Надо заметить, что мы нарисовали здесь лишь самую общую схему процессов. Ведь, кроме ионизации, непрерывно, "работает" обратный процесс - рекомбинация, приводящий к уничтожению ионов и электронов, к воссоединению их в нейтральные частицы. Изучением процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы с атомами, молекулами, ионами и электронами при их взаимодействии друг с другом и с солнечным излучением, занимается наука аэрономия.
Вернемся к солнечному излучению. Потеряв на высоте 100 км полностью свой самый коротковолновый участок (1020 А), оно начинает далее испытывать поглощение лучей на больших длинах волн. Молекулы кислорода поглощают излучение в континууме Шумана-Рунге (1760 - 1220 А), энергия которого расходуется на их диссоциацию. Ниже 80 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Однако излучение в области полос Шумана-Рунге (1925 - 1760 А) проходит и продолжает диссоциировать молекулы кислорода ниже 80 км. Число столкновений быстро падает с уменьшением плотности атмосферы на больших высотах. Не может озон образовываться и ниже 10 км - там нет атомов кислорода, поскольку излучение в области полос Шумана - Рунге полностью поглощается выше этого уровня.
Но озон сам является мощным поглотителем ультрафиолетовых лучей вплоть до длины волны 3100 A. Энергия этих лучей расходуется на диссоциацию молекул озона, уравновешивая их образование в ходе тройных столкновений. Максимальная концентрация озона достигается на высотах 25-30 км. Этот уровень не совпадает с уровнем озонного максимума температуры 50-55 км. Происходит это потому, что лучи, несущие наибольшую энергию, поглощаются выше и до уровня максимальной концентрации озона не доходят. Те же лучи, которые достигают этого уровня, имеют относительно небольшую энергию и не могут нагреть молекулы озона, а через них - и других газов до достаточно высоких температур. Поэтому, как ни странно, в области максимальной концентрации озона температуры довольно низкие.
Хорошо известно значение озоносферы для защиты всего живого на Земле - растений, животных и людей - от губительного действия солнечных ультрафиолетовых лучей. Любые процессы, связанные с деятельностью человека, которые способны привести хотя бы к частичному разрушению озонного слоя, могут иметь роковые последствия для жизни на Земле.
Образование обычных (тропосферных) облаков происходит, как правило, на высотах от 0,5 до 6 км (слоистые, дождевые, кучевые). На больших высотах плавают высоко-кучевые и высоко-слоистые облака. Однако выше 7,5 км облака почти целиком состоят из ледяных кристаллов: это перистые облака, высота которых может доходить до 15-17 км.
Еще выше, на уровне 25-30 км, наблюдаются так называемые перламутровые облака - явление гораздо более редкое, чем серебристые облака.
На высотах от 120 до 70 км происходит испарение и плавление входящих в атмосферу метеорных тел - наблюдаются метеоры, свечение которых в основном определяется излучением атомов и ионов метеорных паров. На уровнях 80-100 км наблюдается некоторое относительное изобилие метеорных атомов и ионов: здесь они образуются, после чего смешиваются в ходе диффузии с атомами и молекулами воздуха.
При полете метеора за ним формируется ионно-электронный след, отражающий метровые радиоволны. Весь этот комплекс явлений принято называть метеорными явлениями.
Еще выше расположена область полярных сияний. Обычно разные формы полярных сияний располагаются на высотах от 100 до 1000 км, хотя иногда нижние границы дуг полярных сияний спускаются до 80 км. Как показывает спектральный анализ, основной вклад в свечение полярных сияний вносит излучение атомарного кислорода (особенно в зеленой линии 5577 А), атомарного азота, их ионов, молекул азота и кислорода и их ионов, а также водорода, гелия, натрия. Возбуждение свечения всех этих частиц происходит за счет их соударений с быстрыми заряженными частицами, летящими от Солнца (солнечный ветер). Это - протоны, электроны и ионы различных элементов, а также нейтральные атомы. Но основную роль в возбуждении свечения полярных сияний играют протоны и электроны. Поскольку эти частицы - заряженные, их траектории отклоняются магнитным полем Земли в сторону геомагнитных полюсов, поэтому сияния наблюдаются преимущественно в полярных районах.
Кроме полярных сияний, наблюдается еще общее свечение ночного неба, вызванное как возбуждением за счет столкновений, так и флуоресценцией газов атмосферы в результате фотовозбуждения (это свечение наблюдается вскоре после захода Солнца).
Что считать границей атмосферы? Исследования последних лет показали, что ионосфера простирается до высот в тысячи и десятки тысяч километров. Поэтому понятие границы атмосферы весьма условно. Часто принимают высоту этой границы в 2000 км. То, что выше, называют протоносферой - оболочкой, состоящей из ядер атомов водорода - протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц, захваченных магнитным полем нашей планеты и движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли.
Строение атмосферы
| Название слоя | Высота верхней границы | Характеристика слоя |
| Тропосфера | 8—10 км в полярных, 10— 12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом | Нижний основной слой атмосферы. Содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты, со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м |
| Тропопауза | — | Переходной слой между тропосферой и стратосферой; толщина колеблется от нескольких сотен метров до 1-2 км. Зимой тропопауза ниже, чем летом; кроме того, высота тропопаузы колеблется при прохождении циклонов и антициклонов. Средняя температура над полюсом зимой около -65 °С, летом около -45 °С; над экватором весь год около -70 °С и ниже |
| Стратосфера | 50-55 км | Температура с ростом высоты возрастает до уровня 0 °С. Малая турбулентность, ничтожное содержание водяного пара, повышенное по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержание озона (максимальная концентрация озона на высотах 20-25 км) |
| Стратопауза | — | Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °С) |
| Мезосфера | 80—85км | Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы |
| Мезопауза | — | Переходной слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °С) |
| Термосфера | Ок. 800 км | Температура растёт до высот 200 — 300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород |
| Экзосфера (сфера рассеяния) | — | Внешний слой атмосферы, из которого, быстро движущиеся лёгкие атомы водорода могут вылетать (ускользать) в космическое пространство. Температура достигает уровня более 3000 К. На больших расстояниях от Земли (2 - 3 тыс. км и более) нейтральную экзосферу образуют почти исключительно атомы водорода, на более низких высотах заметную долю составляют атомы гелия, а ещё ниже — также и атомы кислорода |
2. Трофические цепи и трофические сети
Живые организмы, входящие в состав биоценоза в экосистеме, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений и бактерий животные не способны к реакциям фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную анергию опосредованно — через органическое вещество, созданное фото- и хемосинтетиками. Таким образом, в биоценозе образуется цепочка последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая цепь (от греческого “трофе” — питаюсь).
Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество из неорганического, они являются продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, используют органику, созданную автотрофами, употребляя их в пищу. Их называют гетеротрофами, что означает “питаемый другими”, а также консументами (от лат. “консумо” — потребляю). Однако далеко не все организмы для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Плотоядные животные используют животные белки со специфическим набором аминокислот. Они тоже являются консументами, но, в отличие от растительноядных, — консументами вторичными, или второго порядка. Но и на этом трофическая цепь не всегда заканчивается, так как вторичный консумент может служить источником питания для консумента третьего порядка и т.д. Но в одной трофической цепи не бывает консументов выше пятого порядка вследствие рассеяния энергии.
В процессе питания на всех трофических уровнях появляются “отходы”. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значительная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В конечном итоге так или иначе созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи — редуцентами (от лат. “редукцио” — возврат). Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные — в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь возвращаются к продуцентам.