Здесь, на Земле, мы склонны принимать нашу атмосферу как должное, и не без оснований. Наша атмосфера представляет собой прекрасную смесь азота и кислорода (78% и 21% соответственно) со следовыми количествами водяного пара, углекислого газа и других газообразных молекул. Более того, мы наслаждаемся атмосферным давлением 101,325 кПа, которое распространяется на высоту около 8,5 км.
Короче говоря, наша атмосфера изобилует и поддерживает жизнь. Но как насчет других планет Солнечной системы? Как они складываются по составу атмосферы и давлению? Мы точно знаем, что люди не могут дышать ими и не могут поддерживать жизнь. Но в чем разница между этими шарами из камня и газа и нашими собственными?
Для начала следует отметить, что каждая планета Солнечной системы имеет ту или иную атмосферу. И они варьируются от невероятно тонких и разреженных (таких как «экзосфера» Меркурия) до невероятно плотных и мощных, что характерно для всех газовых гигантов. И в зависимости от состава планеты, будь то земной или газовый / ледяной гигант, газы, составляющие ее атмосферу, варьируются от водорода и гелия до более сложных элементов, таких как кислород, углекислый газ, аммиак и метан.
Атмосфера Меркурия:
Ртуть слишком горяча и слишком мала, чтобы удерживать атмосферу. Однако у него действительно есть разреженная и изменчивая экзосфера, состоящая из водорода, гелия, кислорода, натрия, кальция, калия и водяного пара, с общим уровнем давления около 10-14бар (одна квадриллионная атмосферного давления Земли). Считается, что эта экзосфера была сформирована из частиц, захваченных Солнцем, вулканической дегазации и обломков, выброшенных на орбиту ударами микрометеоритов.
Взгляд в высоком разрешении на северный горизонт Меркурия. Предоставлено: НАСА / MESSENGER.
Из-за отсутствия жизнеспособной атмосферы Меркурий не может удерживать тепло от Солнца. В результате этого и своего высокого эксцентриситета планета испытывает значительные колебания температуры. В то время как сторона, обращенная к Солнцу, может достигать температуры до 700 K (427 ° C), а сторона в тени опускается до 100 K (-173 ° C).
Атмосфера Венеры:
В прошлом приземные наблюдения Венеры были затруднены из-за ее чрезвычайно плотной атмосферы, которая состоит в основном из углекислого газа с небольшим количеством азота. При давлении 92 бар (9,2 МПа) масса атмосферы в 93 раза больше массы атмосферы Земли, а давление на поверхности планеты примерно в 92 раза больше, чем на поверхности Земли.
Венера также является самой горячей планетой в нашей Солнечной системе со средней температурой поверхности 735 К (462 ° C / 863,6 ° F). Это связано с богатой CO² атмосферой, которая вместе с толстыми облаками двуокиси серы создает самый сильный парниковый эффект в Солнечной системе. Над плотным слоем CO² толстые облака, состоящие в основном из диоксида серы и капель серной кислоты, рассеивают около 90% солнечного света обратно в космос.
Другим распространенным явлением являются сильные ветры Венеры, которые достигают скорости до 85 м / с (300 км / ч; 186,4 миль в час) в верхней части облаков и кружат вокруг планеты каждые четыре-пять земных дней. При такой скорости эти ветры в 60 раз превышают скорость вращения планеты, тогда как самые быстрые ветры Земли составляют лишь 10-20% скорости вращения планеты.
Облет Венеры также показал, что ее плотные облака способный производить молнию , очень похоже на облака на Земле. Их прерывистый вид указывает на закономерность, связанную с погодной активностью, а частота молний как минимум вдвое меньше, чем на Земле.
Атмосфера Земли:
Атмосфера Земли, состоящая из азота, кислорода, водяного пара, углекислого газа и других газовых примесей, также состоит из пяти слоев. Они состоят из тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы. Как правило, давление и плотность воздуха уменьшаются по мере того, как он поднимается выше в атмосферу и чем дальше от поверхности.
Ближе всего к Земле находится тропосфера, которая простирается от 0 до 12-17 км (от 0 до 7 и 10,56 миль) над поверхностью. Этот слой содержит примерно 80% массы атмосферы Земли, и почти весь атмосферный водяной пар или влага также находятся здесь. В результате это слой, в котором происходит большая часть погоды на Земле.
Стратосфера простирается от тропосферы до высоты 50 км (31 миль). Этот слой простирается от верха тропосферы до стратопаузы, которая находится на высоте от 50 до 55 км (от 31 до 34 миль). Этот слой атмосферы является домом для озонового слоя, который является частью атмосферы Земли, содержащей относительно высокие концентрации газообразного озона.
Космический корабль 'Индевор' вышел из атмосферы. Оранжевый слой - это тропосфера, белый слой - это стратосфера, а синий слой - мезосфера. Предоставлено: НАСА.
Далее идет Мезосфера, которая простирается на расстояние от 50 до 80 км (от 31 до 50 миль) над уровнем моря. Это самое холодное место на Земле со средней температурой около -85 ° C (-120 ° F; 190 K). Термосфера, второй по высоте слой атмосферы, простирается от высоты около 80 км (50 миль) до термопаузы, которая находится на высоте 500–1000 км (310–620 миль).Нижняя часть термосферы, от 80 до 550 километров (от 50 до 342 миль), содержит ионосферу, названную так потому, что именно здесь, в атмосфере, частицы ионизируются солнечным излучением. Этот слой совершенно безоблачный и не содержит водяного пара. Именно на этой высоте происходят явления, известные как Северное сияние а также Аурара Австралис , как известно, имеют место.
Экзосфера, внешний слой атмосферы Земли, простирается от экзобазы, расположенной в верхней части термосферы на высоте около 700 км над уровнем моря, до примерно 10 000 км (6200 миль). Экзосфера сливается с пустотой космического пространства и в основном состоит из чрезвычайно низких плотностей водорода, гелия и нескольких более тяжелых молекул, включая азот, кислород и углекислый газ.
Экзосфера расположена слишком далеко над Землей, чтобы какие-либо метеорологические явления были возможны. Однако северное сияние и северное сияние иногда встречаются в нижней части экзосферы, где они накладываются на термосферу.
Фотография полярного сияния, сделанная астронавтом Дугом Уилоком с Международной космической станции 25 июля 2010 г. Фото: НАСА / Космический центр Джонсона
Средняя температура поверхности Земли составляет примерно 14 ° C; но, как уже отмечалось, это варьируется. Например, самая высокая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, составляла 70,7 ° C (159 ° F), что было зафиксировано в пустыне Лут в Иране. Между тем, самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была измерена на советской станции Восток на Антарктическом плато, достигнув исторического минимума -89,2 ° C (-129 ° F).
Атмосфера Марса:
У планеты Марс очень тонкая атмосфера, которая состоит из 96% углекислого газа, 1,93% аргона и 1,89% азота, а также следов кислорода и воды. Атмосфера довольно пыльная, содержит частицы диаметром 1,5 микрометра, что придает марсианскому небу желтовато-коричневый цвет, если смотреть с поверхности. Атмосферное давление на Марсе колеблется в пределах 0,4–0,87 кПа, что эквивалентно примерно 1% атмосферного давления Земли на уровне моря.
Из-за тонкой атмосферы и большего расстояния от Солнца температура поверхности Марса намного ниже, чем то, что мы испытываем здесь, на Земле. Средняя температура на планете составляет -46 ° C (51 ° F), с минимумом -143 ° C (-225,4 ° F) зимой на полюсах и максимумом 35 ° C (95 ° F) летом. и полдень на экваторе.
На планете также происходят пыльные бури, которые могут превращаться в небольшие смерчи. Более крупные пыльные бури возникают, когда пыль уносится в атмосферу и нагревается от Солнца. Более теплый воздух, наполненный пылью, поднимается вверх, а ветры усиливаются, создавая штормы, которые могут достигать тысячи километров в ширину и продолжаться месяцами. Когда они становятся такими большими, они фактически могут закрывать большую часть поверхности из поля зрения.
Марс, каким он выглядит сегодня, с очень тонкой и разреженной атмосферой. Предоставлено: НАСА.
В марсианской атмосфере также были обнаружены следовые количества метана с расчетной концентрацией около 30 частей на миллиард (ppb). Это происходит в протяженных шлейфах, и профили предполагают, что метан был выпущен из определенных регионов - первый из которых расположен между Исидисом и Утопией Планиция (30 ° с.ш., 260 ° з.д.), а второй - в Аравии-Терра (0 ° с.ш. 310 ° W).
Аммиак также был предварительно обнаружен на МарсеМарс Экспрессспутник, но с относительно коротким сроком службы. Неясно, что его вызвало, но в качестве возможного источника была высказана вулканическая активность.
Атмосфера Юпитера:
Подобно Земле, Юпитер испытывает полярные сияния около его северного и южного полюсов. Но на Юпитере полярное сияние намного интенсивнее и редко когда-либо прекращается. Интенсивное излучение, магнитное поле Юпитера и обилие материала вулканов Ио, вступающих в реакцию с ионосферой Юпитера, создают поистине захватывающее световое шоу.
Юпитер также испытывает суровые погодные условия . Скорость ветра 100 м / с (360 км / ч) обычна для зональных реактивных самолетов и может достигать 620 км / ч (385 миль / ч). Штормы образуются в течение нескольких часов и за ночь могут достигать тысячи километров в диаметре. Один шторм, Большое красное пятно , бушует по крайней мере с конца 1600-х годов. Шторм сжимался и расширялся на протяжении всей своей истории; но в 2012 году было высказано предположение, что гигантское красное пятно может со временем исчезнуть .
Юпитер постоянно покрыт облаками, состоящими из кристаллов аммиака и, возможно, гидросульфида аммония. Эти облака расположены в тропопаузе и разделены на полосы разных широт, известные как «тропические регионы». Облачный слой составляет всего около 50 км (31 миль) в глубину и состоит как минимум из двух слоев облаков: толстой нижней палубы и более тонкой более чистой области.
Также может быть тонкий слой водные облака под слоем аммиака, о чем свидетельствуют вспышки молния обнаружена в атмосфере Юпитера, что может быть вызвано полярностью воды, создающей разделение зарядов, необходимое для молнии. Наблюдения за этими электрическими разрядами показывают, что они могут быть в тысячу раз мощнее, чем наблюдаемые здесь, на Земле.
Атмосфера Сатурна:
Внешний атмосфера Сатурна содержит 96,3% молекулярного водорода и 3,25% гелия по объему. Известно, что газовый гигант содержит более тяжелые элементы, хотя их пропорции относительно водорода и гелия неизвестны. Предполагается, что они будут соответствовать изначальной численности от образования Солнечной системы.
Следы аммиака, ацетилена, этана, пропана, фосфина и метана были также обнаружены в атмосфере Сатурна.Верхние облака состоят из кристаллы аммиака , в то время как облака нижнего уровня состоят либо из гидросульфида аммония (NH4SH) или воды . Ультрафиолетовое излучение Солнца вызывает фотолиз метана в верхних слоях атмосферы, что приводит к серии химических реакций углеводородов, в результате которых образующиеся продукты уносятся вниз за счет водоворотов и диффузии.
Атмосфера Сатурна имеет полосчатый узор, похожий на полосу Юпитера, но полосы Сатурна намного слабее и шире у экватора. Как и слои облаков Юпитера, они делятся на верхний и нижний слои, состав которых различается в зависимости от глубины и давления. В верхних слоях облаков при температурах 100–160 К и давлении 0,5–2 бар облака состоят из аммиачного льда.
Облака водяного льда начинаются на уровне, где давление составляет около 2,5 бар, и простираются до 9,5 бар, где температура находится в диапазоне от 185 до 270 К. В этом слое перемешана полоса льда из гидросульфида аммония, лежащая в диапазоне давлений 3–6. бар с температурой 290–235 К. Наконец, нижние слои, где давление составляет 10–20 бар, а температура составляет 270–330 К, содержат область капель воды с аммиаком в водном растворе.
Иногда в атмосфере Сатурна появляются долгоживущие овалы, подобные тем, что обычно наблюдаются на Юпитере. В то время как у Юпитера есть Большое красное пятно, у Сатурна периодически появляется так называемое Большое белое пятно (также известный как Большой белый овал). Это уникальное, но недолговечное явление происходит один раз в сатурнианский год, примерно каждые 30 земных лет, примерно во время летнего солнцестояния в северном полушарии.
Эти пятна могут достигать нескольких тысяч километров в ширину и наблюдались в 1876, 1903, 1933, 1960 и 1990 годах. С 2010 года большая полоса белых облаков называется Северное электростатическое возмущение наблюдались вокруг Сатурна, который был замечен космическим зондом 'Кассини'. Если сохранится периодический характер этих штормов, примерно в 2020 году произойдет еще один.
Ветры на Сатурне - вторые по скорости ветры среди планет Солнечной системы после Нептуна. Данные Voyager указывают на пик восточного ветра 500 м / с (1800 км / ч). Северный и южный полюса Сатурна также свидетельствуют о штормовой погоде. На северном полюсе это принимает форму гексагональной волны, тогда как на юге видны признаки массивного струйного течения.
В стойкая гексагональная волна вокруг северного полюса впервые было отмечено вПутешествоватьизображений. Каждая из сторон шестиугольника имеет длину около 13 800 км (8600 миль) (что больше диаметра Земли), а сама конструкция вращается с периодом 10 ч 39 м 24 с, который, как предполагается, равен периоду вращения Земли. Интерьер Сатурна.
Между тем южный полюсный вихрь был впервые обнаружен с помощью Космический телескоп Хаббла . Эти изображения показали наличие струйного течения, но не гексагональной стоячей волны. Эти штормы, по оценкам, порождают ветер со скоростью 550 км / ч, сравнимы по размеру с Землей и, как полагают, продолжались миллиарды лет. В 2006 году космический зонд 'Кассини' наблюдал ураганный шторм у которого был четко очерченный глаз. Таких бурь не наблюдалось ни на одной планете, кроме Земли, даже на Юпитере.
Атмосфера Урана:
Как и на Земле, атмосфера Урана разбита на слои в зависимости от температуры и давления. Как и у других газовых гигантов, у планеты нет твердой поверхности, и ученые определяют поверхность как область, где атмосферное давление превышает один бар (давление на Земле на уровне моря). Все, что доступно для средств дистанционного зондирования - примерно на 300 км ниже уровня 1 бар - также считается атмосферой.
Схема интерьера Урана. Кредит: общественное достояние
Используя эти опорные точки, атмосферу Урана можно разделить на три слоя. Первый - это тропосфера на высоте от -300 км от поверхности до 50 км над ней, где давление колеблется от 100 до 0,1 бар (от 10 МПа до 10 кПа). Второй слой - стратосфера, которая достигает от 50 до 4000 км и испытывает давление от 0,1 до 10.-10бар (от 10 кПа до 10 мкПа).
Тропосфера - самый плотный слой атмосферы Урана. Здесь температура колеблется от 320 K (46,85 ° C / 116 ° F) у основания (-300 км) до 53 K (-220 ° C / -364 ° F) на расстоянии 50 км, причем верхняя область является самый холодный в солнечной системе . Область тропопаузы ответственна за подавляющее большинство тепловых инфракрасных излучений Урана, что определяет его эффективную температуру 59,1 ± 0,3 К.
Внутри тропосферы находятся слои облаков - водяные облака с самым низким давлением с облаками из гидросульфида аммония над ними. Следом идут облака аммиака и сероводорода. Наконец, наверху лежали тонкие метановые облака.
В стратосфере температура колеблется от 53 K (-220 ° C / -364 ° F) на верхнем уровне до 800-850 K (527-577 ° C / 980-1070 ° F) у основания термосферы, во многом благодаря нагреву, вызванному солнечным излучением. В стратосфере содержится этановый смог, из-за которого планета может выглядеть уныло. Также присутствуют ацетилен и метан, и эти дымки помогают согреть стратосферу.
Уран, полученный космическим телескопом Хаббл. Изображение предоставлено НАСА / Хаббл.
Самый внешний слой, термосфера и корона, простирается от 4000 км до 50 000 км от поверхности. В этом регионе одинаковая температура 800-850 (577 ° C / 1070 ° F), хотя ученые не уверены в причине. Поскольку расстояние до Урана от Солнца настолько велико, количество поглощенного солнечного света не может быть основной причиной.
Подобно Юпитеру и Сатурну, погода на Уране следует аналогичной схеме, когда системы разбиваются на группы, которые вращаются вокруг планеты, которые движутся внутренним теплом, поднимающимся к верхним слоям атмосферы. В результате скорость ветра на Уране может достигать 900 км / ч (560 миль в час), создавая мощные штормы, подобные тому, который был замечен космическим телескопом Хаббл в 2012 году. Подобно Большому красному пятну Юпитера, это « Темное пятно »Представлял собой гигантский облачный вихрь размером 1700 на 3000 километров (1100 на 1900 миль).
Атмосфера Нептуна:
На больших высотах атмосфера Нептуна состоит на 80% из водорода и на 19% из гелия с небольшим количеством метана. Как и в случае с Ураном, это поглощение красного света атмосферным метаном является частью того, что придает Нептуну его синий оттенок, хотя Нептун более темный и яркий. Поскольку содержание метана в атмосфере Нептуна аналогично содержанию метана в Уране, считается, что какой-то неизвестный компонент способствует более интенсивной окраске Нептуна.
Атмосфера Нептуна подразделяется на две основные области: нижнюю тропосферу (где температура уменьшается с высотой) и стратосферу (где температура увеличивается с высотой). Граница между ними, тропопауза, проходит при давлении 0,1 бар (10 кПа). Затем стратосфера уступает место термосфере при давлении ниже 10-5до 10-4микробар (от 1 до 10 Па), который постепенно переходит в экзосферу.
Спектры Нептуна предполагают, что его нижняя стратосфера является туманной из-за конденсации продуктов, вызванных взаимодействием ультрафиолетового излучения и метана (то есть фотолиза), в результате чего образуются такие соединения, как этан и этин. В стратосфере также содержатся следы окиси углерода и цианистого водорода, которые ответственны за то, что стратосфера Нептуна теплее, чем стратосфера Урана.
Измененное цветное / контрастное изображение, подчеркивающее атмосферные особенности Нептуна, включая скорость ветра. Кредит Эрих Каркошка)
По причинам, которые остаются неясными, термосфера планеты испытывает необычно высокие температуры около 750 К (476,85 ° C / 890 ° F). Планета находится слишком далеко от Солнца, чтобы это тепло могло генерироваться ультрафиолетовым излучением, что означает, что задействован другой механизм нагрева, который может быть взаимодействием атмосферы с ионами в магнитном поле планеты или гравитационными волнами из недр планеты, которые рассеиваются в атмосфера.
Поскольку Нептун не является твердым телом, его атмосфера подвергается дифференциальному вращению. Широкая экваториальная зона вращается с периодом около 18 часов, что медленнее, чем 16,1-часовое вращение магнитного поля планеты. Напротив, обратное верно для полярных регионов, где период вращения составляет 12 часов.
Это дифференциальное вращение является наиболее выраженным среди всех планет Солнечной системы и приводит к сильному сдвигу ветра по широте и сильным штормам. Все трое самых впечатляющих были обнаружены в 1989 году космическим зондом «Вояджер-2», а затем названы в зависимости от их внешнего вида.
Первым был замечен массивный антициклонический шторм размером 13000 x 6600 км, напоминающий шторм. Большое красное пятно Юпитера. Известный как Большое темное пятно , эта буря не была обнаружена пятью позже (2 ноября 1994 г.), когда ее искал космический телескоп Хаббл. Вместо этого в северном полушарии планеты был обнаружен новый шторм, очень похожий по внешнему виду, что позволяет предположить, что продолжительность жизни этих штормов короче, чем у Юпитера.
Реконструкция изображений 'Вояджера-2', показывающая Великое Черное пятно (вверху слева), Скутер (в центре) и Маленькое черное пятно (внизу справа). Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения.
В Самокат это еще один шторм, группа белых облаков, расположенная южнее Большого Темного Пятна - прозвище, впервые появившееся в течение месяцев, предшествующихПутешествие 2встреча в 1989 году. Маленькое темное пятно южный циклонический шторм был вторым по интенсивности штормом, наблюдавшимся во время столкновения 1989 года. Сначала было совершенно темно; но, какПутешествие 2приблизившись к планете, образовалось яркое ядро, которое можно было увидеть на большинстве изображений с самым высоким разрешением.
В общем, все планеты нашей Солнечной системы имеют своего рода атмосферы. И по сравнению с относительно мягкой и плотной атмосферой Земли, они варьируются от очень тонкой до очень очень плотной. Они также имеют диапазон температур от очень высоких (как на Венере) до крайне низких температур.
А когда дело доходит до погодных систем, все может быть в равной степени экстремальным, когда на планете либо вообще погода, либо сильные циклонические и пыльные бури, которые посрамляют бури на Земле. И хотя некоторые из них полностью враждебны жизни, какой мы ее знаем, с другими мы могли бы работать.
У нас во 'Вселенная сегодня' много интересных статей об атмосфере планеты. Например, он Что такое атмосфера? , и статьи об атмосфере Меркурий , Венера , Март , Юпитер , Сатурн , Уран а также Нептун ,
Для получения дополнительной информации об атмосфере посетите страницы НАСА на Слои атмосферы Земли , Углеродный цикл , и как Атмосфера Земли отличается от космоса .
У Astronomy Cast есть эпизод источник атмосферы .