый газ и оксиды азота, которые также являются формами парниковых газов.

Когда аэрозоли, мелкие частицы, взвешенные в воздухе и выбрасываемые в результате природной (лесные пожары, вулканы) и антропогенной деятельности (сгорание ископаемого топлива), заселяют атмосферу, состав атмосферы меняется. «Это также может изменить радиационный баланс Земли и повлиять на климат», — сказал Уэяма.

Радиационный баланстакже называемый Земным энергетический бюджет, относится к балансу между поступающим и исходящим количеством радиации, в управлении которой атмосферные газы играют важную роль. Приходящее излучение в основном коротковолновый солнечная энергия (солнечный свет), часть которой отражается обратно в космос атмосферными газами или облаками, часть рассеивается атмосферными аэрозолями, а часть поглощается поверхностью планеты. Исходящее излучение – это длинноволновой радиация, испускаемая поверхностью Земли, которая почти полностью поглощается атмосферными газами, а затем повторно излучается во всех направлениях: часть запускается в космос и, следовательно, теряется из системы, но часть возвращается на Землю, чтобы повторить цикл потепления.

Уэяма также упомянул обеспокоенность по поводу мелких вдыхаемых частиц, таких как PM2,5, которые представляют собой частицы размером 2,5 микрометра и меньше. Чем меньше частица, тем дальше она может проникнуть в наши легкие и вызвать проблемы со здоровьем, такие как астма и нерегулярное сердцебиение. PM2,5 выделяются непосредственно из таких источников, как выхлопные газы автомобилей, или образуются в результате сложных химических взаимодействий в атмосфере. Любой из этих источников PM2,5 может оказать неблагоприятное воздействие на здоровье человека.

Поскольку выбросы различных аэрозолей продолжаются, ученые все еще работают над пониманием и прогнозированием долгосрочных последствий, которые эти частицы оказывают на состав атмосферы, здоровье человека и условия окружающей среды. Обнаруживая, отслеживая и моделируя эти изменения, мы можем понять поведение и взаимодействие между химией атмосферы и климатом. Это информирует нас о будущих изменениях климата и определяет национальные и региональные стандарты качества воздуха.

Облака оказывают значительное влияние на погоду и климат. В зависимости от своих особенностей и высоты в атмосфере облака создают на Земле либо согревающий, либо охлаждающий эффект. Более толстые облака, находящиеся на меньшей высоте, блокируют солнечное излучение, охлаждая поверхность Земли. Между тем, более тонкие и высотные облака в атмосфере улавливают часть солнечной радиации, которая отражается от поверхности Земли, создавая эффект потепления. Эти взаимодействия укладываются в так называемую обратную связь между облаками и климатом.

Исследования Уэямы охватывают динамические физические процессы и взаимодействия между тропосферой и стратосферой, чтобы понять, что вызывает изменчивость облаков и погодных условий. «Понимание процессов, определяющих эти характеристики облаков, [of] интерес, чтобы мы могли улучшить моделирование облаков и конвекции в моделях глобального климата и, следовательно, лучше прогнозировать будущий климат», — сказал Уэяма.

НАСА проводит различные исследования свойств атмосферы Земли, качества воздуха и энергетического баланса Земли. Для решения вопросов, связанных с атмосферой, НАСА имеет четыре основные программы исследования атмосферы, включая Программу исследования верхних слоев атмосферы (UARP), Программу состава тропосферы (TCP), Программу радиационных наук (RSP) и Программу моделирования и анализа состава атмосферы (ACMAP).

Один из недавно запущенных спутников НАСА «Планктон, аэрозоль, облако, экосистема океана» (PACE) помогает исследователям изучать обмен углекислого газа между океаном и атмосферой. PACE может обнаруживать аэрозоли и облака одновременно, обеспечивая тем самым ценную информацию о влиянии аэрозолей и их взаимодействии с облаками. Уэяма будет обеспечивать метеорологические прогнозы и прогнозы аэрозолей для кампании «Планктон, аэрозоли, облака, океан, экосистема после запуска воздушно-десантных экспериментов» (PACE-PAX); полевая кампания по проверке данных в поддержку миссии ПАСЕ.

Помимо спутников НАСА, собирающих данные из космоса, существует множество миссий воздушного и наземного базирования, которые собирают и проверяют данные. Недорогая сетевая сенсорная технология для исследования загрязнения (INSTEP) — ​​это одна из новейших сетей недорогих и ценных приборов для обнаружения загрязнения воздуха, которые могут улавливать и контролировать следы газов, таких как метан и углекислый газ. Группа Trace Gas Group (TGGR) в Исследовательском центре Эймса НАСА развернула датчики INSTEP по всей Калифорнии для мониторинга качества воздуха и поддержки проверки спутниковых данных.

Для тех, кто хочет расширить свои знания в области наук об атмосфере, посетите EarthData НАСА для получения дополнительной информации и связанных тем. Чтобы узнать новости об исследованиях НАСА, связанных с атмосферой, посетите страницу НАСА «Атмосфера Земли».

В дополнение к исследованиям и ресурсам НАСА Уэяма рекомендует веб-сайты Университетской корпорации атмосферных исследований (UCAR) и Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) в качестве общедоступных ресурсов, предлагающих дополнительную информацию по темам науки об атмосфере.

Автор статьи: Катера Ли

Ответственное лицо по контенту: Милан Лойаконо