Газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля, известная как атмосфера, состоит из пяти основных слоев. Эти слои берут начало на поверхности планеты, от уровня моря (иногда ниже) и поднимаются до космического пространства в следующей последовательности:

• Тропосфера;
• Стратосфера;
• Мезосфера;
• Термосфера;
• Экзосфера.

В промежутке между каждым из этих основных пяти слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха. Вместе с паузами, атмосфера Земли в общей сложности включает 9 слоев.

Тропосфера: где происходит погода

Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне — поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.

Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.

На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.

Стратосфера: дом озона

Стратосфера — следующий слой атмосферы. Он простирается от 6-20 км до 50 км над земной поверхностью Земли. Это слой, в котором летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары.

Здесь воздух не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. По мере того, как вы поднимаетесь, температура увеличивается, благодаря обилию природного озона (O₃) — побочного продукта солнечной радиации и кислорода, который обладает способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи солнца (любое повышение температуры с высотой в метеорологии, известно как «инверсия»).

Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы бушующую в тропосфере бурю, поскольку слой действует как «колпачок» для конвекции, через который не проникают штормовые облака.

После стратосферы снова следует буферный слой, на этот раз называемый стратопаузой.

Мезосфера: средняя атмосфера

Мезосфера находится примерно на расстоянии 50-80 км от поверхности Земли. Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.

Термосфера: верхняя атмосфера

После мезосферы и мезопаузы следует термосфера, расположенная между 80 и 700 км над поверхностью планеты, и содержит менее 0,01% всего воздуха в атмосферной оболочке. Температуры здесь достигают до +2000° C, но из-за сильной разреженности воздуха и нехватки молекул газа для переноса тепла, эти высокие температуры воспринимаются, как очень холодные.

Экзосфера: граница атмосферы и космоса

На высоте около 700-10000 км над земной поверхностью находится экзосфера — внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли.

Как насчет ионосферы?

Ионосфера не является отдельным слоем, а на самом деле этот термин используется для обозначения атмосферы на высоте от 60 до 1000 км. Она включает в себя самые верхние части мезосферы, всю термосферу и часть экзосферы. Ионосфера получила свое название, потому что в этой части атмосферы излучение Солнца ионизируется, когда проходит магнитные поля Земли на севере и юге. Это явления наблюдается с земли как северное сияние.

Источник: NatWorld.info

Основные свойства атмосферы

Космическое пространство — источник угроз для живых организмов. При отсутствии воздушной оболочки метеориты не сгорали бы, а падали на поверхность Земли. Другая серьёзная угроза — ультрафиолетовое излучение солнца, способное уничтожить флору и фауну. Слои атмосферы обеспечивают комфортную жизнь для сотен тысяч видов организмов.

Первичная газообразная оболочка стала зарождаться с момента появления Земли и со временем превратилась в сложную структуру с множеством функций. Так, благодаря воздушному слою образуются облака. Они, в свою очередь, отражают солнечные лучи и возвращают тепло на землю. Этот процесс повторяется многократно, поэтому у поверхности планеты сохраняется комфортная температура. Без атмосферных слоёв на Земле было бы в среднем на 30 градусов холоднее, чем сейчас.

В нескольких слоях оболочки происходит круговорот воды. Над всей планетой перемещаются тёплые и холодные потоки воздуха. Эти процессы уравновешивают климат на земном шаре. Без атмосферы разница температур на экваторе и у полюсов была бы колоссальной. Разнообразие форм живой и неживой природы образовалось благодаря уникальным климатическим условиям, которые стали результатом перемещения газообразных структур.

Общая масса всех слоёв, входящих в состав атмосферы, составляет 5,2×10 ¹⁸кг. Газообразные вещества окружают планету, распространяясь на многие тысячи километров от поверхности. Слои атмосферы:

• тропосфера;
• стратосфера;
• мезосфера;
• термосфера;
• экзосфера;
• ионосфера.

Они располагаются именно в таком порядке и вращаются вместе с планетой. Те, что находятся выше, движутся с другой скоростью. Верхним слоем считают экзосферу, но некоторые учёные причисляют к атмосфере также ионосферу.

Состав воздушной оболочки

Воздух представляет собой неоднородную смесь газов. В нижних оболочках можно насчитать 12 видов. На большей высоте присутствуют практически все элементы химической таблицы Менделеева. Все они находятся в газообразном состоянии.

Больше всего в атмосфере кислорода, окрашивающего воздушную оболочку в голубой цвет. Этот эффект объясняется тем, что воздух лучше всего рассеивает короткие лучи, образующие синюю часть спектра. Интересно, что Земля из космоса выглядит голубой, а на огромном расстоянии кажется синей точкой. Кроме кислорода, в составе воздушной оболочки присутствуют такие элементы:

• водород;
• гелий;
• неон;
• криптон;
• аргон;
• радон;
• ксенон.

Благородные газы проникают на поверхность во время вулканических извержений и поднимаются в верхние слои. Состав и строение атмосферы всё время изменяется, но в масштабах планеты эти процессы незначительны.

Даже если количество кислорода уменьшится в 100 раз, это не приведёт к разрушению озонового слоя. Однако деятельность человека угрожает не столько существованию планеты, сколько самой цивилизации. Уже сейчас над некоторыми крупными городами постоянно присутствуют облака смога, хорошо заметные из космического пространства. Также учёных тревожит возникновение озоновых дыр, которых с каждым годом становится больше.

Физические характеристики тропосферы

Каждый из основных слоёв обладает особыми характеристиками. Тропосфера — самая плотная оболочка, первая по счёту от поверхности планеты. На полюсах она распространяется на 7 км от поверхности, а у экватора — на 20 км. Разница обусловлена тем, что планета не круглая, а немного сплющенная, так как на неё воздействует центробежная сила. Чем теплее воздух, тем больше размер тропосферы.

Этот слой — наиболее продуктивный и динамичный. В нём формируются тучи, образуются ветра, циклоны и антициклоны. В тропосфере обитает большая часть видов, образующих живую природу. Температура воздуха в этой части оболочки понижается на 0,5−0,7 градуса с увеличением высоты на каждые 100 метров. Скорость ветра изменяется на 2−3 км/с на 1 км высоты.

В тропопаузе температура остаётся неизменной. Нижняя часть тропосферы примыкает к литосфере и образует приграничный слой. Его роль заключается в аккумуляции и передача тепла на высоту. Водообмен также происходит в приграничном слое. В течение 8−12 дней совершается полный оборот воды. Таким образом, тропосфера играет роль огромного фильтра.

В составе этого слоя выделяют гомосферу — пространство, где находится и осуществляет деятельность человек.

Описание стратосферы

Стратосферой называют воздушный слой, который начинается на высоте 50 км у экватора и около 8 км — у полюсов. В переводе с греческого stratus означает «слой, настил». Эта зона очень разреженная, в ней очень мало частиц воды. Давление воздуха в верхней части стратосферы в 100 раз ниже, чем у поверхности, а в нижней — в 10 раз.

Температура воздуха с набором высоты возрастает: если в нижней части воздушного слоя она составляет -56 градусов, то в верхней — от -1 до 0. Прекращение нагрева воздуха наблюдается в стратопаузе — пограничном слое между мезосферой и стратосферой.

В стратосфере летают самолёты, чья скорость выше звуковой, и пассажирские лайнеры. Такая высота выбрана потому, что в нижних слоях стратосферы наблюдается стабильность воздушных потоков, а благодаря низкой температуре снижаются затраты топлива. Движение происходит в условиях малого аэродинамического сопротивления.

Однако есть предел: самолёт может подняться только до определённой высоты. В какой-то момент воздуха становится слишком мало, а он нужен, чтобы работали реактивные двигатели. В высоких слоях стратосферы самолету, чтобы получить приток воздуха, приходится перемещаться быстрее скорости звука. Поэтому на самую большую высоту залетают только боевые и сверхзвуковые пассажирские лайнеры, например, «Конкорд».

В стратосфере присутствуют метеорологические зонды. Они закреплены на огромных воздушных шарах и находятся в зависшем положении. Задача зондов — сбор информации о состоянии тропосферы и о происходящих изменениях.

Из живых организмов в стратосфере можно обнаружить бактерии, например, аэропланктон. Но не только микроорганизмы способны выживать на такой большой высоте: был случай, когда в двигатель самолёта попала крупная птица — гриф. Также известно, что утки, совершая сезонные перелёты, перемещаются над Эверестом.

Мировой рекорд по пребыванию на высоте установил вице-президент Google — американец Алан Юстас. Он поднялся на высоту 41 км и спрыгнул с парашютом. Чтобы оторваться от шара, пришлось привести в действие небольшое взрывное устройство. Во время свободного падения он развил скорость 1342 км/ч — это быстрее, чем движется звук.

Озоновый слой

Слой озона разделяет мезосферу и стратосферу. Благодаря ему большая часть ультрафиолетовых лучей не достигает поверхности земли, а поглощается и отражается. Выше озонового слоя условия таковы, что там не могут жить никакие организмы, в том числе самые стойкие бактерии и вирусы. Всё живое убивают неблагоприятные факторы, а именно:

• космическое излучение;
• низкая температура;
• давление.

Созданию озонового слоя поспособствовали бактерии, которая много тысяч лет выделяли кислород. Поднимаясь в высокие слои, молекулы вступали в фотохимическую реакцию, и в результате молекулы O2 преобразовывались в O3.

Озон — вещество, созданное при участии ультрафиолета. При этом оно защищает всё живое на планете от этого губительного излучения. Поглощая солнечные лучи, озон нагревается сам и повышает температуру окружающей атмосферы. Таким образом, этот газ частично способствует поддержанию благоприятного микроклимата на Земле.

Особенности мезосферы

Мезосфера — слой, расположенный в промежутке между 45 и 90 километрами. Его верхняя часть называется мезопаузой и является самым холодным местом: воздух здесь охлаждается до -143 градусов.

Этот участок атмосферы пока не очень хорошо изучен. Это обусловлено слишком малым давлением газов: оно в несколько тысяч раз ниже того, что наблюдается у поверхности планеты. Воздушные шары, поднявшись до определённой точки, не летят выше, а зависают. Использовать для изучения мезосферы самолёты с реактивными двигателями тоже не получается, так как принцип их движения в условиях, когда газ сильно разрежен, утрачивает смысл. Аэродинамика корпуса и крыльев становится бесполезной.

Перемещаться в мезосфере могут только ракетопланы или ракеты. К первым относят самолёты, оснащённые ракетными двигателями. Одна из таких машин — X-15. Это самый быстрый ракетоплан, сумевший подняться на высоту 108 км. Однако такие аппараты летят слишком быстро, а за короткое время не удаётся провести основательного изучения воздушного слоя. Летательные аппараты либо движутся выше, либо опускаются, в обоих случаях покидая мезосферу.

Суборбитальные зонды и спутники не получается использовать для исследований в мезосфере, так как они замедляются под влиянием давления. Оно очень низкое, однако препятствует движению, а иногда и сжигает аппараты.

В этом же слое сгорают и метеориты. Наблюдатели, находящиеся на земле, видят своеобразное свечение.

Помимо этого, каждый день на Землю оседает от 100 до 9−10 тыс. тонн космической пыли. Эти частицы оказывают некоторое влияние на дождеобразование, хотя кардинально изменить циркуляцию атмосферы они неспособны.

Термосфера и экзосфера

Общая высота атмосферы Земли составляет около 100 км. На этом уровне проходит условная граница, отделяющая планету от космоса. Её называют линией Кармана. На высоте более 100 км есть газы, но их количество ничтожно мало. Полёты на таком расстоянии от поверхности относятся к космическим.

Линия Кармана одновременно является нижней границей термосферы — самого протяжённого воздушного слоя. Эта часть атмосферной оболочки простирается до высоты 800 км над уровнем моря. Температура здесь достигает 1800 градусов. Насколько это много, можно понять, если вспомнить, что железо плавится уже при 1538 °C.

Однако космические аппараты в термосфере не разрушаются, потому что содержание газов в нем низкое. Отдельные частицы обладают огромной энергией, но они находятся на большом расстоянии друг от друга. Летательные аппараты находятся в вакууме. При этом возникает необходимость отводить избыточное тепло, которое выделяется при работе двигателей и других механизмов. Тепловыделение достигается за счёт работы радиаторов. Ими оснащают все космические корабли.

Экзосфера — последний атмосферный слой, нижняя граница которого проходит на высоте 700−800 км. Эта часть оболочки очень разреженная и состоит в основном из атомов водорода. В малом количестве присутствуют ионы азота и кислорода (менее сотых долей процента).

Простираясь на 100 тыс. км, экзосфера плавно переходит в геокорону. По сравнению с нижними слоями атмосферы, концентрация частиц здесь меньше в миллионы раз.

Источник: nauka.club

Строение атмосферы

По вер­ти­ка­ли А. име­ет слои­стую струк­ту­ру, оп­ре­де­ляе­мую гл. обр. осо­бен­но­стя­ми вер­ти­каль­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры (рис.), ко­то­рое за­ви­сит от гео­гра­фич. по­ло­же­ния, се­зо­на, вре­ме­ни су­ток и т. д. Ниж­ний слой А. – тро­по­сфе­ра – ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­де­ни­ем темп-ры с вы­со­той (при­мер­но на 6 °C 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 ок. 80% всей мас­сы А. Над тро­по­сфе­рой рас­по­ла­га­ет­ся стра­то­сфе­ра – слой, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в об­щем по­вы­ше­ни­ем темп-ры с вы­со­той. Пе­ре­ход­ный слой ме­ж­ду тро­по­сфе­рой и стра­то­сфе­рой на­зы­ва­ет­ся тро­по­пау­зой. В ниж­ней стра­то­сфе­ре до уров­ня ок. 20 км темп-ра ма­ло ме­ня­ет­ся с вы­со­той (т. н. изо­тер­мич. об­ласть) и не­ред­ко да­же не­зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Вы­ше темп-ра воз­рас­та­ет из-за по­гло­ще­ния УФ-ра­диа­ции Солн­ца озо­ном, вна­ча­ле мед­лен­но, а с уров­ня 34–36 км – бы­ст­рее. Верх­няя гра­ни­ца стра­то­сфе­ры – стра­то­пау­за – рас­по­ло­же­на на выс. 50–55 км, со­от­вет­ст­вую­щей мак­си­му­му темп-ры (260–270 К). Слой А., рас­по­ло­жен­ный на выс. 55–85 км, где темп-ра сно­ва па­да­ет с вы­со­той, на­зы­ва­ет­ся ме­зо­сфе­рой, на его верх­ней гра­ни­це – ме­зо­пау­зе – темп-ра дос­ти­га­ет ле­том 150–160 К, а зи­мой 200–230 К. Над ме­зо­пау­зой на­чи­на­ет­ся тер­мо­сфе­ра – слой, ха­рак­те­ри­зую­щий­ся бы­ст­рым по­вы­ше­ни­ем темп-ры, дос­ти­гаю­щей на выс. 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 А. к меж­пла­нет­но­му про­стран­ст­ву.

Состав атмосферы

До выс. ок. 100 км А. прак­ти­че­ски од­но­род­на по хи­мич. со­ста­ву и ср. мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха (ок. 29) в ней по­сто­ян­на. Вбли­зи по­верх­но­сти Зем­ли А. со­сто­ит из азо­та (ок. 78,1% по объёму) и ки­сло­ро­да (ок. 20,9%), а так­же со­дер­жит ма­лые ко­ли­че­ст­ва ар­го­на, ди­ок­си­да уг­ле­ро­да (уг­ле­ки­сло­го га­за), не­она и др. по­сто­ян­ных и пе­ре­мен­ных ком­по­нен­тов (см. Воз­дух).

Кро­ме то­го, А. со­дер­жит не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва озо­на, ок­си­дов азо­та, ам­миа­ка, ра­до­на и др. От­но­сит. со­дер­жа­ние осн. со­став­ляю­щих воз­ду­ха по­сто­ян­но во вре­ме­ни и од­но­род­но в раз­ных гео­гра­фич. 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 выс. ок. 1000 км на­чи­на­ют пре­об­ла­дать лёг­кие га­зы – ге­лий и во­до­род, а ещё вы­ше А. Зем­ли по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в меж­пла­нет­ный газ.

Наи­бо­лее важ­ная пе­ре­мен­ная ком­по­нен­та А. – во­дя­ной пар, ко­то­рый по­сту­па­ет в А. при ис­па­ре­нии с по­верх­но­сти во­ды и влаж­ной поч­вы, а так­же пу­тём транс­пи­ра­ции рас­те­ния­ми. От­но­сит. 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 выс. 1,5–2 км. В вер­ти­каль­ном стол­бе А. в уме­рен­ных ши­ро­тах со­дер­жит­ся ок. 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), ок. 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 $p=$ 1 атм и темп-ре $T=$ 0 °C). В озо­но­вых ды­рах, на­блю­дае­мых вес­ной в Ан­тарк­ти­ке с нач. 1980-х гг., 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 А. яв­ля­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, со­дер­жа­ние ко­то­ро­го в ат­мо­сфе­ре за по­след­ние 200 лет вы­рос­ло на 35%, что объ­яс­ня­ет­ся в осн. 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 темп-ры).

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 хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, вул­ка­нич. из­вер­же­ний, в результате подъ­ё­ма пы­ли вет­ром с по­верх­но­сти пла­не­ты, осо­бен­но с её пус­тын­ных ре­гио­нов, а так­же об­ра­зу­ет­ся из кос­мич. пы­ли, по­па­даю­щей в верх­ние слои А. Бóльшая часть аэ­ро­зо­ля со­сре­до­то­че­на в тро­по­сфе­ре, аэ­ро­золь от вул­ка­нич. из­вер­же­ний об­ра­зу­ет т. н. слой Юн­ге на выс. ок. 20 км. Наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во ан­тро­по­ген­но­го аэ­ро­зо­ля по­па­да­ет в А. в ре­зуль­та­те ра­бо­ты ав­то­транс­пор­та и ТЭЦ, хи­мич. про­из­водств, сжи­га­ния то­п­ли­ва и др. Поэтому в не­ко­то­рых рай­онах со­став А. за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от обыч­но­го воз­ду­ха, что по­тре­бо­ва­ло соз­да­ния спец. служ­бы на­блю­де­ний и кон­тро­ля за уров­нем за­гряз­не­ния ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Эволюция атмосферы

Совр. А. име­ет, по-ви­ди­мо­му, вто­рич­ное про­ис­хо­ж­де­ние: она об­ра­зо­ва­лась из га­зов, вы­де­лен­ных твёр­дой обо­лоч­кой Зем­ли по­сле за­вер­ше­ния фор­ми­ро­ва­ния пла­не­ты ок. 4,5 млрд. лет на­зад. В те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии Зем­ли А. пре­тер­пе­ва­ла зна­чит. из­ме­не­ния сво­его со­ста­ва под влия­ни­ем ря­да фак­то­ров: дис­си­па­ции (уле­ту­чи­ва­ния) га­зов, пре­им. бо­лее лёг­ких, в кос­мич. про­стран­ст­во; вы­де­ле­ния га­зов из ли­то­сфе­ры в ре­зуль­та­те вул­ка­нич. дея­тель­но­сти; хи­мич. ре­ак­ций ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми А. и по­ро­да­ми, сла­гаю­щи­ми зем­ную ко­ру; фо­то­хи­мич. ре­ак­ций в са­мой А. под влия­ни­ем сол­неч­но­го УФ-из­лу­че­ния; ак­кре­ции (за­хва­та) ма­те­рии меж­пла­нет­ной сре­ды (напр., ме­те­ор­но­го ве­ще­ст­ва). Раз­ви­тие А. тес­но свя­за­но с гео­ло­гич. и гео­хи­мич. про­цес­са­ми, а по­след­ние 3–4 млрд. лет так­же с дея­тель­но­стью био­сфе­ры. Зна­чит. часть га­зов, со­став­ляю­щих совр. А. (азот, уг­ле­кис­лый газ, во­дя­ной пар), воз­ник­ла в хо­де вул­ка­нич. дея­тель­но­сти и ин­тру­зии, вы­но­сив­шей их из глу­бин Зем­ли. Ки­сло­род поя­вил­ся в за­мет­ных ко­ли­че­ст­вах ок. 2 млрд. лет то­му на­зад как ре­зуль­тат дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов, пер­во­на­чаль­но за­ро­див­ших­ся в по­верх­но­ст­ных во­дах океа­на.

По дан­ным о хи­мич. со­ста­ве кар­бо­нат­ных от­ло­же­ний по­лу­че­ны оцен­ки ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за и ки­сло­ро­да в А. гео­ло­ги­чес­ко­го про­шло­го. На про­тя­же­нии фа­не­ро­зоя (по­след­ние 570 млн. лет ис­то­рии Зем­ли) ко­ли­че­ст­во уг­ле­ки­с­ло­го га­за в А. из­ме­ня­лось в ши­ро­ких пре­де­лах в со­от­вет­ст­вии с уров­нем вул­ка­нич. ак­тив­но­сти, темп-рой океа­на и уров­нем фо­то­син­те­за. Боль­шую часть это­го вре­ме­ни кон­цен­тра­ция уг­ле­ки­сло­го га­за в А. бы­ла зна­чи­тель­но вы­ше со­вре­мен­ной (до 10 раз). Ко­ли­че­ст­во ки­с­ло­ро­да в А. фа­не­ро­зоя су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­лось, при­чём пре­об­ла­да­ла тен­ден­ция к его уве­ли­че­нию. В А. до­кем­брия мас­са уг­ле­ки­сло­го га­за бы­ла, как пра­ви­ло, боль­ше, а мас­са ки­сло­ро­да – мень­ше по срав­не­нию с А. 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 осн. час­ти фа­не­ро­зоя был го­раз­до те­п­лее по срав­не­нию с совр. эпо­хой.

Атмосфера и жизнь

Без А. Зем­ля бы­ла бы мёрт­вой пла­не­той. Ор­га­нич. жизнь про­те­ка­ет в тес­ном взаи­мо­дей­ст­вии с А. и свя­зан­ны­ми с ней кли­ма­том и по­го­дой. Не­зна­чи­тель­ная по мас­се по срав­не­нию с пла­не­той в це­лом (при­мер­но мил­ли­он­ная часть), А. 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 ор­га­нич. ве­ще­ст­во, ис­поль­зуе­мое как ис­точ­ник энер­гии по­дав­ляю­щим боль­шин­ст­вом жи­вых су­ществ, вклю­чая че­ло­ве­ка. Кис­лород не­об­хо­дим для су­ще­ст­во­ва­ния аэроб­ных ор­га­низ­мов, для ко­то­рых при­ток энер­гии обес­пе­чи­ва­ет­ся ре­ак­ция­ми окис­ле­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Азот, ус­ваи­вае­мый не­ко­то­ры­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми (азо­то­фик­са­то­ра­ми), не­об­хо­дим для ми­нер. пи­та­ния рас­те­ний. Озон, по­гло­щаю­щий жё­ст­кое УФ-из­лу­че­ние Солн­ца, зна­чи­тель­но ос­лаб­ля­ет эту вред­ную для жиз­ни часть сол­неч­ной ра­диа­ции. Кон­ден­са­ция во­дя­но­го па­ра в А., 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 хи­мич. со­ста­вом ат­мо­сфер­ных га­зов, рас­тво­рён­ных в во­де. По­сколь­ку хи­мич. со­став А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов, био­сфе­ру и А. мож­но рас­смат­ри­вать как часть еди­ной сис­те­мы, под­дер­жа­ние и эво­лю­ция ко­то­рой (см. Био­гео­хи­ми­че­ские цик­лы) име­ла боль­шое зна­че­ние для из­ме­не­ния со­ста­ва А. на про­тя­же­нии ис­то­рии Зем­ли как пла­не­ты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы

Сол­неч­ная ра­диа­ция яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски единств. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех фи­зич. про­цес­сов в А. Глав­ная осо­бен­ность ра­ди­ац. ре­жи­ма А. – т. н. пар­ни­ко­вый эф­фект: А. 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 ра­ди­ац. по­те­рю те­п­ла зем­ной по­верх­но­стью (см. Ат­мос­фер­ное из­лу­че­ние). В от­сут­ст­вие А. ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти бы­ла бы –18 °C, в дей­ст­ви­тель­но­сти она 15 °C. При­хо­дя­щая сол­неч­ная ра­диа­ция час­тич­но (ок. 20%) по­гло­ща­ет­ся в А. (гл. обр. во­дя­ным па­ром, ка­п­ля­ми во­ды, уг­ле­кис­лым га­зом, озо­ном и аэ­ро­зо­ля­ми), а так­же рас­сеи­ва­ет­ся (ок. 7%) на час­ти­цах аэ­ро­зо­ля и флук­туа­ци­ях плот­но­сти (рэ­ле­ев­ское рас­сея­ние). Сум­мар­ная ра­диа­ция, дос­ти­гая зем­ной по­верх­но­сти, час­тич­но (ок. 23%) от­ра­жа­ет­ся от неё. Ко­эф. от­ра­же­ния оп­ре­де­ля­ет­ся от­ра­жат. спо­соб­но­стью под­сти­лаю­щей по­верх­но­сти, т. н. 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. Ра­ди­ац. те­п­ло­об­мен ме­ж­ду зем­ной по­верх­но­стью и А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от аль­бе­до и оп­ре­де­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным из­лу­че­ни­ем по­верх­но­сти Зем­ли и по­гло­щён­ным ею про­ти­во­из­лу­че­ни­ем А. Ал­геб­ра­ич. сум­ма по­то­ков ра­диа­ции, вхо­дя­щих в зем­ную ат­мо­сфе­ру из кос­мич. про­стран­ст­ва и ухо­дя­щих из неё об­рат­но, на­зы­ва­ет­ся ра­диа­ци­он­ным ба­лан­сом.

Пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной ра­диа­ции по­сле её по­гло­ще­ния А. и зем­ной по­верх­но­стью оп­ре­де­ля­ют те­п­ло­вой ба­ланс Зем­ли как пла­не­ты. Гл. ис­точ­ник те­п­ла для А. – 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 ср. 20%, 7% и 23% со­от­вет­ст­вен­но. Сю­да же до­бав­ля­ет­ся ок. 20% те­п­ло­ты за счёт по­гло­ще­ния пря­мой сол­неч­ной ра­диа­ции. По­ток сол­неч­ной ра­диа­ции за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную сол­неч­ным лу­чам и рас­по­ло­жен­ную вне А. на ср. рас­стоя­нии от Зем­ли до Солн­ца (т. н. сол­неч­ная по­сто­ян­ная), ра­вен 1367 Вт/м², из­ме­не­ния со­став­ля­ют 1–2 Вт/м² в за­ви­си­мо­сти от цик­ла сол­неч­ной ак­тив­но­сти. При пла­не­тар­ном аль­бе­до ок. 30% средний по вре­ме­ни гло­баль­ный при­ток сол­неч­ной энер­гии к пла­не­те со­став­ля­ет 239 Вт/м². По­сколь­ку Зем­ля как пла­не­та ис­пус­ка­ет в кос­мос в сред­нем та­кое же ко­ли­че­ст­во энер­гии, то, со­глас­но за­ко­ну Сте­фа­на – Больц­ма­на, эф­фек­тив­ная темп-ра ухо­дя­ще­го те­п­ло­во­го длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния 255 К (–18 °C). В то же вре­мя ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти со­став­ля­ет 15 °C. Раз­ни­ца в 33 °C воз­ни­ка­ет за счёт пар­ни­ко­во­го эф­фек­та.

Вод­ный ба­ланс А. в це­лом со­от­вет­ст­ву­ет ра­вен­ст­ву ко­ли­че­ст­ва вла­ги, ис­па­рив­шей­ся с по­верх­но­сти Зем­ли, ко­ли­че­ст­ву осад­ков, вы­па­даю­щих на зем­ную по­верх­ность. А. 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 А. 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 темп-ры в су­ще­ст­вен­ной ме­ре влия­ет так­же вза­им­ное рас­по­ло­же­ние океа­нов и кон­ти­нен­тов. Из-за боль­шой мас­сы океа­нич. вод и вы­со­кой те­п­ло­ём­ко­сти во­ды се­зон­ные ко­ле­ба­ния темп-ры по­верх­но­сти океа­на зна­чи­тель­но мень­ше, чем су­ши. В свя­зи с этим в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха над океа­на­ми ле­том за­мет­но ни­же, чем над кон­ти­нен­та­ми, а зи­мой – вы­ше.

Не­оди­на­ко­вый ра­зо­грев А. 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 (по­ясá вы­со­ко­го дав­ле­ния) и по­ни­же­ни­ем в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. При этом над ма­те­ри­ка­ми вне­тро­пич. ши­рот дав­ле­ние зи­мой обыч­но по­вы­ше­но, а ле­том по­ни­же­но, что свя­за­но с рас­пре­де­ле­ни­ем темп-ры. 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 (см. 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 А. на­блю­да­ют­ся зап. вет­ры со ско­ро­стя­ми в сред­ней тро­по­сфе­ре ок. 15 м/с. Су­ще­ст­ву­ют срав­ни­тель­но ус­той­чи­вые сис­те­мы вет­ров. К ним от­но­сят­ся пас­са­ты – вет­ры, дую­щие от поя­сов вы­со­ко­го дав­ле­ния в суб­тро­пи­ках к эк­ва­то­ру с за­мет­ной вост. 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 ок. В сред­них ши­ро­тах дви­же­ние воз­душ­ных масс име­ет в осн. зап. на­прав­ле­ние (с за­па­да на вос­ток). Это зо­на атмо­сфер­ных фрон­тов, на ко­то­рых воз­ни­ка­ют круп­ные вих­ри – ци­кло­ны и ан­ти­ци­кло­ны, ох­ва­ты­ваю­щие мн. 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), т. н. тро­пи­че­ские ци­кло­ны. В Ат­лан­ти­ке и на вос­то­ке Ти­хо­го ок. они на­зы­вают­ся ура­га­на­ми, а на за­па­де Ти­хо­го ок. – 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 фи­зич. свой­ст­вам зем­ной по­верх­но­сти, оп­ре­де­ля­ет мно­го­об­ра­зие кли­ма­тов Зем­ли. От эк­ва­то­ра до тро­пич. ши­рот темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в ср. 25–30 °C и ма­ло ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да. В эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се обыч­но вы­па­да­ет мно­го осад­ков, что соз­да­ёт там ус­ло­вия из­бы­точ­но­го ув­лаж­не­ния. В тро­пич. поя­сах ко­ли­че­ст­во осад­ков умень­ша­ет­ся и в ря­де об­лас­тей ста­но­вит­ся очень ма­лым. Здесь рас­по­ла­га­ют­ся об­шир­ные пус­ты­ни Зем­ли.

В суб­тро­пич. и сред­них ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха зна­чи­тель­но ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да, при­чём раз­ни­ца ме­ж­ду темп-ра­ми ле­та и зи­мы осо­бен­но ве­ли­ка в уда­лён­ных от океа­нов об­лас­тях кон­ти­нен­тов. Так, в не­ко­то­рых рай­онах Вост. Си­би­ри го­до­вая ам­пли­ту­да темп-ры воз­ду­ха дос­ти­га­ет 65 °C. Ус­ло­вия ув­лаж­не­ния в этих ши­ро­тах весь­ма раз­но­об­раз­ны, за­ви­сят в осн. от ре­жи­ма об­щей цир­ку­ля­ции А. и су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся от го­да к го­ду.

В по­ляр­ных ши­ро­тах темп-ра 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 св. 65% её пло­ща­ди, в осн. в Си­би­ри.

За по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ста­ли всё бо­лее за­мет­ны из­ме­не­ния гло­баль­но­го кли­ма­та. Темп-ра по­вы­ша­ет­ся боль­ше в вы­со­ких ши­ро­тах, чем в низ­ких; боль­ше зи­мой, чем ле­том; боль­ше но­чью, чем днём. За 20 в. ср.-го­до­вая темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в Рос­сии вы­рос­ла на 1,5–2 °C, при­чём в отд. рай­онах Си­би­ри на­блю­да­ет­ся по­вы­ше­ние на неск. гра­ду­сов. Это свя­зы­ва­ет­ся с уси­ле­ни­ем пар­ни­ко­во­го эф­фек­та вслед­ст­вие рос­та кон­цен­тра­ции ма­лых га­зо­вых при­ме­сей.

По­го­да оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми цир­ку­ля­ции А. и гео­гра­фич. 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 ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков. См. так­же Ме­тео­ро­ло­гия.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере

При рас­про­стра­не­нии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. в ре­зуль­та­те реф­рак­ции, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та воз­ду­хом и разл. час­ти­ца­ми (аэ­ро­золь, кри­стал­лы льда, ка­п­ли во­ды) воз­ни­ка­ют раз­но­об­раз­ные оп­тич. 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 А. (см. Ат­мо­сфер­ная ви­ди­мость). От про­зрач­но­сти А. на разл. дли­нах волн за­ви­сят даль­ность свя­зи и воз­мож­ность об­на­ру­же­ния объ­ек­тов при­бо­ра­ми, в т. ч. воз­мож­ность ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний с по­верх­но­сти Зем­ли. Для ис­сле­до­ва­ний оп­тич. не­од­но­род­но­стей стра­то­сфе­ры и ме­зо­сфе­ры важ­ную роль иг­ра­ет яв­ле­ние су­ме­рек. Напр., фо­то­гра­фи­ро­ва­ние су­ме­рек с кос­мич. ап­па­ра­тов по­зво­ля­ет об­на­ру­жи­вать аэ­ро­золь­ные слои. Осо­бен­но­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. оп­ре­де­ля­ют точ­ность ме­то­дов дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния её па­ра­мет­ров. Все эти во­про­сы, как и мн. дру­гие, изу­ча­ет ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка. Реф­рак­ция и рас­сея­ние ра­дио­волн обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­но­сти ра­дио­приё­ма (см. Рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в А. за­ви­сит от про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры и ско­ро­сти вет­ра (см. Ат­мо­сфер­ная аку­сти­ка). Оно пред­став­ля­ет ин­те­рес для зон­ди­ро­ва­ния А. дис­танц. ме­то­да­ми. Взры­вы за­ря­дов, за­пус­кае­мых ра­ке­та­ми в верх­нюю А., да­ли бо­га­тую ин­фор­ма­цию о сис­те­мах вет­ров и хо­де темп-ры в стра­то­сфе­ре и ме­зо­сфе­ре. В ус­той­чи­во стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной А., ко­гда темп-ра па­да­ет с вы­со­той мед­лен­нее адиа­ба­ти­че­ско­го гра­ди­ен­та (9,8 К/км), воз­ни­ка­ют т. н. 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 элек­трич. по­ле А. вме­сте с элек­три­че­ски за­ря­жен­ны­ми ио­но­сфе­рой и маг­ни­то­сфе­рой соз­да­ют гло­баль­ную элек­трич. 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 назв. ат­мо­сфе­ри­ков (см. Сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки). Во вре­мя рез­ко­го уве­ли­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля на­блю­да­ют­ся све­тя­щие­ся раз­ря­ды, воз­ни­каю­щие на ост­ри­ях и ост­рых уг­лах пред­ме­тов, вы­сту­паю­щих над зем­ной по­верх­но­стью, на отд. вер­ши­нах в го­рах и др. (Эль­ма ог­ни). А. все­гда со­дер­жит силь­но ме­няю­ще­еся в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий ко­ли­че­ст­во лёг­ких и тя­жё­лых ио­нов, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют элек­трич. про­во­ди­мость А. Глав­ные ио­ни­за­то­ры воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти – из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих­ся в зем­ной ко­ре и в А., а так­же кос­мич. лу­чи. См. так­же Ат­мо­сфер­ное элек­три­чест­во.

Влияние человека на атмосферу

В те­че­ние по­след­них сто­ле­тий про­ис­хо­дил рост кон­цен­тра­ции пар­ни­ко­вых га­зов в А. вслед­ст­вие хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка. Про­цент­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ки­сло­го га­за воз­рос­ло с 2,86 10^–2 две­сти лет на­зад до 3,8·10^–2 в 2005, со­дер­жа­ние ме­та­на – с 0,7· 10^–4 при­мер­но 300–400 лет на­зад до 1,8·10^–4 в нач. 21 в.; ок. 20% в при­рост пар­ни­ко­во­го эф­фек­та за по­след­нее сто­ле­тие да­ли фре­о­ны, ко­то­рых прак­ти­че­ски не бы­ло в А. до сер. 20 в. Эти ве­ще­ст­ва при­зна­ны раз­ру­ши­те­ля­ми стра­то­сфер­но­го озо­на, и их про­изводство за­пре­ще­но Мон­ре­аль­ским про­то­ко­лом 1987. Рост кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за в А. вы­зван сжи­га­ни­ем всё воз­рас­таю­щих ко­ли­честв уг­ля, неф­ти, га­за и др. ви­дов уг­ле­род­но­го то­п­ли­ва, а так­же све­де́­ни­ем 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 с.-х. рас­те­ний от гра­до­би­тия пу­тём рас­сеи­ва­ния в гро­зо­вых об­ла­ках спец. 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 фи­зич. про­цес­сах в А. по­лу­ча­ют пре­ж­де все­го из ме­тео­ро­ло­гических на­блю­де­ний, ко­то­рые про­во­дят­ся гло­баль­ной се­тью по­сто­ян­но дей­ст­вую­щих ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций и по­стов, рас­по­ло­жен­ных на всех кон­ти­нен­тах и на мн. ост­ро­вах. Еже­днев­ные на­блю­де­ния да­ют све­де­ния о темп-ре и влаж­но­сти воз­ду­ха, ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и осад­ках, об­лач­но­сти, вет­ре и др. На­блю­де­ния за сол­неч­ной ра­диа­ци­ей и её пре­об­ра­зо­ва­ния­ми про­во­дят­ся на ак­ти­но­мет­рич. стан­ци­ях. Боль­шое зна­че­ние для изу­че­ния А. име­ют се­ти аэ­ро­ло­гич. стан­ций, на ко­то­рых при по­мо­щи ра­дио­зон­дов вы­пол­ня­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич. из­ме­ре­ния до выс. 30–35 км. На ря­де стан­ций про­во­дят­ся на­блю­де­ния за ат­мо­сфер­ным озо­ном, элек­трич. яв­ле­ния­ми в А., хи­мич. со­ста­вом воз­ду­ха.

Дан­ные на­зем­ных стан­ций до­пол­ня­ют­ся на­блю­де­ния­ми на океа­нах, где дей­ст­ву­ют «су­да по­го­ды», по­сто­ян­но на­хо­дя­щие­ся в оп­ре­де­лён­ных рай­онах Ми­ро­во­го ок., а так­же ме­тео­ро­ло­гич. све­де­ния­ми, по­лу­чае­мы­ми с н.-и. и др. су­дов.

Всё боль­ший объ­ём све­де­ний об А. в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия по­лу­ча­ют с по­мо­щью ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны при­бо­ры для фо­тогра­фи­ро­ва­ния об­ла­ков и из­ме­ре­ния по­то­ков ульт­ра­фио­ле­то­вой, ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции Солн­ца. Спут­ни­ки по­зво­ля­ют по­лу­чать све­де­ния о вер­ти­каль­ных про­фи­лях темп-ры, об­лач­но­сти и её во­до­за­па­се, эле­мен­тах ра­ди­ац. ба­лан­са А., о темп-ре по­верх­но­сти океа­на и др. Ис­поль­зуя из­ме­ре­ния реф­рак­ции ра­дио­сиг­на­лов с сис­те­мы на­ви­гац. спут­ни­ков, уда­ёт­ся оп­ре­де­лять в А. вер­ти­каль­ные про­фи­ли плот­но­сти, дав­ле­ния и темп-ры, а так­же вла­го­со­дер­жа­ния. С по­мо­щью спут­ни­ков ста­ло воз­мож­ным уточ­нить ве­ли­чи­ну сол­неч­ной по­сто­ян­ной и пла­не­тар­но­го аль­бе­до Зем­ли, стро­ить кар­ты ра­ди­ац. ба­лан­са сис­те­мы Зем­ля – А., из­ме­рять со­дер­жа­ние и из­мен­чи­вость ма­лых ат­мо­сфер­ных при­ме­сей, ре­шать мн. др. за­да­чи фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры и мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды.

Источник: bigenc.ru

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород, в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат. condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 мЛ содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м3воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 мЛ при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы, находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования.

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Источник: www.sites.google.com