Атмосферы планет

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему: «Атмосферы планет»

Атмосфера Меркурия

Атмосфера Меркурия имеет крайне низкую плотность. Она состоит из водорода, гелия, кислорода, паров кальция, натрия и калия. Водород и гелий планета, вероятно, получает от Солнца, а металлы испаряются с ее поверхности. «Атмосферой» эту тонкую оболочку можно назвать лишь с большой натяжкой. Давление у поверхности планеты в 500 млрд раз меньше, чем у поверхности Земли (это меньше, чем в современных вакуумных установках на Земле).

Максимальная температура поверхности Меркурия, зарегистрированная датчиками, +410 °С. Средняя температура ночного полушария равна -162 °С, а дневного +347 °С (этого достаточно, чтобы расплавить свинец или олово). Перепады температур из-за смены времен года, вызванной вытянутостью орбиты, на дневной стороне достигают 100 °С. На глубине 1 м температура постоянна и равна +75 °С, ведь пористый грунт плохо проводит тепло. Органическая жизнь на Меркурии исключается.

Атмосфера Венеры

Атмосфера Венеры крайне жаркая и сухая. Температура на поверхности достигает своего максимума, примерно у отметки 480°С. В атмосфере Венеры содержится в 105 раз больше газа, чем в атмосфере Земли. Давление этой атмосферы у поверхности очень велико, в 95 раз выше, чем на Земле. Космические корабли приходится конструировать так, чтобы они выдерживали сокрушительную, раздавливающую силу атмосферы.

В 1970 г. первый космический корабль, прибывший на Венеру, смог выдержать страшную жару лишь около одного часа - этого как раз хватило, чтобы послать на Землю данные об условиях на поверхности. Российские летательные аппараты, совершившие посадку на Венеру в 1982 г., послали на Землю цветные фотографии с изображением острых скал.

Благодаря парниковому эффекту, на Венере стоит ужасная жара. Атмосфера, представляющая собой плотное одеяло из углекислого газа, удерживает тепло, пришедшее от Солнца. В результате скапливается большое количество тепловой энергии.

Атмосфера Венеры разделена на несколько слоёв. Наиболее плотная часть атмосферы -- тропосфера, начинается на поверхности планеты и простирается вплоть до 65 км. Ветры у раскалённой поверхности слабые, однако в верхней части тропосферы температура и давление уменьшаются до земных значений, и скорость ветра возрастает до 100 м/с.

Атмосферное давление на поверхности Венеры в 92 раза выше, чем на Земле, и сравнимо с давлением, создаваемым слоем воды на глубине 910 метров. Из-за такого высокого давления углекислый газ фактически является уже не газом, а сверхкритическим флюидом. Атмосфера Венеры имеет массу 4,8·1020 кг, что в 93 раза превышает массу всей атмосферы Земли, а плотность воздуха у поверхности составляет 67 кг/м3, то есть 6,5 % от плотности жидкой воды на Земле.

Тропосфера Венеры содержит 99 % всей атмосферы планеты по массе. 90 % атмосферы Венеры находится в пределах 28 км от поверхности. На высоте 50 км атмосферное давление примерно равно давлению на поверхности Земли. На ночной стороне Венеры облака можно обнаружить даже в 80 км над поверхностью.

Верхняя атмосфера и ионосфера

Мезосфера Венеры находится в интервале между 65 и 120 км. Далее начинается термосфера, достигающая верхней границы атмосферы (экзосферы) на высоте 220--350 км.

Мезосфера Венеры может быть разделена на два уровня: нижний (62--73 км) и верхний (73--95) км. В первом слое температура почти постоянна и составляет 230К (?43 °С). Этот уровень совпадает с верхним слоем облаков. На втором уровне температура начинает понижаться, опускаясь до 165 К (?108 °C) на высоте 95 км. Это самое холодное место на дневной стороне атмосферы Венеры. Далее начинается мезопауза, которая является границей между мезосферой и термосферой и находится между 95 и 120 км. На дневной стороне мезопаузы температура возрастает до 300--400 К (27--127 °C) -- значений, преобладающих в термосфере. В противоположность этому, ночная сторона термосферы является самым холодным местом на Венере с температурой 100К (?173 °C). Её иногда называют криосферой. В 2015 году с помощью зонда «Венера-Экспресс» учёные зафиксировали тепловую аномалию в промежутке высот от 90 до 100 километров -- средние показатели температур тут выше на 20-40 градусов и равняются 220-224 градусам Кельвина.

Венера имеет вытянутую ионосферу, расположенную на высоте 120--300 км и почти совпадающую с термосферой. Высокие уровни ионизации сохраняются только на дневной стороне планеты. На ночной стороне концентрация электронов практически равна нулю. Ионосфера Венеры состоит из трёх слоев: 120--130 км, 140--160 км и 200--250 км. Также может быть дополнительный слой в районе 180 км. Максимальная плотность электронов (число электронов в единице объёма) 3·1011 м3 достигается во втором слое вблизи подсолнечной точки. Верхняя граница ионосферы -- ионопауза -- расположена на высоте 220--375 км. Основные ионы в первом и втором слое -- это O2+ ионы, в то время как третий слой состоит из O+ ионов. Согласно наблюдениям, ионосферная плазма находится в движении, а солнечная фотоионизация на дневной стороне и рекомбинация ионов на ночной являются процессами, главным образом, ответственными за ускорение плазмы до наблюдаемых скоростей. Плазменный поток, видимо, достаточен для поддержания наблюдаемого уровня концентрации ионов на ночной стороне.

Атмосфера Земли

Атмосфера планеты Земля, одна из геосфер, смесь газов, окружающих Землю, и содержатся благодаря силе тяжести. Атмосфера в основном состоит из азота (N2, 78%) и кислорода (O2, 21%; O3, 10%). Остальные (~ 1%) состоит в основном из аргона (0,93%) с небольшими примесями других газов, в частности углекислого газа (0,03%). Кроме того атмосфера содержит около 1,3 ч 1,5 Ч 10кг воды, основную массу которой сосредоточено в тропосфере.

Согласно изменениям температуры с высотой в атмосфере выделяют следующие слои:

· Тропосфера - до 8-10 км в полярных областях и до 18 км - над экватором. В тропосфере сосредоточено почти 80% атмосферного воздуха, почти весь водяной пар, здесь образуются облака и выпадают осадки. Теплообмен в тропосфере осуществляется преимущественно конвективно. Процессы, происходящие в тропосфере, непосредственно влияют на жизнь и деятельность людей. Температура в тропосфере с высотой понижается в среднем на 6 ° C на 1 км, а давление - на 11 мм рт. в. на каждые 100 м. Условной границей тропосферы считают тропопаузы, в которой снижение температуры с высотой прекращается.

· Стратосфера - от тропопаузы до стратопаузе, которая расположена на высоте около 50-55 км. Характеризуется незначительным увеличением температуры с высотой, которая достигает локального максимума на верхней границе. На высоте 20-25 км в стратосфере располагается слой озона, который защищает живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетового излучения.

· Мезосфера - расположена на высотах 55-85 км. Температура постепенно падает (от 0 ° C в стратопаузе до -70 ч -90 ° C в мезопаузе).

· Термосфера - пролегает на высотах от 85 до 400-800 км. Температура растет с высотой (от 200 K до 500-2000 K в турбопаузы). По степени ионизации атмосферы в ней выделяют нейтральный слой (нейтросфера) - до высоты 90 км, и ионизированный слой - ионосферу - выше 90 км. По однородности атмосферу подразделяют на гомосферу (однородную атмосферу постоянного химического состава) и гетеросферу (состав атмосферы меняется с высотой). Условным пределом между ними на высоте около 100 км является гомопауза. Верхняя часть атмосферы, где концентрация молекул снижается настолько, что они движутся преимущественно баллистическими траекториями, почти без столкновений между собой, называется экзосфера. Она начинается на высоте около 550 км, состоящий преимущественно гелия и водорода и постепенно переходит в межпланетное пространство.

Значение атмосферы

Несмотря на то, что масса атмосферы составляет лишь одну миллионную долю массы Земли, она играет решающую роль в различных природных циклах (круговороте воды, углеродном цикле и азотном цикле). Атмосфера является промышленным источником азота, кислорода и аргона, которые получают путем фракционной дистилляции сжиженного воздуха.

Атмосфера Марса

Атмосфера Марса открыта была еще до полета автоматических межпланетных станции к планете. Благодаря противостояниям планеты, которые случаются раз в три года и спектральному анализу, астрономы уже в 19 веке знали, что она имеет весьма однородный состав, более 95% которого составляет CO2.

В 20 веке, благодаря межпланетным зондам мы узнали, что атмосфера Марса и его температура сильно взаимосвязаны, ведь благодаря переносу мельчайших частичек оксида железа возникают огромные пылевые бури, которые могут охватить половину планеты, попутно подняв ее температуру.

Примерный состав

Газовая оболочка планеты состоит из состоит из 95% углекислого газа, 3% азота, 1,6% аргона, и следовых количеств кислорода, водяного пара и других газов. Кроме того, она очень сильно наполнена мелкими частицами пыли (в основном из оксида железа), которые придают ей красноватый оттенок. Благодаря сведениям о частичках оксида железа, ответить на вопрос какого цвета атмосфера, совсем не трудно.

Почему атмосфера красной планеты состоит из углекислого газа? На планете нет тектоники плит вот уже в течение миллиардов лет. Отсутствие движения плит позволило вулканическим точкам извергать магму на поверхность миллионы лет подряд. Углекислый газ также является продуктом извержения и это единственный газ, которым постоянно пополняется атмосфера, собственно это фактически единственная причина, почему она существует. К тому же планета лишилась своего магнитного поля, что способствовало тому, что более легкие газы уносились солнечным ветром. Из-за непрерывных извержений, появилось множество больших вулканических гор. Гора Олимп, является крупнейшей горой в Солнечной системе.

Ученые считают, что Марс растерял всю свою атмосферу, из-за того, что потерял свою магнитосферу около 4 миллиардов лет назад. Когда-то газовая оболочка планеты была плотнее и магнитосфера защищала от солнечного ветра планету. Солнечный ветер, атмосфера и магнитосфера сильно взаимосвязаны. Солнечные частицы взаимодействует с ионосферой и уносит из нее молекулы, снижая плотность. Это и является разгадкой на вопрос куда делась атмосфера. Эти ионизированные частицы были обнаружены космическими аппаратами, в пространстве позади Марса. Это приводит к тому, что на поверхности давление в среднем 600 Па, по сравнению со средним давлением на Земле 101300 Па.

Строение

Атмосфера делится на четыре основных слоя: нижний, средний, верхний и экзосфера. Нижние слои это теплая область (температура около 210 К). Она нагревается от пыли в воздухе (пыль 1,5 мкм в поперечнике) и теплового излучения от поверхности.

Следует учесть, что, несмотря на очень большую разрежённость, концентрация углекислого газа, в газовой оболочке планеты, примерно в 23 раза больше, чем в нашей. Поэтому, не такая уж и дружелюбная атмосфера Марса, нельзя дышать в ней не только людям, но и другим земным организмам.

Средняя -- похожа на Земную. Верхние слои атмосферы нагревается от солнечного ветра и там температура гораздо выше, чем на поверхности. Это тепло заставляет газ покидать газовую оболочку. Экзосфера начинается примерно в 200 км от поверхности и не имеет четкой границы. Как видите, распределение температуры по высоте, достаточно предсказуемо для планеты земной группы.

Атмосфера Юпитера

Единственная видимая часть Юпитера - это атмосферные облака и пятна. Облака располагаются параллельно экватору в зависимости от восходящих тёплых или нисходящих холодных потоков, они светлые и тёмные атмосфера планета меркурий земля

В атмосфере Юпитера свыше 87% по объёму водорода и ~13% гелия, остальные газы, включая метан, аммиак, водяной пар находятся в виде примесей на уровне десятых и сотых долей процента.

Давлению 1 атм соответствует температура 170 К. Тропопауза находится на уровне с давлением 0,1 атм и температурой 115 К. Во всей нижележащей тропосфере высотных ход температуры можно охарактеризовать адиабатическим градиентом в водородногелиевой среде - около 2 К на километр. Спектр радиоизлучения Юпитера также свидетельствует об устойчивом росте радиояркостной температуры с глубиной. Выше тропопаузы расположена область температурной инверсии, где температура вплоть до давлений порядка 1 мбар постепенно нарастает до ~180 К. Это значение сохраняется в мезосфере, которая характеризуется почти изотермией до уровня с давлением ~10-6 атм, а выше начинается термосфера, переходящая в экзосферу с температурой 1250 К.

Облака Юпитера

Выделяется три основных слоя:

1. Самый верхний, при давлении около 0,5 атм, состоящий из кристаллического аммиака.

2. Промежуточный слой состоит из гидросульфида аммония

3. Нижний слой, при давлении в несколько атмосфер, состоящий из обычного водяного льда.

В некоторых моделях также допускается существования самого нижнего, четвёртого слоя облаков, состоящего из жидкого аммиака. Такая модель в целом удовлетворяет совокупности имеющихся экспериментальных данных и хорошо объясняет окраску зон и поясов: расположенные выше в атмосфере светлые зоны содержат ярко-белые кристаллы аммиака, а расположенные глубже пояса - красно-коричневые кристаллы гидросульфида аммония.

Подобно Земле и Венере, в атмосфере Юпитера зарегистрированы молнии. Судя по запечатленным на фотографиях "Вояджера" световым вспышкам, интенсивность разрядов чрезвычайно велика. Пока неясно, однако, в какой мере эти явления связаны с облаками, поскольку вспышки обнаружены на больших высотах, чем ожидалось.

Циркуляция на Юпитере

Характерным движением на Юпитере является наличие зональной циркуляции тропических и умеренных широт. Сама циркуляция является осесимметричной, то есть почти не имеющей отличий на различных долготах. Скорости восточных и западных ветров в зонах и поясах составляют от 50 до 150 м/с. на экваторе дует ветер в восточном направлении со скоростью около 100 м/с.

Структура зон и поясов различается характером вертикальных движений от которых зависит формирование горизонтальных течений. В светлых зонах, температура которых ниже, движения восходящие, облака плотнее и располагаются на более высоких уровнях в атмосфере. В более тёмных (красно- коричневых) поясах с более высокой температурой движения нисходящие, они расположены глубже в атмосфере и закрыты менее плотными облаками.

Кольца Юпитера

Кольца Юпитера, окружая планету перпендикулярно экватору, находятся на высоте 55 000 км от атмосферы.

Они были открыты зондом "Вояджер-1" в марте 1979 г, с тех пор с Земли за ними ведётся наблюдение. Существуют два основных кольца и одно, очень тонкое, внутреннее с характерной оранжевой окраской. Толщина колец, похоже, не превышает 30 км, а ширина - 1000 км.

В отличие от колец Сатурна, кольца Юпитера темны (альбедо (отражательная способность) - 0,05). И, вероятно, состоят из очень небольших твердых частиц метеорной природы. Частицы колец Юпитера, скорее всего, не остаются в них долго (из-за препятствий, создаваемых атмосферой и магнитным полем). Следовательно, раз кольца постоянны, то они должны непрерывно пополняться. Небольшие спутник Метис и Адрастея, чьи орбиты лежат в пределах колец, - очевидные источники таких пополнений. С Земли кольца Юпитера могут быть замечены при наблюдении только в инфракрасном диапазоне.

Атмосфера Сатурна

Верхние слои атмосферы Сатурна состоят на 96,3 % из водорода (по объёму) и на 3,25 % -- из гелия (по сравнению с 10 % в атмосфере Юпитера). Имеются примеси метана, аммиака, фосфина, этана и некоторых других газов. Аммиачные облака в верхней части атмосферы мощнее юпитерианских. Облака нижней части атмосферы состоят из гидросульфида аммония (NH4SH) или воды.

По данным «Вояджеров», на Сатурне дуют сильные ветры, аппараты зарегистрировали скорости воздушных потоков 500 м/с. Ветры дуют в основном в восточном направлении (по направлению осевого вращения). Их сила ослабевает при удалении от экватора; при удалении от экватора появляются также и западные атмосферные течения. Ряд данных указывают, что циркуляция атмосферы происходит не только в слое верхних облаков, но и на глубине, по крайней мере, до 2 тыс. км. Кроме того, измерения «Вояджера-2» показали, что ветры в южном и северном полушариях симметричны относительно экватора. Есть предположение, что симметричные потоки как-то связаны под слоем видимой атмосферы.

В атмосфере Сатурна иногда появляются устойчивые образования, представляющие собой сверхмощные ураганы. Аналогичные объекты наблюдаются и на других газовых планетах Солнечной системы (см. Большое красное пятно на Юпитере, Большое тёмное пятно на Нептуне). Гигантский «Большой белый овал» появляется на Сатурне примерно один раз в 30 лет, в последний раз он наблюдался в 1990 году (менее крупные ураганы образуются чаще).

12 ноября 2008 года камеры станции «Кассини» получили изображения северного полюса Сатурна в инфракрасном диапазоне. На них исследователи обнаружили полярные сияния, подобные которым не наблюдались ещё ни разу в Солнечной системе. Также данные сияния наблюдались в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Полярные сияния представляют собой яркие непрерывные кольца овальной формы, окружающие полюс планеты. Кольца располагаются на широте, как правило, в 70--80°. Южные кольца располагаются на широте в среднем 75 ± 1°, а северные -- ближе к полюсу примерно на 1,5°, что связано с тем, что в северном полушарии магнитное поле несколько сильнее. Иногда кольца становятся спиральной формы вместо овальной.

В отличие от Юпитера полярные сияния Сатурна не связаны с неравномерностью вращения плазменного слоя во внешних частях магнитосферы планеты. Предположительно, они возникают из-за магнитного пересоединения под действием солнечного ветра. Форма и вид полярных сияний Сатурна сильно меняются с течением времени. Их расположение и яркость сильно связаны с давлением солнечного ветра: чем оно больше, тем сияния ярче и ближе к полюсу. Среднее значение мощности полярного сияния составляет 50 ГВт в диапазоне 80--170 нм (ультрафиолет) и 150--300 ГВт в диапазоне 3--4 мкм (инфракрасный).

Во время бурь и штормов на Сатурне наблюдаются мощные разряды молнии. Электромагнитная активность Сатурна, вызванная ими колеблется с годами от почти полного отсутствия до очень сильных электрических бурь.

28 декабря 2010 года «Кассини» сфотографировал шторм, напоминающий сигаретный дым. Ещё один, особенно мощный шторм, был зафиксирован 20 мая 2011 года.

Атмосфера Урана

Атмосфера Урана, так же как и атмосферы Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия. На больших глубинах она содержит значительные количества воды, аммиака и метана, что является отличительной чертой атмосфер Урана и Нептуна. Обратная картина наблюдается в верхних слоях атмосферы, которые содержит очень мало веществ тяжелее водорода и гелия. Атмосфера Урана -- самая холодная из всех планетарных атмосфер в Солнечной системе, с минимальной температурой 49 K.

Атмосфера Урана может быть разделена на три основных слоя:

1. Тропосфера -- занимает промежуток высот от ?300 км до 50 км (за 0 принята условная граница, где давление составляет 1 бар;) и диапазон давления от 100 до 0,1 бар

2. Стратосфера -- покрывает высоты от 50 до 4000 км и давления между 0,1 и 10?10 бар

3. Экзосфера -- простирается от высоты 4000 км до нескольких радиусов планеты, давление в этом слое при удалении от планеты стремится к нулю.

Примечательно, что в отличие от земной, атмосфера Урана не имеет мезосферы.

В тропосфере существует четыре облачных слоя: метановые облака на границе, соответствующей давлению примерно в 1,2 бар; сероводородные и аммиачные облака в слое давлений 3-10 бар; облака из гидросульфида аммония при 20-40 бар, и, наконец, водяные облака из кристалликов льда ниже условной границы давления 50 бар. Только два верхних облачных слоя доступны прямому наблюдению, существование же нижележащих слоев предсказано только теоретически. Яркие тропосферные облака редко наблюдаются на Уране, что, вероятно, связано с низкой активностью конвекции в глубинных областях планеты. Тем не менее, наблюдения таких облаков использовались для измерения скорости зональных ветров на планете, которая доходит до 250 м/с.

Об атмосфере Урана в настоящее время имеется меньше сведений, чем об атмосферах Сатурна и Юпитера. По состоянию на май 2013 года только один космический корабль, Вояджер 2, изучал Уран с близкого расстояния. Никаких других миссий на Уран в настоящее время не запланировано.

Атмосфера Нептуна

В верхних слоях атмосферы обнаружен водород и гелий, которые составляют соответственно 80 и 19 % на данной высоте. Также наблюдаются следы метана. Заметные полосы поглощения метана встречаются на длинах волн выше 600 нм в красной и инфракрасной части спектра. Как и в случае с Ураном, поглощение красного света метаном является важнейшим фактором, придающим атмосфере Нептуна синий оттенок, хотя яркая лазурь Нептуна отличается от более умеренного аквамаринового цвета Урана. Так как содержание метана в атмосфере Нептуна не сильно отличается от такового в атмосфере Урана, предполагается, что существует также некий, пока неизвестный, компонент атмосферы, способствующий образованию синего цвета. Атмосфера Нептуна подразделяется на 2 основные области: более низкая тропосфера, где температура снижается вместе с высотой, и стратосфера, где температура с высотой, наоборот, увеличивается. Граница между ними, тропопауза, находится на уровне давления в 0,1 бар. Стратосфера сменяется термосферой на уровне давления ниже, чем 10?4 -- 10?5 микробар. Термосфера постепенно переходит в экзосферу. Модели тропосферы Нептуна позволяют полагать, что в зависимости от высоты, она состоит из облаков переменных составов. Облака верхнего уровня находятся в зоне давления ниже одного бара, где температура способствует конденсации метана.

При давлении между одним и пятью барами, формируются облака аммиака и сероводорода. При давлении более 5 бар облака могут состоять из аммиака, сульфида аммония, сероводорода и воды. Глубже, при давлении в приблизительно 50 бар, могут существовать облака из водяного льда, при температуре, равной 0 °C. Также, не исключено, что в данной зоне могут быть найдены облака из аммиака и сероводорода. Высотные облака Нептуна наблюдались по отбрасываемым ими теням на непрозрачный облачный слой ниже уровнем. Среди них выделяются облачные полосы, которые «обёртываются» вокруг планеты на постоянной широте. У данных периферических групп ширина достигает 50--150 км, а сами они находятся на 50--110 км выше основного облачного слоя. Изучение спектра Нептуна позволяет предполагать, что его более низкая стратосфера затуманена из-за конденсации продуктов ультрафиолетового фотолиза метана, таких как этан и ацетилен. В стратосфере также обнаружены следы циановодорода и угарного газа. Стратосфера Нептуна более тёплая, чем стратосфера Урана из-за более высокой концентрации углеводородов. По невыясненным причинам, термосфера планеты имеет аномально высокую температуру около 750 К.. Для столь высокой температуры планета слишком далека от Солнца, чтобы оно могло так разогреть термосферу ультрафиолетовой радиацией. Возможно, данное явление является следствием атмосферного взаимодействия с ионами в магнитном поле планеты. Согласно другой теории, основой механизма разогревания являются волны гравитации из внутренних областей планеты, которые рассеиваются в атмосфере. Термосфера содержит следы угарного газа и воды, которая попала туда, возможно, из внешних источников, таких как метеориты и пыль.

Размещено на Allbest.ru