Структура атмосфере

• АтмосфераАтмосфера– Настанак атмосфереНастанак атмосфере– СтруктураСтруктура– СаставСастав– ВремеВреме

Настанак атмосфере• првобитна атмосфера која се налазила око Земље је

вероватно била састављена из H и He• након тога је дошло до мешања првобитне

атмосфере и гасова из растопљене Земље– H2O, CO2, SO2, CO, S2, Cl2, N2, H2, NH3, и CH4

– омогућила је формирање океана и раних форми живота

• садашња атмосфера– настала након што су Cyanobacteria отпочеле процес

фотосинтезе– кисеник је на садашњем нивоу од пре око 400 милиона

година

4

Атмосфера• реч атмосфера? (=пара)+

(=лопта)• гасовити омотач око

небеских тела (и Земље)– атмосфера планете– атмосфера звезде

• Танки омотач ваздуха око (наше) планете.

• Смеша гасова различитих физичких карактеристика

5

Звездана атмосфера• спољња област звезде која

лежи изнад њеног језгра, радијационе и конвективне зоне

• Дели се на– фотосферу (најнижи и

најхладнији део атмосфере који ми видимо). ТС=5780 К – интензивно емитује у видљивом и невидљивим деловима спектра.

– хромосфера (највиши слојеви су око 10х топлији од фотосфере)

– прелазна област у којој опет рапидно расте Т (видљива у УВ области)

– Корона (милиони К, плазма). Није потпуно познат механизам њеног загревања

6

Звездана атмосфера

• Откуд јој плава боја?

• Рејлијев закон расејања светлости I~1/4

Земљина атмосфера

• у поређењу са димензијама Земље (104 km), атмосфера је танка “љуска” око ње (120 km).

8

Физичке карактеристике атмосфере Земље• Горња граница није јасно изражена• Ма=5,2х1018 кг (милионити део масе Земље,

Мз=6х1024 кг)• 50% масе атмосфере се налази у приземном слоју

до висине 5 км,• 75% на висини до 10 км• 95% на висини до 20 км• 99% до 35 км• У односу на полупречник Земље Rз=6378 км,

дебљина атмосфере је практично занемарљива

9

Физичке карактеристике атмосфере Земље

• Атмосферски притисак

• густина

• температура, ...

10

Притисак гасаГасови немају слободну површину као течности. Притисак у гаса у неком суду потиче од удара молекула у његове зидове и зависи од броја тих удара у јединици времена. Притисак атмосфере на Земљу је пак изазван тежином атмосфере.

P

P

h

0

hатмосфера

hP

g

ePhP 0

0

0)(

11

Атмосферски притисак

mh 76,0

То је еквивалентно маси од 10 000 кг која се налази изнад сваког квадратног метра!!! Зашто не осећамо тај терет?

h

P = 0

Pa

ghPghPa

NSPF a510

33 /10595,13 mkg

Атмосферски притисак – због тежине ваздуха, измерен 1643. Торичели Евангелиста. (Ма=5,2х10Ма=5,2х101818 кг кг , Мз=6х10Мз=6х102424 кг кг, , Милионити део масе ЗемљеМилионити део масе Земље))

PamsmmkgPa 10132576,0/80665,9/10595,13 233

Колика је сила којом атмосфера делује на јединицу површине Земље? (на нивоу мора)

khePP 0

12

Притисак атмосфере• Притисак је сила на јединицу

нормалне површине (P=F/S). • Гравитација на земљи изазива

атмосферски притисак – последица тежине атмосфере.

• Из измереног притиска следи да је маса стуба ваздуха изнад сваког m2 ~10,000kg.

13

Атмосферски притисак - Магдебург• 1657. година, 40 цм, 12150 Н ~ 1215 кг.

14

Јединице у којима се изражава притисак

• Паскал, мм живиног стуба, тор, атмосфера, пси, бар, ...

• нормални атмосферски притисак– 101.325 kPa – = 760 mmHg– =760 torr– =1 atm– =14.7 psi

15

Нека атмосферски притисак на датој висини y има вредност P. Посматрајмо слој атмосфере дебљине dy и површине попречног пресека S, као што је приказано на слици са десне стране.Уколико посматрамо ваздух који је у статичкој равнотежи следи да мора да важи

PS = m g nV S dy + (P+dP) S

где је nV = N/V = број молекула ваздуха по јединици запремине

Сређивање ове једначине добија се

dP = -m g nV dy

Експоненцијална промена притиска са висином

16

Како је за идеални гас PV = N kB T, P = nV kB T или nV = P/ kB T

следи dP/P = - (m g / kB T) dy

Односно ey

Tk

mg

BPP 0

Интеграција ове једначине даје:

y

B

P

oPdy

Tk

mg

P

dP0

yTk

mg

P

P

B

0

lnили

17

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60 80 100

Altitude (km)

Pre

ssu

re (

atm

)

ey

Tk

mg

BPP 0

18

Да ли знамо још неку формулу која описује промену притиска са висином?• Добијен је израз за промену притиска са висином P=P0e-const y

• Познат је израз за промену притиска са “дубином” у флуиду (хидростатички притисак) P=gy, односно P=P0-gy (опадање притиска са повећањем надморске висине), или P=P0+gy (пораст притиска када урањамо у флуид)

• Која формула је тачна?

)1())(1( 02

00 yTk

mgPyOy

Tk

mgPPP

BB

yTk

mg

e B

!!!0000 gyPyTk

mg

V

TNkPy

Tk

mgPPP

B

B

B

• Добити израз према коме се притисак у атмосфери мења са висином у случају да је реч о малим вредностима висине.

19

Варијација крвног притиска услед висине - домаћи

•Приближно 142,75 mmHg по сваком метру висине/дужине (51,6 mmHg и 180 mmHg )

hgP

•За колико варира дијастолни притисак у аорти (80 mmHg), у врату који је (отприлике) 20 цм више од аорте и у нози која је 70 цм ниже? Резултат изразити у милиметрима живиног стуба

•Зато се мерење притиска врши на надлактици јер је то место отприлике на истој висина као и аорта

mPamkgsmgh

P/4,19031/1940/81,9 32

20

Температура и густина

• магнетосфера• егзосфера • термосфера

(јоносфера)• мезосфера• стратосфера • тропосфера

Слојеви атмосфере

Тропосфера

• 6 до 20 km висине• око 7 км на половима и 17 км на екватору• промена• најнижи слој атмосфере• најгушћа• температура опада од око 17 до -52 степена Целзијуса• у њој се дешавају скоро све метеоролошке промене• вадушне масе се у њој мешају услед соларног загревања

Стратосфера

• до 50 км висине• сува и мање густа• температура расте постепено до -3 степена

Целзијуса, услед апсорбовања УВ зрачења• озонски омотач апсорбује и расејава соларно

УВ зрачење• 99 % “ваздуха" се налази у прва два слоја

атмосфере• на сваких 1000 m висине ваздушни притисак

опада за око 11%

Мезосфера• до висине од 85 km

• темепература опет пада на -93 степена Целзијуса

• често се зове средња атмосфера

Термосфера

• до висине од 600 km

• температура расте са висином услед загревања од стране Сунца

• може да порасте чак до 2000 степени Целзијуса

• позната као горња атмосфера

Егзосфера• од врха термосфере у космос (600 до 10.000

километара)

• водоник и хелијум су примарне компоненте али са веома малом густином

Јоносфера• када соларну енергију апсорбују директно

молекули ваздуха, (неутрални) атоми добијају или губе електроне и постају наелектрисане честице -јони

• већина молекула гасова на висини од 80 - 400 km (мезосфера и термосфера) је наелектрисано

• рефлектује већину радио таласа и враћа их назад ка земљи – омогућује радио комуникацију

28

29

30

Магнетосфера• област у којој магнетно поље доминантно

утиче на кретање наелекрисаних честица• откривена 1958. Експлорер 1• 1959. добила име • полупречник око 10 полупречника Земље• Имају је и (неке) друге планете

– Меркур, Јупитер, Сатурн, Уран, Нептун– Марс има фрагментарно намагнетисану

површину

31

Магнетосфера

32

Састав атмосфере• Механичка смеша

сталних гасова, хемијских једињења и разних гасовитих, течних и чврстих додатака.

• Гравитација их држи уз тело.

33

Састав атмосфере• гасови – који су постојани у одређеним

међусобним размерама• аеросоли – чврсте и течне честице настале

природним или индустријским процесима (честице прашине, морске соли, дима, кондензована водена пара), чији удео у сасатаву атмосфере је променљив,

• водена пара

Састав атмосфере • Сув ваздух?

– ваздух без аеросола и водене паре – има сталан састав– како је концентрација аеросола мала, атмосферски ваздух се обично

сматра смешом сувог вадуха и водене паре• Основне компоненте сувог ваздуха (постојане су до висине

од око 35 км) – у јединици запремине:– 78,1 % азота – 20,9 % кисеоника– 0,9 % аргона– 0,03 % угљен диоксида– 0,002 % неона– 0,0005 % хелијума– 0,0001 % метана– мање од тога има: криптона, водоника, азот диоксида, озона и

ксенона

35

Састав атмосферегас симбол

Проценат у атмосфери

Nitrogen N2 78.084%

99.998%Oxygen O2 20.947%

Argon Ar 0.934%

Carbon Dioxide CO2 0.033%

Neon Ne 18.2 parts per million

Helium He 5.2 parts per million

Krypton Kr 1.1 parts per million

Sulfur dioxide SO2 1.0 parts per million

Methane CH4 2.0 parts per million

Hydrogen H2 0.5 parts per million

Nitrous Oxide N2O 0.5 parts per million

Xenon Xe 0.09 parts per million

Ozone O3 0.07 parts per million

Nitrogen dioxide NO2 0.02 parts per million

Iodine I2 0.01 parts per million

Carbon monoxide CO trace

Ammonia NH3 trace

36

“Прозрачност атмосфере”• Атмосфера – наш прозор у космос – у

прошлост – “будућност”

• Елекромагнетни таласи

• Астрономи– слој кроз који виримо у космос

• Метеоролози, климатолози и географи– најнижи слојеви атмосфере

• временска прогноза• истраживање климатских промена• испитивање утицаја климе и метеоролошких

услова на људско друштво

38

Теме за семинарске радове• Загађење атмосфере

• Киселе кише