Расстояние атмосферы. Атмосфера. Строение и состав атмосферы Земли
Стратосфера — это один из верхних слоев воздушной оболочки нашей планеты. Она начинается на высоте примерно 11 км над землей. Здесь уже не летают самолеты пассажирской авиации и крайне редко образуются облака. В стратосфере располагается озоновый - тонкая оболочка, защищающая планету от проникновения губительного ультрафиолета.
Воздушная оболочка планеты
Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, прилегающую внутренней поверхностью к гидросфере и земной коре. Внешняя граница ее постепенно переходит в космическое пространство. Состав атмосферы включает газы: азот, кислород, аргон, углекислый газ и так далее, — а также примеси в виде пыли, капель воды, кристаллов льда, продуктов горения. Соотношение основных элементов воздушной оболочки сохраняется постоянным. Исключение составляют углекислый газ и вода — их количество в атмосфере нередко меняется.
Слои газовой оболочки
Атмосферу подразделяют на несколько слоев, располагающихся друг над другом и имеющих особенности в составе:
пограничный слой — непосредственно прилегает к поверхности планеты, простирается до высоты в 1-2 км;
тропосфера — второй слой, внешняя граница в среднем располагается на высоте 11 км, здесь сконцентрирован практически весь водяной пар атмосферы, образуются облака, возникают циклоны и антициклоны, по мере увеличения высоты подает температура;
тропопауза — переходный слой, характеризующийся прекращением снижения температуры;
стратосфера — это слой, простирающийся до высоты 50 км и делящийся на три зоны: с 11 до 25 км температура меняется незначительно, с 25 до 40 — температура повышается, с 40 до 50 — температура остается постоянной (стратопауза);
мезосфера простирается на высоту до 80-90 км;
термосфера достигает отметки 700-800 км над уровнем моря, здесь на высоте 100 км располагается линия Кармана, которую принимают за границу между атмосферой Земли и космосом;
экзосфера также называется зоной рассеяния, здесь сильно теряет частицы вещества, и они улетают в космос.
Изменения температуры в стратосфере
Итак, стратосфера — это часть газовой оболочки планеты, следующая за тропосферой. Здесь температура воздуха, постоянная на протяжении тропопаузы, начинает изменяться. Высота стратосферы составляет примерно 40 км. Нижняя граница — 11 км над уровнем моря. Начиная с этой отметки, температура претерпевает небольшие изменения. На высоте 25 км показатель нагрева начинает медленно расти. К отметке 40 км над уровнем моря температура повышается от -56,5º до +0,8ºС. Далее она остается близкой к нулю градусов вплоть до высоты 50-55 км. Зона между 40 и 55 километрами называется стратопаузой, поскольку температура здесь не меняется. Она является переходной зоной от стратосферы к мезосфере.
Особенности стратосферы
Стратосфера Земли содержит около 20% массы всей атмосферы. Воздух здесь настолько разрежен, что пребывание человека без специального скафандра невозможно. Этот факт — одна из причин, по которой полеты в стратосферу стали осуществляться лишь сравнительно недавно.
Другая особенность газовой оболочки планеты на высоте 11-50 км заключается в очень небольшом количестве водяного пара. В стратосфере по этой причине практически никогда не образуются облака. Для них просто нет строительного материала. Однако редко все же можно наблюдать так называемые перламутровые облака, которыми «украшается» стратосфера (фото представлено ниже) на высоте 20-30 км над уровнем моря. Тонкие, как бы светящиеся изнутри образования можно наблюдать после заката или перед восходом. Формой перламутровые облака похожи на перистые или перисто-кучевые.
Озоновый слой Земли
Главная отличительная черта стратосферы — это максимальная во всей атмосфере концентрация озона. Он формируется под действием солнечных лучей и защищает все живое на планете от их губительного излучения. Озоновый слой Земли располагается на высоте 20-25 км над уровнем моря. Молекулы О 3 распределены во всей стратосфере и даже есть у поверхности планеты, однако на этом уровне наблюдается их наибольшая концентрация.
Нужно заметить, что озоновый слой Земли составляет всего 3-4 мм. Такой будет его толщина, если разместить частицы этого газа в условиях нормального давления, например, у поверхности планеты. Озон образуется в результате распада молекулы кислорода под действием ультрафиолета на два атома. Один из них соединяется с «полноценной» молекулой и образуется озон — О 3 .
Опасный защитник
Таким образом, сегодня стратосфера — это более изведанный слой атмосферы, нежели в начале прошлого века. Однако по-прежнему не очень понятным остается будущее озонового слоя, без которого не возникла бы жизнь на Земле. Пока страны сокращают производство фреона, одни ученые говорят, что это не принесет особой пользы, по крайней мере, такими темпами, а другие, что это и вовсе не нужно, поскольку основная часть вредных веществ образуется естественным путем. Кто прав — рассудит время.
На уровне моря 1013,25 гПа (около 760 мм ртутного столба). Средняя по глобусу температура воздуха у поверхности Земли 15°С, при этом температура изменяется примерно от 57°С в субтропических пустынях до -89°С в Антарктиде. Плотность воздуха и давление убывают с высотой по закону, близкому к экспоненциальному.
Строение атмосферы . По вертикали атмосфера имеет слоистую структуру, определяемую главным образом особенностями вертикального распределения температуры (рисунок), которое зависит от географического положения, сезона, времени суток и так далее. Нижний слой атмосферы - тропосфера - характеризуется падением температуры с высотой (примерно на 6°С на 1 км), его высота от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км в тропиках. Благодаря быстрому убыванию плотности воздуха с высотой в тропосфере находится около 80% всей массы атмосферы. Над тропосферой располагается стратосфера - слой, который характеризуется в общем повышением температуры с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. В нижней стратосфере до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой (так называемая изотермическая область) и нередко даже незначительно уменьшается. Выше температура возрастает из-за поглощения УФ-радиации Солнца озоном, вначале медленно, а с уровня 34-36 км - быстрее. Верхняя граница стратосферы - стратопауза - расположена на высоте 50-55 км, соответствующей максимуму температуры (260-270 К). Слой атмосферы, расположенный на высоте 55-85 км, где температура снова падает с высотой, называется мезосферой, на его верхней границе - мезопаузе - температура достигает летом 150-160 К, а зимой 200-230 К. Над мезопаузой начинается термосфера - слой, характеризующийся быстрым повышением температуры, достигающей на высоте 250 км значений 800-1200 К. В термосфере поглощается корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца, тормозятся и сгорают метеоры, поэтому она выполняет функцию защитного слоя Земли. Ещё выше находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.
Состав атмосферы . До высоты около 100 км атмосфера практически однородна по химическому составу и средняя молекулярная масса воздуха (около 29) в ней постоянна. Вблизи поверхности Земли атмосфера состоит из азота (около 78,1% по объёму) и кислорода (около 20,9%), а также содержит малые количества аргона, диоксида углерода (углекислого газа), неона и других постоянных и переменных компонентов (смотри Воздух).
Кроме того, атмосфера содержит небольшие количества озона, оксидов азота, аммиака, радона и др. Относительное содержание основных составляющих воздуха постоянно во времени и однородно в разных географических районах. Содержание водяного пара и озона переменно в пространстве и времени; несмотря на малое содержание, их роль в атмосферных процессах весьма существенна.
Выше 100-110 км происходит диссоциация молекул кислорода, углекислого газа и водяного пара, поэтому молекулярная масса воздуха уменьшается. На высоте около 1000 км начинают преобладать лёгкие газы - гелий и водород, а ещё выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.
Наиболее важная переменная компонента атмосферы - водяной пар, который поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путём транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара меняется у земной поверхности от 2,6% в тропиках до 0,2% в полярных широтах. С высотой оно быстро падает, убывая наполовину уже на высоте 1,5-2 км. В вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах содержится около 1,7 см «слоя осаждённой воды». При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града, снега.
Важной составляющей атмосферного воздуха является озон, сосредоточенный на 90% в стратосфере (между 10 и 50 км), около 10% его находится в тропосфере. Озон обеспечивает поглощение жёсткой УФ-радиации (с длиной волны менее 290 нм), и в этом - его защитная роль для биосферы. Значения общего содержания озона меняются в зависимости от широты и сезона в пределах от 0,22 до 0,45 см (толщина слоя озона при давлении р= 1 атм и температуре Т = 0°С). В озоновых дырах, наблюдаемых весной в Антарктике с начала 1980-х годов, содержание озона может падать до 0,07 см. Оно увеличивается от экватора к полюсам и имеет годовой ход с максимумом весной и минимумом осенью, причём амплитуда годового хода мала в тропиках и растёт к высоким широтам. Существенной переменной компонентой атмосферы является углекислый газ, содержание которого в атмосфере за последние 200 лет выросло на 35%, что объясняется в основном антропогенным фактором. Наблюдается его широтная и сезонная изменчивость, связанная с фотосинтезом растений и растворимостью в морской воде (согласно закону Генри, растворимость газа в воде уменьшается с ростом её температуры).
Важную роль в формировании климата планеты играет атмосферный аэрозоль - взвешенные в воздухе твёрдые и жидкие частицы размером от нескольких нм до десятков мкм. Различаются аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Аэрозоль образуется в процессе газофазных реакций из продуктов жизнедеятельности растений и хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, в результате подъёма пыли ветром с поверхности планеты, особенно с её пустынных регионов, а также образуется из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы. Большая часть аэрозоля сосредоточена в тропосфере, аэрозоль от вулканических извержений образует так называемый слой Юнге на высоте около 20 км. Наибольшее количество антропогенного аэрозоля попадает в атмосферу в результате работы автотранспорта и ТЭЦ, химических производств, сжигания топлива и др. Поэтому в некоторых районах состав атмосферы заметно отличается от обычного воздуха, что потребовало создания специальной службы наблюдений и контроля за уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
Эволюция атмосферы . Современная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение: она образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли после завершения формирования планеты около 4,5 млрд. лет назад. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпевала значительные изменения своего состава под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) газов, преимущественно более лёгких, в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; фотохимических реакций в самой атмосфере под влиянием солнечного УФ-излучения; аккреции (захвата) материи межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а последние 3-4 миллиарда лет также с деятельностью биосферы. Значительная часть газов, составляющих современной атмосферы (азот, углекислый газ, водяной пар), возникла в ходе вулканической деятельности и интрузии, выносившей их из глубин Земли. Кислород появился в заметных количествах около 2 миллиардов лет тому назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.
По данным о химическом составе карбонатных отложений получены оценки количества углекислого газа и кислорода в атмосфере геологического прошлого. На протяжении фанерозоя (последние 570 миллионов лет истории Земли) количество углекислого газа в атмосфере изменялось в широких пределах в соответствии с уровнем вулканической активности, температурой океана и уровнем фотосинтеза. Большую часть этого времени концентрация углекислого газа в атмосфере была значительно выше современной (до 10 раз). Количество кислорода в атмосфере фанерозоя существенно изменялось, причём преобладала тенденция к его увеличению. В атмосфере докембрия масса углекислого газа была, как правило, больше, а масса кислорода - меньше по сравнению с атмосферой фанерозоя. Колебания количества углекислого газа оказывали в прошлом существенное влияние на климат, усиливая парниковый эффект при росте концентрации углекислого газа, благодаря чему климат на протяжении основной части фанерозоя был гораздо теплее по сравнению с современной эпохой.
Атмосфера и жизнь . Без атмосферы Земля была бы мёртвой планетой. Органическая жизнь протекает в тесном взаимодействии с атмосферой и связанными с ней климатом и погодой. Незначительная по массе по сравнению с планетой в целом (примерно миллионная часть), атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение из атмосферных газов для жизнедеятельности организмов имеют кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. При поглощении углекислого газа фотосинтезирующими растениями создаётся органическое вещество, используемое как источник энергии подавляющим большинством живых существ, включая человека. Кислород необходим для существования аэробных организмов, для которых приток энергии обеспечивается реакциями окисления органического вещества. Азот, усваиваемый некоторыми микроорганизмами (азотофиксаторами), необходим для минерального питания растений. Озон, поглощающий жёсткое УФ-излучение Солнца, значительно ослабляет эту вредную для жизни часть солнечной радиации. Конденсация водяного пара в атмосфере, образование облаков и последующее выпадение атмосферных осадков поставляют на сушу воду, без которой невозможны никакие формы жизни. Жизнедеятельность организмов в гидросфере во многом определяется количеством и химическим составом атмосферных газов, растворённых в воде. Поскольку химический состав атмосферы существенно зависит от деятельности организмов, биосферу и атмосферу можно рассматривать как часть единой системы, поддержание и эволюция которой (смотри Биогеохимические циклы) имела большое значение для изменения состава атмосферы на протяжении истории Земли как планеты.
Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы . Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для всех физических процессов в атмосфере. Главная особенность радиационного режима атмосферы - так называемый парниковый эффект: атмосфера достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но активно поглощает тепловое длинноволновое излучение земной поверхности, часть которого возвращается к поверхности в форме встречного излучения, компенсирующего радиационную потерю тепла земной поверхностью (смотри Атмосферное излучение). В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -18°С, в действительности она 15°С. Приходящая солнечная радиация частично (около 20%) поглощается в атмосферу (главным образом водяным паром, каплями воды, углекислым газом, озоном и аэрозолями), а также рассеивается (около 7%) на частицах аэрозоля и флуктуациях плотности (рэлеевское рассеяние). Суммарная радиация, достигая земной поверхности, частично (около 23%) отражается от неё. Коэффициент отражения определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, так называемое альбедо. В среднем альбедо Земли для интегрального потока солнечной радиации близко к 30%. Оно меняется от нескольких процентов (сухая почва и чернозём) до 70-90% для свежевыпавшего снега. Радиационный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой существенно зависит от альбедо и определяется эффективным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением атмосферы. Алгебраическая сумма потоков радиации, входящих в земную атмосферу из космического пространства и уходящих из неё обратно, называется радиационным балансом.
Преобразования солнечной радиации после её поглощения атмосферой и земной поверхностью определяют тепловой баланс Земли как планеты. Главный источник тепла для атмосферы - земная поверхность; теплота от неё передаётся не только в виде длинноволнового излучения, но и путём конвекции, а также выделяется при конденсации водяного пара. Доли этих притоков теплоты равны в среднем 20%, 7% и 23% соответственно. Сюда же добавляется около 20% теплоты за счёт поглощения прямой солнечной радиации. Поток солнечной радиации за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца (так называемая солнечная постоянная), равен 1367 Вт/м 2 , изменения составляют 1-2 Вт/м 2 в зависимости от цикла солнечной активности. При планетарном альбедо около 30% средний по времени глобальный приток солнечной энергии к планете составляет 239 Вт/м 2 . Поскольку Земля как планета испускает в космос в среднем такое же количество энергии, то, согласно закону Стефана - Больцмана, эффективная температура уходящего теплового длинноволнового излучения 255 К (-18°С). В то же время средняя температура земной поверхности составляет 15°С. Разница в 33°С возникает за счёт парникового эффекта.
Водный баланс атмосферы в целом соответствует равенству количества влаги, испарившейся с поверхности Земли, количеству осадков, выпадающих на земную поверхность. Атмосфера над океанами получает больше влаги от процессов испарения, чем над сушей, а теряет в виде осадков 90%. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосферу с океанов на континенты, равно объёму стока рек, впадающих в океаны.
Движение воздуха . Земля имеет шарообразную форму, поэтому к её высоким широтам приходит гораздо меньше солнечной радиации, чем к тропикам. Вследствие этого между широтами возникают большие температурные контрасты. На распределение температуры в существенной мере влияет также взаимное расположение океанов и континентов. Из-за большой массы океанических вод и высокой теплоёмкости воды сезонные колебания температуры поверхности океана значительно меньше, чем суши. В связи с этим в средних и высоких широтах температура воздуха над океанами летом заметно ниже, чем над континентами, а зимой - выше.
Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях земного шара вызывает неоднородное по пространству распределение атмосферного давления. На уровне моря распределение давления характеризуется относительно низкими значениями вблизи экватора, увеличением в субтропиках (пояса высокого давления) и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материками внетропических широт давление зимой обычно повышено, а летом понижено, что связано с распределением температуры. Под действием градиента давления воздух испытывает ускорение, направленное от областей с высоким давлением к областям с низким, что приводит к перемещению масс воздуха. На движущиеся воздушные массы действуют также отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), сила трения, убывающая с высотой, а при криволинейных траекториях и центробежная сила. Большое значение имеет турбулентное перемешивание воздуха (смотри Турбулентность в атмосфере).
С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений (общая циркуляция атмосферы). В меридиональной плоскости в среднем прослеживаются две или три ячейки меридиональной циркуляции. Вблизи экватора нагретый воздух поднимается и опускается в субтропиках, образуя ячейку Хэдли. Там же опускается воздух обратной ячейки Феррела. В высоких широтах часто прослеживается прямая полярная ячейка. Скорости меридиональной циркуляции порядка 1 м/с или меньше. Из-за действия силы Кориолиса в большей части атмосферы наблюдаются западные ветры со скоростями в средней тропосфере около 15 м/с. Существуют сравнительно устойчивые системы ветров. К ним относятся пассаты - ветры, дующие от поясов высокого давления в субтропиках к экватору с заметной восточной составляющей (с востока на запад). Достаточно устойчивы муссоны — воздушные течения, имеющие чётко выраженный сезонный характер: они дуют с океана на материк летом и в противоположном направлении зимой. Особенно регулярны муссоны Индийского океана. В средних широтах движение воздушных масс имеет в основном западное направление (с запада на восток). Это зона атмосферных фронтов, на которых возникают крупные вихри - циклоны и антициклоны, охватывающие многие сотни и даже тысячи километров. Циклоны возникают и в тропиках; здесь они отличаются меньшими размерами, но очень большими скоростями ветра, достигающего ураганной силы (33 м/с и более), так называемые тропические циклоны. В Атлантике и на востоке Тихого океана они называются ураганами, а на западе Тихого океана - тайфунами. В верхней тропосфере и нижней стратосфере в областях, разделяющих прямую ячейку меридиональной циркуляции Хэдли и обратную ячейку Феррела, часто наблюдаются сравнительно узкие, в сотни километров шириной, струйные течения с резко очерченными границами, в пределах которых ветер достигает 100-150 и даже 200 м/с.
Климат и погода . Различие в количестве солнечной радиации, приходящей на разных широтах к разнообразной по физическим свойствам земной поверхности, определяет многообразие климатов Земли. От экватора до тропических широт температура воздуха у земной поверхности в среднем 25-30°С и мало меняется в течение года. В экваториальном поясе обычно выпадает много осадков, что создаёт там условия избыточного увлажнения. В тропических поясах количество осадков уменьшается и в ряде областей становится очень малым. Здесь располагаются обширные пустыни Земли.
В субтропических и средних широтах температура воздуха значительно меняется в течение года, причём разница между температурами лета и зимы особенно велика в удалённых от океанов областях континентов. Так, в некоторых районах Восточной Сибири годовая амплитуда температуры воздуха достигает 65°С. Условия увлажнения в этих широтах весьма разнообразны, зависят в основном от режима общей циркуляции атмосферы и существенно меняются от года к году.
В полярных широтах температура остаётся низкой в течение всего года, даже при наличии её заметного сезонного хода. Это способствует широкому распространению ледового покрова на океанах и суше и многолетнемёрзлых пород, занимающих в России свыше 65% её площади, в основном в Сибири.
За последние десятилетия стали всё более заметны изменения глобального климата. Температура повышается больше в высоких широтах, чем в низких; больше зимой, чем летом; больше ночью, чем днём. За 20 век среднегодовая температура воздуха у земной поверхности в России выросла на 1,5-2°С, причём в отдельных районах Сибири наблюдается повышение на несколько градусов. Это связывается с усилением парникового эффекта вследствие роста концентрации малых газовых примесей.
Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности, она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Более всего погода меняется в зонах смены воздушных масс, обусловленных прохождением атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов, несущих осадки и усиление ветра. Данные для прогноза погоды собираются на наземных метеостанциях, морских и воздушных судах, с метеорологических спутников. Смотри также Метеорология.
Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере . При распространении электромагнитного излучения в атмосфере в результате рефракции, поглощения и рассеяния света воздухом и различными частицами (аэрозоль, кристаллы льда, капли воды) возникают разнообразные оптические явления: радуга, венцы, гало, мираж и др. Рассеяние света обусловливает видимую высоту небесного свода и голубой цвет неба. Дальность видимости предметов определяется условиями распространения света в атмосфере (смотри Атмосферная видимость). От прозрачности атмосферы на различных длинах волн зависят дальность связи и возможность обнаружения объектов приборами, в том числе возможность астрономических наблюдений с поверхности Земли. Для исследований оптической неоднородностей стратосферы и мезосферы важную роль играет явление сумерек. Например, фотографирование сумерек с космических аппаратов позволяет обнаруживать аэрозольные слои. Особенности распространения электромагнитного излучения в атмосфере определяют точность методов дистанционного зондирования её параметров. Все эти вопросы, как и многие другие, изучает атмосферная оптика. Рефракция и рассеяние радиоволн обусловливают возможности радиоприёма (смотри Распространение радиоволн).
Распространение звука в атмосфере зависит от пространственного распределения температуры и скорости ветра (смотри Атмосферная акустика). Оно представляет интерес для зондирования атмосферы дистанционными методами. Взрывы зарядов, запускаемых ракетами в верхнюю атмосфера, дали богатую информацию о системах ветров и ходе температуры в стратосфере и мезосфере. В устойчиво стратифицированной атмосфере, когда температура падает с высотой медленнее адиабатического градиента (9,8 К/км), возникают так называемые внутренние волны. Эти волны могут распространяться вверх в стратосферу и даже в мезосферу, где они затухают, способствуя усилению ветра и турбулентности.
Отрицательный заряд Земли и обусловленное им электрическое поле атмосфера вместе с электрически заряженными ионосферой и магнитосферой создают глобальную электрическую цепь. Важную роль при этом играет образование облаков и грозового электричества. Опасность грозовых разрядов вызвала необходимость разработки методов грозозащиты зданий, сооружений, линий электропередач и связи. Особую опасность это явление представляет для авиации. Грозовые разряды вызывают атмосферные радиопомехи, получившие название атмосфериков (смотри Свистящие атмосферики). Во время резкого увеличения напряжённости электрического поля наблюдаются светящиеся разряды, возникающие на остриях и острых углах предметов, выступающих над земной поверхностью, на отдельных вершинах в горах и др. (Эльма огни). Атмосфера всегда содержит сильно меняющееся в зависимости от конкретных условий количество лёгких и тяжёлых ионов, которые определяют электрическую проводимость атмосферы. Главные ионизаторы воздуха у земной поверхности - излучение радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере, а также космические лучи. Смотри также Атмосферное электричество.
Влияние человека на атмосферу. В течение последних столетий происходил рост концентрации парниковых газов в атмосфере вследствие хозяйственной деятельности человека. Процентное содержание углекислого газа возросло с 2,8-10 2 двести лет назад до 3,8-10 2 в 2005 году, содержание метана - с 0,7-10 1 примерно 300- 400 лет назад до 1,8-10 -4 в начале 21 века; около 20% в прирост парникового эффекта за последнее столетие дали фреоны, которых практически не было в атмосфере до середины 20 века. Эти вещества признаны разрушителями стратосферного озона, и их производство запрещено Монреальским протоколом 1987 года. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере вызван сжиганием всё возрастающих количеств угля, нефти, газа и других видов углеродного топлива, а также сведением лесов, в результате чего уменьшается поглощение углекислого газа путём фотосинтеза. Концентрация метана увеличивается с ростом добычи нефти и газа (за счёт его потерь), а также при расширении посевов риса и увеличении поголовья крупного рогатого скота. Всё это способствует потеплению климата.
Для изменения погоды разработаны методы активного воздействия на атмосферные процессы. Они применяются для защиты сельскохозяйственных растений от градобития путём рассеивания в грозовых облаках специальных реагентов. Существуют также методы рассеяния туманов в аэропортах, защиты растений от заморозков, воздействия на облака с целью увеличения осадков в нужных местах или для рассеяния облаков в моменты массовых мероприятий.
Изучение атмосферы . Сведения о физических процессах в атмосфере получают прежде всего из метеорологических наблюдений, которые проводятся глобальной сетью постоянно действующих метеорологических станций и постов, расположенных на всех континентах и на многих островах. Ежедневные наблюдения дают сведения о температуре и влажности воздуха, атмосферном давлении и осадках, облачности, ветре и др. Наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями проводятся на актинометрических станциях. Большое значение для изучения атмосферы имеют сети аэрологических станций, на которых при помощи радиозондов выполняются метеорологические измерения до высоты 30-35 км. На ряде станций проводятся наблюдения за атмосферным озоном, электрическими явлениями в атмосфере, химическим составом воздуха.
Данные наземных станций дополняются наблюдениями на океанах, где действуют «суда погоды», постоянно находящиеся в определённых районах Мирового океана, а также метеорологическими сведениями, получаемыми с научно-исследовательских и других судов.
Всё больший объём сведений об атмосфере в последние десятилетия получают с помощью метеорологических спутников, на которых установлены приборы для фотографирования облаков и измерения потоков ультрафиолетовой, инфракрасной и микроволновой радиации Солнца. Спутники позволяют получать сведения о вертикальных профилях температуры, облачности и её водозапасе, элементах радиационного баланса атмосферы, о температуре поверхности океана и др. Используя измерения рефракции радиосигналов с системы навигационных спутников, удаётся определять в атмосфере вертикальные профили плотности, давления и температуры, а также влагосодержания. С помощью спутников стало возможным уточнить величину солнечной постоянной и планетарного альбедо Земли, строить карты радиационного баланса системы Земля - атмосферы, измерять содержание и изменчивость малых атмосферных примесей, решать многие другие задачи физики атмосферы и мониторинга окружающей среды.
Лит.: Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980; Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. 2-е изд. Л., 1984; Будыко М. И., Ронов А. Б., Яншин А. Л. История атмосферы. Л., 1985; Хргиан А. Х. Физика атмосферы. М., 1986; Атмосфера: Справочник. Л., 1991; Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. 5-е изд. М., 2001.
Г. С. Голицын, Н. А. Зайцева.
Состав атмосферы. Воздушная оболочка нашей планеты - атмосфера защищает земную поверхность от губительного воздействия на живые организмы ультрафиолетового излучения Солнца. Предохраняет она Землю и от космических частиц - пыли и метеоритов.
Состоит атмосфера из механической смеси газов: 78 % ее объема составляет азот, 21 % - кислород и менее 1 % - гелий, аргон, криптон и другие инертные газы. Количество кислорода и азота в воздухе практически неизменно, потому что азот почти не вступает в соединения с другими веществами, а кислород, который хотя и очень активен и расходуется на дыхание, окисление и горение, все время пополняется растениями.
До высоты примерно 100 км процентное соотношение этих газов остается практически неизменным. Это обусловлено тем, что воздух постоянно перемешивается.
Кроме названных газов в атмосфере содержится около 0,03 % углекислого газа, который обычно концентрируется вблизи от земной поверхности и размещается неравномерно: в городах, промышленных центрах и районах вулканической активности его количество возрастает.
В атмосфере всегда находится некоторое количество примесей - водяного пара и пыли. Содержание водяного пара зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем больше пара вмещает воздух. Благодаря наличию в воздухе парообразной воды возможны такие атмосферные явления, как радуга, рефракция солнечных лучей и т. п.
Пыль в атмосферу поступает во время вулканических извержений, песчаных и пыльных бурь, при неполном сгорании топлива на ТЭЦ и т. д.
Строение атмосферы. Плотность атмосферы меняется с высотой: у поверхности Земли она наивысшая, с поднятием вверх уменьшается. Так, на высоте 5,5 км плотность атмосферы в 2 раза, а на высоте 11 км - в 4 раза меньше, чем в приземном слое.
В зависимости от плотности, состава и свойств газов атмосферу разделяют на пять концентрических слоев (рис. 34).
Рис. 34. Вертикальный разрез атмосферы (стратификация атмосферы)
1. Нижний слой называют тропосферой. Ее верхняя граница проходит на высоте 8-10 км на полюсах и 16-18 км - на экваторе. В тропосфере содержится до 80 % всей массы атмосферы и почти весь водяной пар.
Температура воздуха в тропосфере с высотой понижается на 0,6 °C через каждые 100 м и у верхней ее границы составляет -45-55 °C.
Воздух в тропосфере постоянно перемешивается, перемещается в разных направлениях. Только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады, грозы, бури и другие погодные явления.
2. Выше расположена стратосфера, которая простирается до высоты 50-55 км. Плотность воздуха и давление в стратосфере незначительны. Разреженный воздух состоит из тех же газов, что и в тропосфере, но в нем больше озона. Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 15-30 км. Температура в стратосфере повышается с высотой и на верхней границе ее достигает 0 °C и выше. Это объясняется тем, что озон поглощает коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего воздух нагревается.
3. Над стратосферой лежит мезосфера, простирающаяся до высоты 80 км. В ней температура вновь понижается и достигает -90 °C. Плотность воздуха там в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли.
4. Выше мезосферы располагается термосфера (от 80 до 800 км). Температура в этом слое повышается: на высоте 150 км до 220 °C; на высоте 600 км до 1500 °C. Газы атмосферы (азот и кислород) находятся в ионизированном состоянии. Под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов. В результате в данном слое - ионосфере возникают слои заряженных частиц. Самый плотный их слой находится на высоте 300-400 км. В связи с небольшой плотностью солнечные лучи там не рассеиваются, поэтому небо черное, на нем ярко светят звезды и планеты.
В ионосфере возникают полярные сияния, образуются мощные электрические токи, которые вызывают нарушения магнитного поля Земли.
5. Выше 800 км расположена внешняя оболочка - экзосфера. Скорость движения отдельных частиц в экзосфере приближается к критической - 11,2 мм/с, поэтому отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в мировое пространство.
Значение атмосферы. Роль атмосферы в жизни нашей планеты исключительно велика. Без нее Земля была бы мертва. Атмосфера предохраняет поверхность Земли от сильного нагревания и охлаждения. Ее влияние можно уподобить роли стекла в парниках: пропускать солнечные лучи и препятствовать отдаче тепла.
Атмосфера предохраняет живые организмы от коротковолновой и корпускулярной радиации Солнца. Атмосфера - среда, где происходят погодные явления, с которыми связана вся человеческая деятельность. Изучение этой оболочки производится на метеорологических станциях. Днем и ночью, в любую погоду метеорологи ведут наблюдения за состоянием нижнего слоя атмосферы. Четыре раза в сутки, а на многих станциях ежечасно измеряют температуру, давление, влажность воздуха, отмечают облачность, направление и скорость ветра, количество осадков, электрические и звуковые явления в атмосфере. Метеорологические станции расположены всюду: в Антарктиде и во влажных тропических лесах, на высоких горах и на необозримых просторах тундры. Ведутся наблюдения и на океанах со специально построенных кораблей.
С 30-х гг. XX в. начались наблюдения в свободной атмосфере. Стали запускать радиозонды, которые поднимаются на высоту 25-35 км, и при помощи радиоаппаратуры передают на Землю сведения о температуре, давлении, влажности воздуха и скорости ветра. В наше время широко используют также метеорологические ракеты и спутники. Последние имеют телевизионные установки, передающие изображение земной поверхности и облаков.
| |
5. Воздушная оболочка земли
§ 31. Нагревание атмосферы
СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Физические свойства
Толщина атмосферы - примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере - (5,1-5,3)·10 18 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ±0,0003)·10 18 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·10 16 кг.
Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м 3 . Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура - −140,7 °C; критическое давление - 3,7 МПа; C p при 0 °C - 1,0048·10 3 Дж/(кг·К), C v - 0,7159·10 3 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C - 0,0036 %, при 25 °C - 0,0023 %.
За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м 3 , барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.
Строение атмосферы
Атмосфера имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами.
Тропосфе́ра (др.-греч. τρόπος - «поворот», «изменение» и σφαῖρα - «шар») - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе - 16-18 км.
При подъёме в тропосфере температура понижается в среднем на 0,65 К через каждые 100 м и достигает 180-220 K в верхней части. Этот верхний слой тропосферы, в котором снижение температуры с высотой прекращается, называюттропопаузой. Следующий, расположенный выше тропосферы, слой атмосферы называется стратосфера.
В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваютсяциклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. Происходящие в тропосфере процессы обусловлены, прежде всего, конвекцией.
Часть тропосферы, в пределах которой на земной поверхности возможно зарождение ледников, называется хионосфера .
Тропопа́уза (от греч. τροπος - поворот, изменение и παῦσις - остановка, прекращение) - слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой; переходный слой от тропосферы к стратосфере. В земной атмосфере тропопауза расположена на высотах от 8-12 км (над уровнем моря) в полярных районах и до 16-18 км над экватором. Высота тропопаузы зависит также от времени года (летом тропопауза расположена выше, чем зимой) и циклонической деятельности (в циклонах она ниже, а в антициклонах - выше)
Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2-3 километров. В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново.
Стратосфе́ра (от лат. stratum - настил, слой) - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузойи является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше чем на уровне моря.
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15-20 до 55-60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О 3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7-4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О 3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.
В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют - на атомы (выше 80 км диссоциируют СО 2 и Н 2 , выше 150 км - О 2 , выше 300 км - N 2). На высоте 200-500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О + 2 , О − 2 , N + 2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы - ОН , НО 2 и др.
В стратосфере почти нет водяного пара.
Полёты в стратосферу начались в 1930-годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 г. на высоту 16,2 км. Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах в основном до 20 км (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.
В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом» (англ. « near space » ). Предполагается, что беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников.
Стратопа́уза - слой атмосферы, являющийся пограничным между двумя слоями, стратосферой и мезосферой. В стратосфере температура повышается с увеличением высоты, а стратопауза является слоем, где температура достигает максимума. Температура стратопаузы - около 0 °C.
Данное явление наблюдается не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.
На Земле стратопауза находится на высоте 50 - 55 км над уровнем моря. Атмосферное давление составляет около 1/1000 от давления на уровне моря.
Мезосфе́ра (от греч. μεσο- - «средний» и σφαῖρα - «шар», «сфера») - слой атмосферы на высотах от 40-50 до 80-90 км. Характеризуется повышением температуры с высотой; максимум (порядка +50°C) температуры расположен на высоте около 60 км, после чего температура начинает убывать до −70° или −80°C. Такое понижение температуры связано с энергичным поглощением солнечной радиации (излучения) озоном. Термин принят Географическим и геофизическим союзом в 1951 году.
Газовый состав мезосферы, как и расположенных ниже атмосферных слоев, постоянен и содержит около 80 % азота и 20 % кислорода.
Мезосфера отделяется от нижележащей стратосферы стратопаузой, а от вышележащей термосферы - мезопаузой. Мезопауза в основном совпадает с турбопаузой.
Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.
В мезосфере могут появляться серебристые облака.
Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» - воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты (на высоте 50 км плотность воздуха в 1000 раз меньше, чем на уровне моря), и в то же время слишком плотен для полётов искусственных спутников на такой низкой орбите. Прямые исследования мезосферы проводятся в основном с помощью суборбитальных метеорологических ракет; в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы, в связи с чем учёные прозвали её «игноросферой».
Мезопа́уза
Мезопа́уза - слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80-90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около −100 °C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) - снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака.
Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.
Линия Ка́рмана - высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.
В соответствии с определением Международной авиационной федерации (ФАИ), линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Название высота получила по имени Теодора фон Кармана, американского учёного венгерского происхождения. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэронавтика становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения бо́льших высот необходимо пользоваться средствамикосмонавтики.
Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тыс. км и более, на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.
Достижение Линии Кармана являлось первым условием для получения приза Ansari X Prize, так как это является основанием для признания полёта космическим.
Атмосфера Земли представляет собой газовую оболочку нашей планеты. Ее нижняя граница проходит на уровне земной коры и гидросферы, а верхняя переходит в околоземную область космического пространства. Атмосфера содержит около 78% азота, 20% кислорода, до 1% аргона, углекислого газа, водорода, гелия, неона и некоторых других газов.
Данная земная оболочка характеризуется четко выраженной слоистостью. Слои атмосферы определяются вертикальным распределением температуры и различной плотностью газов на разных ее уровнях. Различают такие слои атмосферы Земли: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Отдельно выделяют ионосферу.
До 80% всей массы атмосферы составляет тропосфера – нижний приземный слой атмосферы. Тропосфера в полярных поясах расположена на уровне до 8-10 км над земной поверхностью, в тропическом поясе - максимально до 16-18 км. Между тропосферой и вышележащим слоем стратосферой находится тропопауза – переходный слой. В тропосфере температура снижается по мере увеличения высоты, аналогично с высотой уменьшается атмосферное давление. Средний градиент температуры в тропосфере составляет 0,6°С на 100 м. Температура на разных уровнях данной оболочки определяется особенностями поглощения солнечного излучения и эффективностью конвекции. Почти вся деятельность человека осуществляется в тропосфере. Самые высокие горы не выходят за пределы тропосферы, только воздушный транспорт может пересекать на небольшую высоту верхнюю границу данной оболочки и находиться в стратосфере. Большая доля водяного пара содержится в тропосфере, что обусловливает формирование почти всех облаков. Также в тропосфере сконцентрированы практически все аэрозоли (пыль, дым, т.д.), образующиеся на земной поверхности. В пограничном нижнем слое тропосферы выражены суточные колебания температуры, влажности воздуха, скорость ветра обычно снижена (она возрастает с повышением высоты). В тропосфере наблюдается изменчивое расчленение толщи воздуха на воздушные массы в горизонтальном направлении, отличающиеся по ряду характеристик в зависимости от пояса и местности их формирования. На атмосферных фронтах – границах между воздушными массами – образуются циклоны и антициклоны, определяющие погоду на определенной территории в течение конкретного промежутка времени.
Стратосфера является слоем атмосферы между тропосферой и мезосферой. Пределы данного слоя составляют от 8-16 км до 50-55 км над поверхностью Земли. В стратосфере газовый состав воздуха приблизительно таков же, как и в тропосфере. Отличительная особенность – уменьшение концентрации водяного пара и повышение содержания озона. Озоновый слой атмосферы, защищающий биосферу от агрессивного воздействия ультрафиолетового света, находится на уровне от 20 до 30 км. В стратосфере температура повышается с высотой, причем температурные значение определяются солнечным излучением, а не конвекцией (передвижениями воздушных масс), как в тропосфере. Нагревание воздуха стратосферы обусловлено поглощением ультрафиолетового излучения озоном.
Над стратосферой простирается мезосфера до уровня 80 км. Этот слой атмосферы характеризуется тем, что температура по мере увеличения высоты понижается от 0° С до - 90° С. Это наиболее холодная область атмосферы.
Выше мезосферы находится термосфера до уровня 500 км. От границы с мезосферой до экзосферы температура меняется примерно от 200 К до 2000 К. До уровня 500 км плотность воздуха убывает в несколько сот тысяч раз. Относительный состав атмосферных составляющих термосферы аналогичен приземному слою тропосферы, но с увеличением высоты большее количество кислорода переходит в атомарное состояние. Определенная доля молекул и атомов термосферы находится в ионизированном состоянии и распределены в нескольких слоях, они объединяются понятием ионосфера. Характеристики термосферы варьируют в большом диапазоне в зависимости от географической широты, величины солнечной радиации, времени года и суток.
Верхний слой атмосферы – экзосфера. Это самый разреженный слой атмосферы. В экзосфере длины свободного пробега частиц настолько огромны, что частицы могут свободно удаляться в межпланетное пространство. Масса экзосферы составляет одну десятимиллионную от общей массы атмосферы. Нижняя граница экзосферы – уровень 450-800 км, а верхней границей считается область, где концентрация частиц такая же, как в космическом пространстве, - несколько тысяч километров от поверхности Земли. Экзосфера состоит из плазмы – ионизированного газа. Также в экзосфере находятся радиационные пояса нашей планеты.
Видео презентация - слои атмосферы Земли:
Похожие материалы:
