Будова атмосфери: шари й склад повітря

Атмосфера — це повітряна оболонка Землі, яку планета утримує силою земного тяжіння. Вона простягається від поверхні на сотні кілометрів угору й поступово переходить у космічний простір. Без атмосфери життя на Землі було б неможливим: вона дає нам повітря для дихання, захищає від шкідливого випромінювання й метеорів, а також створює парниковий ефект, завдяки якому середня температура біля поверхні становить приблизно $+15{}^{\circ }\text{C}$, а не $-18{}^{\circ }\text{C}$.

Склад сухого повітря

Повітря — це суміш газів. Якщо не враховувати водяну пару, то склад сухого повітря біля поверхні Землі за об'ємом такий:

Найпоширеніший газ в атмосфері — азот, а не кисень. Це поширена помилка, тому запам'ятай: майже чотири п'ятих повітря — це азот.

Водяна пара й аерозолі

Крім постійних газів, у повітрі завжди є водяна пара (H₂O) — її частка змінюється від майже 0 % над пустелями до приблизно 4 % у тропічному вологому повітрі. Водяна пара зосереджена переважно в нижньому шарі атмосфери. Саме вона дає хмари й опади, коли конденсується.

Аерозолі — це тверді або рідкі частинки, завислі в повітрі: пил, сажа, кристалики морської солі, пилок рослин. Вони слугують ядрами конденсації — на них осідає водяна пара, утворюючи краплі хмар.

Природний парниковий ефект

Земна поверхня нагрівається від сонячних променів і випромінює тепло в інфрачервоному діапазоні. Водяна пара й вуглекислий газ затримують частину цього теплового випромінювання, не даючи йому піти в космос. Це явище називають природним парниковим ефектом. Завдяки йому середня температура біля поверхні Землі становить приблизно $+15{}^{\circ }\text{C}$. Якби атмосфера не затримувала тепло, температура була б близько $-18{}^{\circ }\text{C}$ — життя в такому холоді було б неможливим.

Атмосфера також захищає нас від метеорних тіл: більшість із них згоряє у верхніх шарах, не долітаючи до поверхні.

Тропосфера — найнижчий шар атмосфери, у якому ми живемо. Саме в ній формується вся погода, яку ми спостерігаємо: хмари, опади, вітер, грози, циклони й антициклони.

Межі тропосфери

Тропосфера простягається від поверхні Землі до висоти 8–10 км над полюсами й 16–18 км над екватором. Чому така різниця? Над екватором сонячні промені падають майже прямовисно, тому поверхня сильно нагрівається. Нагріте повітря піднімається вгору потужними висхідними потоками, «роздуваючи» тропосферу. Над полюсами, навпаки, повітря холодне й важке, тому тропосфера тонша.

У тропосфері зосереджено приблизно 80 % усієї маси атмосфери й майже вся водяна пара. Саме тому всі погодні явища відбуваються в цьому шарі.

Температура в тропосфері

У тропосфері температура знижується з висотою. Чому? Бо повітря нагрівається не безпосередньо від Сонця, а від земної поверхні. Сонячні промені проходять крізь повітря майже не нагріваючи його, а нагрівають земну поверхню. А вже від поверхні тепло передається повітрю. Тому чим далі від поверхні, тим холодніше.

Температура знижується в середньому на $6{}^{\circ }\text{C}$ на кожен кілометр висоти. Це називають вертикальним градієнтом температури. На верхній межі тропосфери температура сягає приблизно $-55{}^{\circ }\text{C}$, а над екватором — ще нижче, до $-70{}^{\circ }\text{C}$.

Задачі на обчислення температури повітря на різній висоті — тема окремого уроку «Температура повітря: зміна з висотою й амплітуда». Тут достатньо запам'ятати правило: що вище, то холодніше, і градієнт — $6{}^{\circ }\text{C}$ на км.

Погода в тропосфері

У тропосфері утворюються майже всі хмари (купчасті, шаруваті, перисті), випадають усі види опадів (дощ, сніг, град), виникають вітри, циклони й антициклони, грози, тумани — уся погода, яку ми знаємо. Верхня межа тропосфери називається тропопаузою — це перехідний шар завтовшки 1–2 км, де температура майже не змінюється з висотою. Саме над тропопаузою починається стратосфера.

Над тропопаузою починається стратосфера — другий шар атмосфери, який простягається приблизно до 50 км над поверхнею Землі. Повітря тут дуже розріджене й надзвичайно сухе: водяної пари майже немає, тому погодних хмар і опадів у стратосфері не буває.

Де літають літаки

Пасажирські авіалайнери літають на висоті 10–12 км — це поблизу межі тропосфери й стратосфери, над більшістю хмар. Тому в польоті за бортом завжди ясно, а турбулентність значно менша, ніж у нижчих шарах.

Озоновий шар

Найважливіша особливість стратосфери — озоновий шар. Найбільша концентрація озону (O₃) зосереджена на висоті 20–25 км. Озон поглинає більшу частину ультрафіолетового (УФ) випромінювання Сонця — саме того, що спричиняє опіки шкіри, рак та мутації в живих організмів. Без озонового шару життя на суходолі було б неможливим.

Руйнування озонового шару через викиди фреонів та інших хімічних речовин — одна з глобальних екологічних проблем людства. Це питання детально розглядається в окремому уроці про екологічні проблеми.

Температура в стратосфері

На відміну від тропосфери, у стратосфері температура з висотою зростає. Чому? Озон поглинає ультрафіолетове випромінювання, і ця енергія нагріває газ. Тому біля верхньої межі стратосфери (≈ 50 км) температура піднімається приблизно до $0{}^{\circ }\text{C}$ — набагато тепліше, ніж на тропопаузі ($-55{}^{\circ }\text{C}$).

Вище стратосфери лежать три верхні шари атмосфери: мезосфера, термосфера й екзосфера. Хоча вони містять лише невелику частку маси повітря, кожен із них має унікальні властивості й виконує важливі функції.

Мезосфера — найхолодніший шар

Мезосфера простягається приблизно від 50 до 80 км над поверхнею. У ній температура знову знижується з висотою — до $-80\dots -90{}^{\circ }\text{C}$. Це найхолодніша частина всієї атмосфери.

Саме в мезосфері згоряє більшість метеорів, які влітають в атмосферу Землі. Ми бачимо їх як «падаючі зорі». Тертя об молекули повітря розжарює метеорне тіло, і воно згоряє, не долітаючи до поверхні. У мезосфері також зрідка спостерігають сріблясті хмари — найвищі хмари в атмосфері, але опадів вони не дають.

Термосфера й іоносфера

Термосфера починається приблизно на висоті 80 км і простягається до 800 км і вище. Температура тут знову зростає — до сотень і навіть понад $1000{}^{\circ }\text{C}$. Однак через надзвичайно розріджене повітря це тепло майже не відчувається: молекули рухаються дуже швидко, але їх так мало, що вони не можуть нагріти тіло космонавта чи супутника.

У термосфері розташована іоносфера — шар іонізованого газу, який відбиває радіохвилі. Саме завдяки іоносфері можливий далекий радіозв'язок: радіохвилі багаторазово відбиваються від неї й огинають земну кулю. На висоті приблизно 400 км літає Міжнародна космічна станція (МКС).

Полярні сяйва

Полярні сяйва — це світіння газів термосфери під дією заряджених частинок, які випромінює Сонце (сонячний вітер). Магнітне поле Землі спрямовує ці частинки до високих широт, тому сяйва спостерігають переважно біля Північного й Південного полюсів. Кольори сяйва (зелений, червоний, синій) залежать від того, який газ збуджується — кисень чи азот.

Екзосфера — межа з космосом

Екзосфера — зовнішній шар атмосфери, що починається приблизно на висоті 800–1000 км. З нього найлегші гази (водень і гелій) поступово розсіюються в космічний простір, бо швидкість їхніх молекул перевищує другу космічну швидкість для Землі. Чіткої верхньої межі атмосфера не має — вона поступово переходить у міжпланетний простір. Умовно її проводять на висоті кількох тисяч кілометрів.

Профіль атмосфери

Приклад 1. Шар атмосфери, де утворюються хмари й опади

У якому шарі атмосфери утворюються хмари й випадають опади?

• Стратосфера

• Тропосфера

• Мезосфера

• Термосфера

Розв'язання. Хмари й опади утворюються там, де є водяна пара, яка може конденсуватися. Майже вся водяна пара в атмосфері зосереджена в тропосфері — найнижчому шарі. У стратосфері повітря дуже сухе, у мезосфері й термосфері водяної пари практично немає. Тому правильна відповідь — тропосфера.

Чому інші варіанти неправильні:

• Стратосфера — там розташований озоновий шар, але хмар і опадів немає через надзвичайну сухість повітря.

• Мезосфера — найхолодніший шар, де згоряють метеори; хмари там бувають лише сріблясті й опадів не дають.

• Термосфера — шар іоносфери й полярних сяйв, повітря надто розріджене для хмар.

Приклад 2. Газ, що поглинає ультрафіолет

Який газ атмосфери поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця?

• Азот

• Вуглекислий газ

• Озон

• Аргон

Розв'язання. Озон (O₃) у стратосфері утворює озоновий шар, який поглинає більшу частину шкідливого ультрафіолетового випромінювання. Азот і аргон — інертні гази, вони не взаємодіють з ультрафіолетом. Вуглекислий газ поглинає інфрачервоне (теплове) випромінювання, а не ультрафіолетове.

Чому інші варіанти неправильні:

• Азот — найпоширеніший газ, але він не поглинає ультрафіолет.

• Вуглекислий газ — парниковий газ, затримує теплове випромінювання, а не ультрафіолетове.

• Аргон — інертний газ, хімічно неактивний.

Приклад 3. Твердження про тропосферу

Яке твердження про тропосферу є правильним?

• Температура в ній з висотою зростає

• Над екватором вона товща, ніж над полюсами

• У ній лежить озоновий шар

• Її товщина всюди однакова й становить 50 км

Розв'язання. Тропосфера над екватором сягає 16–18 км, а над полюсами — лише 8–10 км. Це тому, що над екватором нагріте повітря піднімається вгору потужними висхідними потоками. Отже, правильне твердження: «Над екватором вона товща, ніж над полюсами».

Чому інші варіанти неправильні:

• «Температура в ній з висотою зростає» — навпаки, у тропосфері температура знижується на $6{}^{\circ }\text{C}$ на кожен кілометр.

• «У ній лежить озоновий шар» — озоновий шар розташований у стратосфері на висоті 20–25 км.

• «Її товщина всюди однакова й становить 50 км» — товщина тропосфери змінюється від 8–10 км над полюсами до 16–18 км над екватором; 50 км — це приблизна верхня межа стратосфери.

Приклад 4. Полярні сяйва

У якому шарі атмосфери виникають полярні сяйва?

• Тропосфера

• Стратосфера

• Мезосфера

• Термосфера

Розв'язання. Полярні сяйва — це світіння газів у термосфері під дією заряджених частинок сонячного вітру, які магнітне поле Землі спрямовує до високих широт. Тому правильна відповідь — термосфера.

Чому інші варіанти неправильні:

• Тропосфера — найнижчий шар, де формується погода; полярні сяйва виникають набагато вище.

• Стратосфера — містить озоновий шар, але полярних сяйв там немає.

• Мезосфера — найхолодніший шар, де згоряють метеори.

• Хмари й опади шукають у стратосфері. Стратосфера дуже суха — у ній майже немає водяної пари, тому хмари й опади там не утворюються. Уся погода формується в тропосфері.

• Вважають, що температура знижується з висотою в усіх шарах. Це не так. У стратосфері температура зростає через поглинання ультрафіолету озоном, а в термосфері — через поглинання короткохвильового випромінювання. Знижується температура лише в тропосфері й мезосфері.

• Вважають тропосферу однаково товстою всюди або найтовщою над полюсами. Насправді тропосфера найтовща над екватором (16–18 км), а найтонша над полюсами (8–10 км). Причина — висхідні потоки нагрітого повітря над екватором.

• Плутають озоновий шар з іоносферою. Озоновий шар міститься в стратосфері на висоті 20–25 км, а іоносфера — у термосфері, вище 80 км. Озоновий шар поглинає ультрафіолет, іоносфера відбиває радіохвилі.

• Називають найпоширенішим газом повітря кисень замість азоту. За об'ємом азоту ≈ 78 %, а кисню — лише ≈ 21 %. Найпоширеніший газ — азот.

• Перебільшують частку вуглекислого газу до 4 %. Насправді вуглекислого газу в сухому повітрі лише ≈ 0,04 % (400 ppm). 4 % — це максимальний уміст водяної пари, а не CO₂.

Тема «Будова атмосфери» входить до розділу 1.5 програми НМТ «Атмосфера та клімат». У програмі зазначено: «Будова атмосфери, властивості повітря в тропосфері».

Завдання з цієї теми можуть мати форму вибору однієї правильної відповіді з чотирьох (тип А–Г, 1 бал) або вибору трьох правильних відповідей із семи. Типові формулювання: «У якому шарі атмосфери…?» або «Який газ виконує таку функцію…?».

У демоваріанті НМТ 2026 року окремого завдання, присвяченого виключно будові атмосфери, немає. Однак зміст НМТ відповідає всій програмі, тому знання будови атмосфери потрібні для розв'язання завдань про клімат, погоду, циклони й антициклони, а також про глобальні екологічні проблеми (озоновий шар, парниковий ефект).

Стратегія виконання

Для кожного завдання про шари атмосфери згадай профіль атмосфери — п'ять шарів знизу вгору. Для кожного шару тримай у пам'яті дві ключові характеристики: висотні межі й напрямок зміни температури з висотою. У тропосфері й мезосфері температура знижується, у стратосфері й термосфері — зростає. Це дає змогу швидко відкинути неправильні варіанти.

Пам'ятай: профіль атмосфери складається з чотирьох ділянок, де температура то знижується, то зростає: тропосфера (↓) → стратосфера (↑) → мезосфера (↓) → термосфера (↑). Це чергування — надійний орієнтир.

• Сухе повітря: азот ≈ 78 %, кисень ≈ 21 %, аргон ≈ 0,9 %, вуглекислий газ ≈ 0,04 %.

• Шари знизу вгору: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера.

• Тропосфера — 8–10 км над полюсами й 16–18 км над екватором, у ній уся погода.

• У тропосфері температура знижується на $6{}^{\circ }\text{C}$ на кожен кілометр.

• Озоновий шар — у стратосфері на висоті 20–25 км, поглинає ультрафіолет.

• Метеори згоряють у мезосфері, полярні сяйва й іоносфера — у термосфері.