Атмосфера ЗемлиАтмосфера Земли — это газовая оболочка нашей планеты, простирающаяся до тысячи километров ввысь над поверхностью планеты. Она характеризуется высокой динамичностью, физической неоднородностью и уязвимостью к биологическим факторам. На протяжении миллиардов лет истории атмосферы Земли, именно живые существа сильнее всего изменяли ее состав.

Основные свойства атмосферы Земли

Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.


Масса атмосферы составляет 5,2×1018 килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).

Состав атмосферы Земли. История развития

Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!

Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад:

  • Первыми газами, которые окутали молодую Землю 4,3 миллиарда лет назад, были водород и гелий — фундаментальные составляющие атмосферы газовых гигантов вроде Юпитера.

    о самые элементарные вещества — из них состояли остатки туманности, родившей Солнце и окружающие его планеты, и они обильно оседали вокруг гравитационных центров-планет. Их концентрация была не очень высока, а низкая атомная масса позволяла им улетучиваться в космос, что они делают до сих пор. На сегодняшний день их общая удельная масса составляет 0,00052% от общей массы атмосферы Земли (0,00002% водорода и 0,0005% гелия), что совсем мало.
  • Однако внутри самой Земли крылась уйма веществ, которые стремились вырваться из раскаленных недр. Из вулканов было выброшено громадное количество газов — в первую очередь аммиак, метан и углекислый газ, а также сера. Аммиак и метан впоследствии разложились на азот, который ныне занимает львиную долю массы атмосферы Земли — 78%.
  • Но настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла вместе с приходом кислорода. Он появлялся и естественным путем — раскаленная мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, извергаемые вулканами, расщеплялись под воздействием солнечного ультрафиолета на водород и кислород.

Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.


  • Во-первых, они начали выделять столько кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и начал накапливаться — за пару миллиардов лет его количество выросло с ноля до 21% процента всей массы атмосферы.
  • Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод атмосферы для построения собственных скелетов. В итоге их деятельности земная кора пополнилась целыми геологическими пластами органических материалов и ископаемых, а углекислого газа стало куда меньше
  • И, наконец, избыток кислорода сформировал озоновый слой, который стал защищать живые организмы от ультрафиолета. Жизнь стала эволюционировать активнее и приобретать новые, более сложные формы — среди бактерий и водорослей стали появляться высокоорганизованные существа. Сегодня в озон занимает всего 0,00001% всей массы Земли.

Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.

Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.

iv>

Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.

Структура атмосферы

Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных:

Тропосфера

Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.


Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.

Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».

Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.

>
  • Интересный факт — на водообмене с атмосферой завязан важный процесс в жизнедеятельности растений — транспирация. С ее помощью флора планеты активно влияет на климат — так, большие зеленые массивы смягчают погоду и перепады температуры. Растения в насыщенных водой местах испаряют 99% воды, взятой из почвы. К примеру, гектар пшеницы за лето выбрасывает в атмосферу 2–3 тысячи тонн воды — это значительно больше, чем могла бы отдать безжизненная почва.

Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.


В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.

 

Жизнь и человек в стратосфере

Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.

Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.


Читателю уже наверняка известно, что вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысячи километров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.

Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).

  • Интересный факт — для того чтобы отсоединиться от воздушного шара, Юстасу понадобилось взрывное устройство — вроде того, что используется космическими ракетами при отсоединении ступеней.

Озоновый слой

А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.


Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O2, получается озон — O3.

Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.

Мезосфера

Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.

Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.


Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).

А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.

Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана незримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

  • На заметку. Когда речь идет о высоких температурах, всегда стоит учитывать плотность раскаленной материи — так, ученые на Андронном Коллайдере действительно могут нагреть вещество до температуры Солнца. Но очевидно, что это будут отдельные молекулы — одного грамма вещества звезды хватило бы для мощнейшего взрыва. Поэтому не стоит верить желтой прессе, которая обещает нам скорый конец света от «рук» Коллайдера, как и не стоит бояться жара в термосфере.

Термосфера и космонавтика

Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.

Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.

Полярные сияния

В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.

Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.

Экзосфера

Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода  и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

Выветривание атмосферы

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.

  • Интересный факт — «пророки» конца света часто говорят, что если ядро Земли перестанет вращаться, атмосфера быстро выветрится под напором солнечного ветра. Однако наш читатель знает, что удерживают атмосферу возле Земли силы гравитации, которые будут действовать вне зависимости от вращения ядра. Ярким доказательством этого служит Венера, у которой неподвижное ядро и слабое магнитное поле, но зато атмосфера в 93 раза плотнее и тяжелее земной. Однако это не значит, что прекращение динамики земного ядра безопасно — тогда исчезнет магнитное поле планеты. Его роль важна не столько в сдерживании атмосферы, сколько в защите от заряженных частиц солнечного ветра, которые легко превратят нашу планету в радиоактивную пустыню.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×1015 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3 — а так как облака достигают объема в несколько кубических километров, масса воды в них исчисляется десятками и сотнями тонн.

Облака — это самое заметное образование нашей Земли; они видны даже с Луны, где очертания континентов размываются перед невооруженным глазом. И это не странно — ведь тучами постоянно покрыто больше 50% Земли!

В теплообмене Земли облака играют невероятно важную роль. Зимой они захватывают солнечные лучи, повышая температуру под собой за счет парникового эффекта, а летом экранируют громадную энергию Солнца. Также облака уравновешивают перепады температуры между днем и ночью. К слову, именно из-за их отсутствия пустыни так сильно остывают ночью — все накопленное песком и скалами тепло беспрепятственно улетает ввысь, когда в других регионах его удерживают тучи.

Преобладающее большинство туч формируются у поверхности Земли, в тропосфере, однако в своем дальнейшем развитии они принимают самые разнообразные формы и свойства. Их разделение весьма полезно — появление туч различных видов может не только помочь предсказывать погоду, но и определять наличие примесей в воздухе! Давайте рассмотрим основные типы облаков подробнее.

Облака нижнего яруса

Тучи, которые опускаются ниже всего над землей, относят к облакам нижнего яруса. Им характерна высокая однородность и низкая масса — когда они опускаются на землю, ученые-метеорологи не отделяют их от обычного тумана. Тем не менее разница между ними есть — одни просто заслоняют небо, а другие могут разразиться большими дождями и снегопадами.

  • К тучам, способным дать сильные осадки, относятся слоисто-дождевые облака. Они самые большие среди туч нижнего яруса: их толщина достигает нескольких километров, а линейные измерения превышают тысячи километров. Они представляют собой однородную серую массу — взгляните на небо во время продолжительного дождя, и вы наверняка увидите слоисто-дождевые облака.
  • Другой вид облаков нижнего яруса — это слоисто-кучевые облака, поднимающиеся над землей на 600–1500 метров. Они представляют собой группы из сотен серо-белых туч, разделенных небольшими просветами. Такие облака мы обычно видим в дни переменной облачности. С них редко идет дождь или снег.
  • Последний вид нижних облаков — это обычные слоистые облака; именно они застилают небо в пасмурные дни, когда с неба пускается мелкая морось. Они очень тонкие и низкие — высота слоистых облаков в максимуме достигает 400–500 метров. Их структура очень напоминает строение тумана — опускаясь ночью к самой земле, они часто создают густую утреннюю дымку.

Облака вертикального развития

У туч нижнего яруса есть старшие братья — облака вертикального развития. Хотя их нижняя граница пролегает на небольшой высоте в 800–2000 километров, облака вертикального развития серьезно устремляются вверх — их толщина может достигать 12–14 километров, что подталкивает их верхний предел к границам тропосферы. Еще такие облака называют конвективными: из-за больших размеров вода в них приобретает разную температуру, что порождает конвекцию — процесс перемещения горячих масс наверх, и холодных — вниз. Поэтому в облаках вертикального развития одновременно существуют водный пар, мелкие капельки, снежинки и даже целые кристаллы льда.

  • Основным типом вертикальных облаков являются кучевые облака — громадные белые тучи, напоминающие рваные куски ваты или айсберги. Для их существования необходима высокая температура воздуха — поэтому в средней полосе России они появляются только летом и тают к ночи. Их толщина достигает нескольких километров.
  • Однако когда кучевые облака имеют возможность собраться вместе, они создают куда более грандиозную форму — кучево-дождевые облака. Именно с них идут сильные ливни, град и грозы летом. Существуют они только несколько часов, но при этом разрастаются ввысь до 15 километров — верхняя их часть достигает температуры –10°C и состоит из кристалликов льда.На верхушках самых больших кучево-дождевых туч формируются «наковальни» — плоские области, напоминающие гриб или перевернутый утюг. Это происходит на тех участках, где облако достигает границы стратосферы — физика не позволяет распространяться дальше, из-за чего кучево-дождевая туча расползается вдоль предела высоты.
  • Интересный факт — мощные кучево-дождевые облака формируются в местах извержений вулканов, ударов метеоритов и ядерных взрывов. Эти тучи являются самыми большими — их границы достигают даже стратосферы, выбираясь на высоту 16 километров. Будучи насыщенными испаренной водой и микрочастицами, они извергают мощные грозовые ливни — в большинстве случаев этого достаточно, чтобы потушить связанные с катаклизмом возгорания. Вот такой вот природный пожарный 🙂

Облака среднего яруса

В промежуточной части тропосферы (на высоте от 2–7 километров в средних широтах) находятся облака среднего яруса. Им свойственны большие площади — на них меньше влияют восходящие потоки от земной поверхности и неровности ландшафта — и небольшая толщина в несколько сот метров. Это те облака, которые «наматываются» вокруг острых пиков гор и зависают возле них.

Сами облака среднего яруса делятся на два основных типа — высокослоистые и высококучевые.

  • Высокослоистые облака — это одна из составляющих сложных атмосферных масс. Они представляют собой однородную, серовато-синюю пелену, через которую видны Солнце и Луна — хотя протяженность высокослоистых облаков составляет тысячи километров, их толщина составляет всего несколько километров. Серая плотная пелена, которая видна из иллюминатора самолета, летящего на большой высоте — это именно высокослоистые облака. Часто из них идут длительные дожди или снег.
  • Высококучевые облака, напоминающие мелкие куски рваной ваты или тонкие параллельные полосы, встречаются в теплую пору года — они образуются при поднятии теплых воздушных масс на высоту 2–6 километров. Высококучевые облака служат верным индикатором грядущей перемены погоды и приближения дождя — создать их может не только естественная конвекция атмосферы, но и наступления холодных воздушных масс. С них редко идет дождь — однако тучи могут сбиться вместе и создать одно большое дождевое облако.

К слову о тучах возле гор — на фотографиях (а, может, и вживую) вы наверняка не раз видели круглые облака, напоминающие ватные диски, которые зависают слоями над горной вершиной. Дело в том, что облака среднего яруса часто бывают лентикулярными или линзовидными — разделенными на несколько параллельных слоев. Их создают воздушные волны, образующиеся при обтекании ветром крутых пиков. Линзовидные тучи также особенны тем, что висят на месте даже при самом сильном ветре. Это делает возможным их природа — поскольку такие облака создаются в местах контакта нескольких воздушных потоков, они находятся в относительно стабильной позиции.

Облака верхнего яруса

Последний уровень обычных туч, которые поднимаются до нижних пределов стратосферы, называется верхним ярусом. Высота таких облаков достигает 6–13 километров — там очень холодно, и потому облака на верхнем ярусе состоят из мелких льдинок. Из-за их волокнистой растянутой формы, напоминающей перья, высокие облака также называются перистыми — хотя причуды атмосферы часто придают им форму когтей, хлопьев и даже рыбьих скелетов. Осадки, которые образуются с них, никогда не достигают земли — но само присутствие перистых облаков служит древним способом предсказывать погоду.

  • Чисто-перистые облака являются самыми протяженными среди туч верхнего яруса — длина отдельного волокна может достигать десятка километров. Так как кристаллы льда в тучах достаточно большие, чтобы ощущать на себе притяжение Земли, перистые облака «падают» целыми каскадами — расстояние между верхней и нижней точкой отдельно взятого облака может достигать 3-4 километров! По сути, перистые тучи — это громадные «ледопады». Именно различия в форме кристаллов воды создают их волокнистую, потокообразную форму.
  • В этом классе попадаются и практически невидимые облака — перисто-слоистые облака. Они образуются тогда, когда большие массы приповерхностного воздуха поднимаются ввысь — на большой высоте их влажности достаточно для формирования облака. Когда сквозь них просвечивает Солнце или Луна, появляется гало — сияющий радужный диск из рассеянных лучей.

Серебристые облака

В отдельный класс стоит выделить серебристые облака — самые высокие тучи на Земле. Они забираются на высоту 80 километров, что даже выше стратосферы! Кроме того, они имеют необычный состав — в отличие от других облаков, они состоят из метеоритной пыли и метана, а не воды. Эти тучи видны только после заката или перед рассветом — лучи Солнца, проникающие из-за горизонта, подсвечивают серебристые облака, которые в течение дня остаются невидимыми на высоте.

Серебристые облака представляют собой невероятно красивое зрелище  — однако чтобы увидеть их в Северном полушарии, нужны особые условия. А еще их загадку было не так просто разгадать — ученые в бессилии отказывались в них верить, объявляя серебристые тучи оптической иллюзией. Посмотреть на необычные облака и узнать о их секретах вы можете из нашей специальной статьи.

Источник: SpaceGid.com

В зависимости от критериев разделения и научных задач существуют следующие подходы к выделению вертикальной структуры атмосферы.

1. по влиянию атмосферы на летательные аппараты

 

2. по химическому составу воздуха то степени его ионизации

3. по характеру взаимодействия атмосферы с земной поверхностью.

4. по характеру изменения температуры воздуха с высотой. В 1962г. было принято 5 основных и 4 переходных сферы.

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности. Ее толщина зависит от времени года, широты места, а также циркуляции атмосферы: а) зимой она меньше б) над полюсами она меньше, чем над экватором в 2-3 раза, в) над областями повышенного давления она больше, чем над областями пониженного давления. Характерной особенностью этой сферы является уменьшение температуры воздуха с высотой.

Между тропосферой и стратосферой располагается переходный слой — тропопауза Толщина его — 1-2 км. Нижняя граница этого слоя — это уровень, с которого температура воздуха увеличивается с высотой или уменьшается очень медленно. Во тропопаузой наблюдаются потоки воздуха в виде узких течений с очень большими значениями скорости. Эти потоки называются струйными течениями.

Стратосфера — это слой атмосферы, который располагается над тропопаузой и простирается до высот 50-55 км, он характеризуется медленным уменьшением, устойчивостью или повышением температуры воздуха с высотой. Выше тропопаузы температура не меняется с высотой (γ = 0) или очень медленно увеличивается (γ <0). На верхней границе стратосферы температура достигает среднегодового значения около 0 ° С с возможными отклонениями в ту или иную сторону до 20 ° С. Увеличение температуры обусловлено усвоением ультрафиолетовой радиации озоном.

Над стратосферой расположен слой незначительной вертикальной протяженности, называется стратопаузой. Именно в стратопаузе начинается медленное снижение температуры воздуха. Такое снижение продолжается и в мезосфере, что простирается до высот 90-95км.

 На верхней границе температура в январе достигает -90 градусов. В мезосфере также отмечаются горизонтальные и вертикальные воздушные течения, вызванные неравномерным распределением температуры как в широтном так и в высотном направлении. Над мезосферой выделяют переходный слой, в котором начинается повышение температуры и как следствие формирования его инверсионного распределения. На высотах 100, 180 и 300 км выделяют слои усиленной ионизации, от которых отражаются средние и короткие радиоволны. В связи а этим термосферу называют еще ионосферой. Она защищает земную поверхность от рентгеновского, излучения и вредного воздействия солнечной короны. Здесь образуются полярные сияния.


Источник: worldofscience.ru

Атмосфера неоднородна как в вертикальном, так и в гори­зонтальном направлении. Как уже говорилось выше, по вер­тикали она делится на ряд сфер и слоев, отличающихся по своим физическим характеристикам. По горизонтали, особенно в своей нижней части, она расчленяется на неоднородные массы воздуха. Ближайший к поверхности земли слой воздуха называется тропосферой.
Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности. Нижней границей тропосферы является поверхность земли, а верхняя находится в среднем на высотах 8—17 км. Высота тропосферы зависит главным образом от географической ши­роты. Наибольшая ее высота наблюдается в экваториальной зоне: здесь она достигает 16—18 км. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 9—10 км. В средних широтах высота тро­посферы колеблется от 6—8 до 14—16 км, составляя в сред­нем 10—12 км.
Верхняя граница тропосферы испытывает сезонные измене­ния: зимой она ниже, летом выше. Еще значительнее измене­ния высоты тропосферы, зависящие от характера атмосферных процессов. Нередко в течение суток высота верхней границы тропосферы над данным пунктом или районом изменяется даже на несколько километров. Наблюдения показывают, что изменения вертикальной протяженности тропосферы связаны с изменением температуры воздуха.
Тропосфера обладает рядом физических свойств, отличаю­щих ее от всех выше лежащих слоев воздуха. В тропосфере сосредоточена значительная часть массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от по­верхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м поднятия. Воз­дух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли. В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает 26° выше нуля, а в полярных областях 23° ниже нуля. В то же время над экватором в верхней тропосфере тем­пература равна —75, —80°, а в полярных областях —60, —65°,
Преобладающим горизонтальным переносом воздуха в тро­посфере является западный. Скорость ветра в тропосфере, как правило, с высотой возрастает, достигая максимума на уровне верхней ее границы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным дви­жением, обеспечивающими непрерывное перемешивание воз­духа во всей тропосфере. Вследствие подъема и опускания больших объемов воздуха образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются осадки. В тропосфере развиваются процессы, обусловливающие погоду и ее изменения.
Выше тропосферы расположена стратосфера. От тропо­сферы она отделена переходным слоем, который называется тропопаузой.
Так же как и высота верхней границы тропосферы, высота тропопаузы изменяется от сезона к сезону и ото дня ко дню в зависимости от процессов, развивающихся в тропосфере. Над холодными массами воздуха она располагается очень низко, а над теплыми — высоко. Даже в средних широтах зимой тропопауза нередко находится на высотах 8—9 км, а летом — на высотах 13—15 км. Колебания высоты тропопаузы вызваны рядом причин, среди которых большую роль играет перенос холодных или теплых масс воздуха и охлаждение или нагре­вание воздуха, обусловленное его вертикальными перемеще­ниями. При повышении температуры в тропосфере тропопауза повышается, при понижении температуры опускается.
Стратосфера. По вертикальному делению атмосферы под стратосферой подразумевается слой воздуха, ограниченный «снизу тропопаузой, а сверху уровнем 50—60 км.
По физическим свойствам стратосфера резко отличается от ниже лежащей сферы уже тем, что распределение температуры с высотой здесь иное, чем в тропосфере. Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходят бурные процессы облакообразозания сопровождающиеся выпадением осадков.
Совсем еще недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой и что здесь в верти­кальном направлении не происходит перемешивание воздуха. Считали также, что температура в стратосфере формируется под действием только лучистого равновесия, т. е. при равенстве поглощения и отражения солнечной радиации.
Новые данные, полученные с помощью радиометеорологи­ческих приборов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха со значительными измене­ниями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, наблюдаются значительные вертикальные перемещения, неупо­рядоченные (турбулентные) движения при сильных горизон­тальных воздушных течениях. Все это является результатом неоднородного распределения температуры.
В табл. 2 приведены данные о температуре в верхней тропосфере и стратосфере над различными широтами север­ного полушария.

T_2
Из данных табл. 2 следует, что в тропосфере на высотах 5 и 9 км разность температур между низкими и высокими широтами достигает 30—35°, причем от низких широт к высо­ким температура постепенно понижается. В стратосфере распределение температуры несколько иное. На уровне 16 км наиболее низкие температуры (—76, —80°) наблюдаются в экваториальной зоне, в средних широтах температура равна —51, —61°, а к высоким широтам она вновь понижается до —64, —68°. В стратосфере экваториальной зоны температура с высотой повышается, достигая на уровне 30 км —46, —50°, а в арктической зоне на этом же уровне наблюдаются темпе­ратуры около —67, —75°.
К лету распределение температуры претерпевает значитель­ные изменения. Как следует из табл. 3, в тропосфере на уров­нях 5 и 9 км температура от низких широт к высоким, как и зимой, понижается, однако разность ее составляет уже около 15°, что объясняется летним прогреванием воздуха в средних и особенно высоких широтах. На уровне 16 км от экваториальной зоны до 80° с. ш. температура повышается до —42, —43°, и даже на уровне 30 км в Арктике она выше, чем в экваториальной зоне.

T_3
Из приведенных данных о распределении температуры по высоте в различных широтных зонах следует, что в верхних слоях стратосферы экваториальной зоны температура воздуха от зимы к лету заметно не изменяется, а в арктической зоне, наоборот, эти изменения весьма значительны.
В табл. 4 приведены величины разностей температур между летом и зимой на разных уровнях в тропосфере и стратосфере и в разных широтных зонах северного полушария.

T_4
Как видно из данных табл. 4, величины разностей темпера­тур между летом и зимой возрастают от низких широт к высо­ким. На уровне 30 км над полюсом они достигают максимума (40°). То же происходит и в южном полушарии, с той лишь разницей, что в Антарктике на этом уровне величины разно­стей достигают 50—55°.
Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологиче­ских ракет и косвенными способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, про­должается до высот 50—60 км. На этих высотах температура воздуха повышается до 10—20° выше нуля. Выше этого слоя она вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) составляет —75, —90°. Далее вновь происходит повы­шение температуры с высотой.
На рис. 6 изображены кривые изменения средней темпера­туры воздуха с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для трех широт: 80, 50 и 20°. Кривые показывают не­однородность строения атмосферы над указанными широтами не только в разные, но в одни и те же сезоны. Легко видеть, что даже в одном сезоне и на одном уровне разности темпе­ратур воздуха между различными широтами превышают 20—30°. При этом неоднородность особенно значительна в слое низких температур в стратосфере (18—30 км), в слое макси­мальных температур в средней мезосфере (50—60 км) и в слое низких температур в верхней мезосфере (75—85 км).

Сезонным распределением температуры обусловлена довольно сложная система воздушных течений в стратосфере и мезосфере.
На рис. 7 приведены кривые изменения средней скорости ветра с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для тех же широтных зон, что и на рис. 6. Кривые показывают значительное различие в распределении скорости и направле­ния ветра в январе и июле. Как видно на рисунке, севернее 20° с. ш. в январе преобладают западные ветры со средними максимальными скоростями более 340 км/час. В июле запад­ные ветры господствуют в тропосфере и нижней стратосфере до высот 18—20 км, а выше они переходят в восточные (на рисунке скорости показаны со знаком минус). В нижней термо­сфере ветры вновь становятся западными. Наоборот, зимой выше уровня мезопаузы западные ветры переходят в восточные.

На тех высотах, где падение температуры с высотой сме­няется изотермией или инверсией, обнаружены облака.
В верхней стратосфере на высотах 20—26 км при опреде­ленных условиях (очевидно, при резко выраженных инверсиях) возникают тонкие и неплотные, так называемые перла­мутровые облака, состоящие из кристалликов льда и пере­охлажденных капелек воды (рис. 8).

Облака обнаружены и на высоте около 80 км, т. е. там, где понижение температуры воздуха с высотой прекращается и начинается ее повышение (см. рис. 6). Здесь под инверсион­ным слоем в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака названы серебристыми (рис. 9).

Предполагается, что серебристые облака состоят из ледяных кристаллов. Они, как и перламутровые облака, по-видимому, возникают благодаря скоплению водяного пара над слоем инверсии температуры (И. А. Хвостиков). Роль ядер конденса­ции здесь, вероятно, играет космическая пыль. Уровень рас­положения серебристых облаков, очевидно, определяется за­держивающим слоем, образующимся в связи с повышением температуры с высотой при переходе из мезосферы в выше лежащий слой — термосферу.
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах (от 50—60 до нескольких сотен километров в час).
Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным с помощью ракет и косвенных мето­дов определения температуры, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220—240°, а на уровне 200 км она превышает 500°. Выше тем­пература продолжает расти и на верхней границе термосферы, на уровне 700—800 км, превышает 1000°. Однако для высоких слоев атмосферы понятие «температура» приобретает иной смысл.
Известно, что температура газа определяется средней ско­ростью движения молекул. В нижней, плотной части атмо­сферы столкновение молекул происходит часто и кинетическая энергия их в среднем одна и та же. Если молекулы воздуха поглощают большое количество лучистой энергии, то они при­обретают большую кинетическую энергию и мгновенно проис­ходит обмен энергией между молекулами. Поэтому они обла­дают одинаковой кинетической энергией, а следовательно, и температурой.
В высоких слоях атмосферы, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энер­гии скорость молекул в промежутке между столкновениями их сильно изменяется; к тому же молекулы легких газов имеют большую скорость, чем молекулы тяжелых газов. Поэтому тем­пература этих газов может быть различной.
Чрезвычайно высокие температуры в термосфере свидетель­ствуют лишь о том, что в этой весьма неплотной среде редкие молекулы перемещаются с огромной скоростью. Тело, находя­щееся здесь, не ощущает даже температур 1000—2000°. В тер­мосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеоритов.
Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60 км является ее ионизация, т. е. наличие в ней огромного количе­ства электрически заряженных частиц — ионов. Атмосфера становится электропроводной вследствие ионизации в тех слу­чаях, когда наблюдается наибольшая концентрация ионов. Так как ионизация характерна для термосферы, последнюю назы­вают также и ионосферой. Ионизация воздуха протекает под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца.
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощ­ных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 320—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизация. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмо­сфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.
По интенсивности процесса ионизации ионосфера делится на ряд слоев. Один из них (слой Е) находится на высоте около 100 км, слои F1 и F2— соответственно на высотах 150—180 и 220—400 км. В слое 60—80 км, т. е. в верхней мезосфере (слой D), процесс ионизации происходит слабее.
Отличительной особенностью ионосферы является ее влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны преломляются, отражаются и поглощаются.
Слой D распространяется до уровня 80 км. Здесь длинные радиоволны поглощаются больше, чем отражаются, что объяс­няется большей плотностью этого слоя. Остальные ионосферные слои (Е, F1 и F2) отражают преимущественно средние и корот­кие радиоволны, особенно слой F2, располагающийся на уровне 220—400 км.
Сильное поглощение коротких радиоволн в ионосфере вы­зывает нарушение радиосвязи. Это явление связано с измене­нием солнечной активности. На Солнце временами возникают солнечные пятна, сопровождающиеся усилением ультрафиоле­тового излучения. При этих процессах увеличивается электрон­ная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению нормальной работы радио­связи на коротких волнах. Объясняется это тем, что при уси­лении излучения Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния, имеющие вид красивых многокра­сочных дуг и драпри, загорающихся в ночном небе преимуще­ственно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопро­вождаются сильными магнитными бурями.
Путем фотографирования полярных сияний из двух пунк­тов, находящихся на расстоянии нескольких десятков кило­метров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно нижний край полярных сияний располагается на вы­соте около 100 км, верхняя их часть обнаруживается на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км.
Несмотря на выяснение природы полярных сияний, остается еще много нерешенных вопросов. До сих пор неизвестны при­чины многообразия форм полярных сияний, игры красок и пр.
При сильных магнитных бурях полярное сияние становится видимым и в средних широтах, а в редких случаях даже в тро­пической зоне. Интенсивное сияние, наблюдавшееся 21 — 22 января 1957 г., было видно почти во всех южных районах СССР.
В 50-х годах с помощью ракет и искусственных спутников Земли впервые удалось произвести зондирование ионосферы. Процессы, происходящие в ионосфере, изучаются и косвенными методами — по интенсивности и характеру таких явлений, как свечение ночного неба, полярные сияния и др.
Экзосфера — сфера рассеяния — самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она изучена менее всего. По данным, полученным с помощью косвенных методов наблюдений и теоретических расчетов, температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.
Еще сравнительно недавно предполагали, что условная гра­ница атмосферы лежит на высоте около 1000 км. Однако по торможению искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см3 содержится до 160 тысяч поло­жительных ионов атомарного кислорода и азота. Это указы­вает, что разреженные слои атмосферы простираются до вы­соты 2000 км и более.
На рис. 10 представлен схематический вертикальный разрез атмосферы; по вертикальной шкале отложены высота и давле­ние воздуха, сплошная кривая характеризует изменение тем­пературы воздуха с высотой. На соответствующих высотах изображены главнейшие явления, наблюдающиеся в атмо­сфере, а также максимальные высоты, достигнутые радиозондами и другими средствами зондирования атмосферы.

Газовый хвост Земли. При высоких температурах на ус­ловной границе атмосферы скорости молекул достигают при­близительно 12 км/сек. При таких скоростях частицы газов . постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это осуществляется в течение длительного времени. Так, например, частицы водорода, по­падая на высоты около 300 км, переходят в межпланетное про­странство в течение нескольких лет, а частицы гелия — в тече­ние миллионов лет. Более тяжелые газы уходят за пределы земной атмосферы еще медленнее.
Исследование ночного свечения неба показывает, что форма воздушной оболочки Земли не шарообразна: рукав чрезвы­чайно разреженных газов наподобие хвоста кометы тянется от внешних слоев земной атмосферы в плоскости эклиптики в неосвещенной стороне нашей планеты. Судя по спектру, газо­вый хвост Земли состоит из кислорода и азота.
Газовый хвост Земли, по-видимому, образуется в резуль­тате давления солнечных лучей на верхние слои атмосферы.
Всего несколько лет назад предполагали, что за пределами земной атмосферы, в межпланетном пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц в них не превышает несколь­ких единиц в 1 см3. В настоящее время установлено, что меж­планетное пространство является сравнительно плотной средой с концентрацией, равной сотням частиц в 1 см3. Однако меж­планетная среда, как и природа газового хвоста Земли, еще не достаточно изучена.

  • ← Методы исследования атмосферы
  • Энергия солнца →

Источник: collectedpapers.com.ua

Основной критерий разделения атмосферы на характерные концентрические сферы — стратификация температуры по высоте относительно уровня океана. График распределения температуры в пределах атмосферы и об­щепринятая классификация ее сфер, отличающихся своими ха­рактеристиками, показаны на ри­сунке 1.1.

Тропосферой называют нижний слой атмосферы, в кото­ром температура обычно умень­шается с увеличением высоты. В экваториальных широтах верх­няя кромка тропосферы может достигать 18 км над уровнем оке­ана, в умеренных широтах она обычно располагается в пределах 10…13 км, а над полюсами может опускаться до 8 км. При некото­рых условиях атмосферной цирку­ляции воздушных масс в отдель­ных ограниченных слоях тропо­сферы можно наблюдать инверсию (увеличение температуры с высотой) или изотермию (температура с высотой не меняется).

Вертикальное строение атмосферы

Рис. 1.1. Вертикальное строение атмосферы

Отличительная черта тропосферы — наличие в ней водяного пара (за пределами тропосферы водяной пар присутствует в не­значительных количествах). Именно поэтому практически только в тропосфере образуется облачность.

В пределах самой тропосферы также выделяются характер­ные слои воздуха. В частности, самый верхний слой толщиной приблизительно в 1 км, в пределах которого наблюдается посто­янство температуры, называют тропопаузой. Слой воздуха от поверхности Земли до 1… 1,5 км обычно выделяют как слой тре­ния (воздуха о земную поверхность), или планетарный погранич­ный слой, а самый нижний слой до высоты 100 м называют при­земным.

Стратосфера располагается над тропопаузой и распрос­траняется примерно до высоты 50 км. Отличительная особенность ее — повышение температуры с высотой. Самый верхний слой стратосферы — стратопауза, где температура практически не ме­няется с высотой. Следует заметить, что водяных паров в стра­тосфере почти не существует и соответственно облачность не развивается.

Мезосфера находится выше стратосферы, в которой тем­пература понижается с высотой. Мезосфера распространяется примерно до высоты 80 км и заканчивается мезопаузой.

Термосфера отличается резким возрастанием температу­ры в ее пределах в связи с очень большими скоростями газовых молекул и атомов. Иногда термосферу называют ионосферой, по­скольку содержание ионов здесь очень велико.

Экзосфера располагается выше термосферы, содержит только очень небольшое число атомов газа, которые движутся здесь с такой скоростью, что преодолевают притяжение Земли и улетают в космическое пространство.

Контрольные вопросы

1. До какой высоты от поверхности земли распространяется атмосфера? 2. Ка­кое значение больше при одинаковых атмосферных условиях — реальной темпе­ратуры воздуха или виртуальной температуры? 3. Где выше верхняя граница ат­мосферы — в районе экватора или полюса? 4. Какие значения температуры, дав­ления и вертикального барического градиента приняты для понятия «междуна­родная стандартная атмосфера»?

Источник: studopedia.ru

  Техническая документация  
 

| на главную | доп. материалы | географическая оболочка |

Атмосферу подразделяют на пять оболочек.

Строение атмосферы
Строение атмосферы

Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Она простирается над полюсами до высоты 8 км, в умеренных широтах — до 10-11 км, над экватором — до 16-17 км. Здесь сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Наблюдаемое понижение температуры в этом слое (в среднем 0,6°С на 100 м) связано с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой внешнего давления, а также с переносом теплоты от земной поверхности. При средней для всей Земли годовой температуре воздуха +15°С на уровне моря, на верхней границе тропосферы она понижается до -56°С. Понижение температуры воздуха, так же как и других метеорологических величин, не всегда выдерживается, а в ряде случаев отклоняется от нормального, образуя инверсии. Последние определяются местными географическими причинами.

Физические свойства воздуха тропосферы во многом обусловлены характером взаимодействия с подстилающей поверхностью. Вследствие непрерывного перемешивания воздуха его состав во всей толще тропосферы постоянный. Тропосфера содержит основное количество всей атмосферной влаги.

Вблизи верхней границы тропосферы располагается переходный слой — тропопауза мощностью около 1 км. Выше тропопаузы не поднимаются вертикальные токи воздуха, обусловленные различиями его нагревания и увлажнения от земной поверхности (атмосферная конвекция).

Выше тропосферы, примерно до 50 км, располагается стратосфера. Ранее ее принимали за изотермический слой со средней температурой -56°С. Однако новые данные показали, что изотермия наблюдается только в ее нижней части, приблизительно до 20 км, а у верхней границы температура повышается до 0°С. Стратосфера охвачена мощной горизонтальной циркуляцией с элементами вертикальных движений, что способствует активному перемешиванию воздуха. Антропогенное загрязнение фактически исключено, но сюда проникают продукты интенсивных вулканических выбросов, сохраняющиеся довольно длительное время и влияющие на космическое излучение, включая солнечное.

Особенностью стратосферы является озоновый слой, в формировании которого принимает участие следующий физико-химический механизм. Поскольку атмосфера избирательно пропускает через себя электромагнитное излучение Солнца, солнечная радиация распределяется на земной поверхности неравномерно. Входящий в состав воздуха кислород взаимодействует с коротковолновой ультрафиолетовой (УФ) радиацией, и когда молекула кислорода О2 поглощает УФ свет достаточной энергии, она распадается:

О2 + УФ свет → О + О

Атомарный кислород очень активен и присоединяет молекулу кислорода, образуя молекулу озона:

атомарный кислород (О) + молекулярный кислород (О2) → озон (О3)

Обычно это происходит на высоте примерно 25-28 км от земной поверхности, где и образуется слой озона. Озон сильно адсорбирует ультрафиолетовые лучи, которые губительны для живых организмов.

В последние годы обнаружено сокращение озона в атмосфере, которое получило название «озоновой дыры». Впервые она была обнаружена над Антарктидой, а затем и в других уголках планеты. Установлено, что со временем эти дыры мигрируют и даже пропадают. Возможно, что их образование и исчезновение представляет собой естественный процесс развития географической оболочки и планеты в целом.

Над стратосферой до высоты 80-90 км располагается мезосфера. Температура в этом слое вновь понижается и достигает -107°С. На высоте 75-90 км наблюдаются «серебристые облака», состоящие из кристалликов льда.

До высоты примерно 800-1000 км располагается термосфера. Здесь температура воздуха снова повышается до 220°С на высоте 150 км и 1500°С — на высоте 600 км. Воздух термосферы состоит преимущественно из азота и кислорода, однако выше 90-100 км короткие волны солнечной радиации вызывают распад молекул О2 на атомы и здесь преобладает атомарный кислород. Выше 325 км азот также диссоциирует. Соотношение между азотом и кислородом, характерное для нижних слоев атмосферы (78 и 21%), на высоте 200 км меняется и составляет соответственно 45 и 55%. Под действием ультрафиолетовых и космических лучей частицы воздуха в термосфере электрически заряжены, с чем связано возникновение полярных сияний. Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны и способствует распространению радиоволн.

Следует отметить, что температуру в разреженном воздухе верхней части атмосферы нельзя отождествлять с температурой у земной поверхности. Ее значения рассчитываются по скорости кинетического движения частиц и она не производит в условиях малой плотности воздуха того термического эффекта, который присущ соответствующим величинам у поверхности Земли.

Выше 1000 км располагается экзосфера. Скорость движения атомов и молекул газов достигает здесь третьей космической скорости (11,2 км/с), что позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве.

Источник: www.pppa.ru


Adblock
detector