Космос наполнен энергией. Энергия наполняет пространство неравномерно. Есть места её концентрации и разряжения. Так можно оценить плотность. Планета – упорядоченная система, с максимальной плотностью вещества в центре и с постепенным уменьшением концентрации к периферии. Силы взаимодействия определяют состояние материи, форму, в которой она существует. Физика описывает агрегатное состояние веществ: твердое тело, жидкость, газ и так далее.

Атмосфера - это газовая среда окружающая планету. Атмосфера Земли обеспечивает свободное перемещение и пропускает свет, формирует простор, в котором процветает жизнь.

Участок от поверхности земли до высоты приблизительно 16 километров (от экватора к полюсам меньшее значение, также зависит от сезона) называют тропосферой. Тропосфера слой, в котором сосредоточено около 80% всего воздуха атмосферы и почти весь водяной пар. Именно здесь протекают процессы формирующие погоду. Давление и температура падают с высотой. Причиной понижения температуры воздуха является адиабатический процесс, при расширении газ охлаждается. У верхней границы тропосферы значения могут достигать -50, -60 градусов Цельсия.

Далее начинается Стратосфера. Она распространяется вверх на 50 километров. В этом слое атмосферы температура с высотой увеличивается, приобретая значение в верхней точке около 0 С. Повышение температуры вызвано процессом поглощения озоновым слоем ультрафиолетовых лучей. Излучение вызывает химическую реакцию. Молекулы кислорода распадаются на одиночные атомы, которые могут объединяться с нормальными молекулами кислорода, в итоге появляется озон.

Излучение солнца с длинами волн от 10 до 400 нанометров классифицируется как ультрафиолетовое. Чем короче длина волны УФ излучения, тем большую опасность оно представляет для живых организмов. Только малая доля излучения доходит до поверхности Земли, к тому же менее активная часть её спектра. Такая особенность природы, позволяет человеку получать здоровый солнечный загар.

Следующий слой атмосферы называется Мезосфера. Пределы приблизительно с 50 км до 85 км. В мезосфере концентрация озона, который бы мог задерживать УФ энергию низкая, поэтому температура снова начинает падать с высотой. В пиковой точке температура опускается до -90 С, некоторые источники указывают величину -130 С. В этом слое атмосферы сгорает большинство метеорных тел.

Слой атмосферы, растянувшийся с высоты 85 км на расстояние 600 км от Земли, называется Термосфера. Термосфера первой встречает солнечное излучение, в том числе, так называемый вакуумный ультрафиолет.

Вакуумный УФ задерживается воздушной средой, тем самым нагревает этот слой атмосферы до огромных температур. Однако поскольку давление здесь крайне мало, этот, казалось бы, раскаленный газ не оказывает на объекты такого воздействия как при условиях на поверхности земли. Наоборот предметы, помещенные в такую среду, будут остывать.

На высоте 100 км проходит условная черта «линия Кармана», которую принято считать началом космоса.

В термосфере происходят полярные сияния. В этом слое атмосферы солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем планеты.

Последним слоем атмосферы является Экзосфера, внешняя оболочка, простирающаяся на тысячи километров. Экзосфера практически пустое место, тем не менее, количество атомов блуждающих здесь на порядок больше чем в межпланетном пространстве.

Человек дышит воздухом. Нормальное давление – 760 миллиметров ртутного столба. На высоте 10 000 м давление составляет около 200 мм. рт. ст. На такой высоте человек вероятно может дышать, хотя бы не продолжительное время, но для этого нужна подготовка. Состояние явно будет неработоспособное.

Газовый состав атмосферы: 78 % азот, 21 % кислород, около процента аргон всё остальное – смесь газов представляющих мельчайшую долю от общего количества.

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

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 м 3 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 м 3 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 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л 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 м 1 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 (табл. 14).

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.

Охрана атмосферы

Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.

Стратосфера

Выше тропопаузы до высоты 50 – 60 км расположен слой атмосферы, называемый стратосферой , главной особенностью которой является рост температуры с высотой. В нижней части стратосферы до высоты порядка 25 км температура постоянна или медленно растет с высотой. Стоит отметить, что в зимние месяцы в высоких широтах она даже может слабо падать. Но с высоты 34 – 36 км температура начинает расти быстрее. Это возрастание продолжается до верхней границы стратосферы, именуемой стратопаузой . Здесь стратосфера почти такая же теплая, как и воздух у поверхности Земли.

Возрастание температуры с высотой приводит к большой устойчивости стратосферы: здесь нет упорядоченных (конвективных) вертикальных движений воздуха и его активного перемешивания, что свойственно для тропосферы. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения типа медленного оседания или подъема иногда охватывают слои стратосферы, занимающие огромные пространства.

Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22 – 24 км в высоких широтах иногда наблюдаются . Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются Солнцем, находящимся под горизонтом. Считается, что эти облака состоят из переохлажденных капель.

Состав воздуха в стратосфере практически такой же, как и в тропосфере, но есть отличие. В стратосфере наблюдается повышенное содержание озона – неустойчивого газа, молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Озоновый слой сформировался и поддерживается взаимодействием ультрафиолетового излучения Солнца с молекулами обычного кислорода и служит надежным экраном на пути этого губительного для всего живого излучения. Из-за наличия слоя озона в стратосфере она может быть также названа озоносферой .

…Когда-то обнаруженное в тропосфере падение температуры с высотой ошибочно считалось свойством всей атмосферы, что объяснялось удалением от нагреваемой Солнцем земной поверхности. Но первые же подъемы шаров-зондов с инструментами на борту дали неожиданные данные. Оказалось, что температура понижается примерно до высоты 10 км, после чего она практически не меняется, а затем начинает даже несколько повышаться. Эти данные шли вразрез с установившимися представлениями о вертикальном изменении температуры в атмосфере. Приборы перед запусками шаров-зондов стали проверять более тщательно, практиковались также ночные запуски, исключающие нагрев приборов Солнцем. Однако все новые и новые пуски приносили одни и те же данные о том, что падение температуры с высотой прекращается. В результате пришлось согласиться с тем фактом, что законы, действующие в нижней части атмосферы, перестают работать выше определенной высоты. Таким образом, атмосферу впервые поделили на слои. Тот слой, в котором температура с высотой понижается, назвали тропосферой, а слой атмосферы, в котором температура переставала понижаться с высотой – стратосферой. Учитывая то, что шары-зонды имели значительные ограничения по высоте подъема, они не могли достичь следующего слоя атмосферы – мезосферы , в которой температура снова начинает понижаться по мере подъема. В результате стратосферой стали считать всю верхнюю атмосферу.

Стоит отметить, что переход от тропосферы к стратосфере не происходит резко. Между ними лежит промежуточный слой, толщиной до нескольких километров, в котором прекращается падение температуры с высотой и начинается слой изотермии. Этот слой называется тропопаузой .

Причину роста температуры в стратосфере обнаружили не сразу. Им оказался обнаруженный еще в 1785 году газ, получивший в 1840 году название – озон . В результате поглощения солнечной энергии, происходящей уже в верхней части слоя озона, температура атмосферы на этих высотах повышается, и слой озона является своего рода резервуаром тепла в атмосфере. Содержание озона в нижних слоях атмосферы (до высоты 10 км) ничтожно. А его набольшее содержание приходится на высоты 20 – 25 км. Молекулы озона не встречаются на высотах более 60 км. Данные о содержании озона на высотах получали весьма интересным способом: на шаре-зонде или метеорологической ракете устанавливался спектрограф, регистрирующий спектр Солнца. Известно, что при наблюдениях с поверхности Земли спектр Солнца обрывается в ультрафиолетовой части. Когда стало ясно, что это связано с поглощением озоном солнечного ультрафиолета, логичным методом оценки содержания озона на высотах стали запуски зондов и ракет со спектрографами на борту.

Повышение температуры в стратосфере начинается примерно от 30 км и продолжается до 40 – 50 км, где находится верхняя часть озонного слоя. Несмотря на то, что озона здесь меньше, чем на более низких уровнях, именно эта часть слоя обращена к Солнцу и нагревается сильнее поглощаемыми ею ультрафиолетовыми лучами.

Установленное по результатам зондирования повышение температуры на высоте около 40 – 50 км было подтверждено в 1920 году, когда 9 мая в Москве произошел сильный взрыв артиллерийских складов. Звук от взрыва был хорошо слышен вблизи Москвы – на расстоянии до 60 км, а затем снова на большом расстоянии в пунктах, расположенных кольцом вокруг города. Между этими двумя зонами слышимости имелась «зона молчания» шириной в 100 км, где взрыв совсем не был слышен. Профессор В.И. Виткевич исследовал это явление и пришел к выводу, что такое распределение слышимости звука может наблюдаться при условии его отражения от слоев атмосферы, распложенных на высоте 40 – 50 км. Но при этом температура отражающих слоев должна быть около плюс 40 – 50 градусов.

Мы уже упоминали о важной роли озонового слоя в сохранении жизни на Земле. Но в 1985 году ученые обнародовали сенсационное известие: над Антарктидой обнаружена озоновая дыра диаметром свыше 1000 км! Ежегодно она появлялась здесь в августе, а к декабрю – январю прекращался свое существование. Меньших размеров озоновая дыра была обнаружена и над Арктикой. Стоит отметить, что изменения озонового слоя, его уменьшение, вызвано не только влиянием антропогенных факторов. Существующие естественные изменения волновой активности и динамики стратосферы значительно влияют на вариации озона во времени. Межгодовые вариации общего содержания озона (ОСО) в глобальном масштабе являются индикаторами изменений климата. Например, заметное уменьшение содержания озона в период между 1979 – 1994 гг. над Западной Европой, Восточной Сибирью и востоком США связаны с потеплением климата в этих районах, в увеличение содержания озона в области Лабрадора – с похолоданием в Гренландии и Западной Атлантике.

Существуют также связи между вариациями ОСО в одних географических районах и приземными температурными аномалиями – в других. Например, анализ межгодовых вариаций ОСО в январе и приземной температуры в феврале 1979 – 1994 гг. показал, что для того, чтобы предсказать какая погода (холодная или теплая) будет в феврале в Западной Сибири, нужно смотреть на содержание озона в точке к западу от Англии (50° с.ш., 10° з.д.).

Первые подъемы шаров-зондов до достигавшейся ими предельной высоты опказали, что общий ход температуры выше тропопаузы был достаточно постоянным. Отсюда был сделан вывод о том, что на этих высотах отсутствует (или почти отсутствует) вертикальное перемешивание воздуха. Более поздние высокие радиозондовые подъемы позволили обнаружить значительные сезонные (муссонные) изменения градиента температуры экватор – полюс и связанные с ними изменения режима давления и ветра. Другое важное открытие связано с обнаруженным в стратосфере, прежде всего в зимней стратосфере, значительные внутрисезонные изменения температуры, ветра и содержания озона. Особенно ярко эти внутрисезонные изменения проявляются в так называемых взрывных потеплениях в стратосфере высоких широт.

Первые важные данные о ветрах в нижней стратосфере в ее экваториальной части дало извержение вулкана Кракатао 27 августа 1883г., в результате которого в атмосферу было выброшено огромное количество вулканической пыли. Это обстоятельство позволило получить начальные сведения о некоторых особенностях стратосферы низких широт.

Движение вулканической пыли показало, что в экваториальной зоне не только на уровне моря, но и в нижней стратосфере зональная составляющая ветра направлена с востока на запад, причем скорость этих восточных потоков в нижней стратосфере достигает значительных величин (25 – 50 м/сек). Эти стратосферные восточные ветры получили название ветров Кракатао . Ветры Кракатао огибают весь земной шар в экваториальных (15° с.ш. – 15° ю.ш.) широтах на высотах 25 – 40 км.

В 1909 году экспедицией Ван-Берсона в Центральной Африке впервые были обнаружены западные ветры в тропической стратосфере. Последующие наблюдения показали как наличие восточных ветров Кракатао в тропической стратосфере, так и появление под ними западных ветров Берсона . Западные ветры Берсона также были обнаружены при серии атомных испытаний на Маршалловых островах. Последующие исследования показали, что ветры в нижней тропической стратосфере меняют направление между восточным и западным с периодом около 26 – 27 месяцев. Так была установлена квазидвухлетняя цикличность , когда в слое тропической стратосферы от 18 – 20 км до 35 км в течение примерно одного года господствуют ветры восточных направлений, а в течение следующего года – западных. Квазидвухлетняя цикличность особенно отчетливо выражена в зоне 8 – 10° по обе стороны от экватора и имеет наибольшую амплитуду на уровне около 23 км, где средняя продолжительность цикла составляет около 26 месяцев. Каждый из зональных переносов появляется раньше всего в верхних слоях, на уровне около 35 км, и постепенно со скоростью 1 – 1,5 км в месяц распространяется вниз.

В верхней тропической стратосфере позднее была обнаружена шестимесячная цикличность, которая находится в определенной связи с двухлетней.

Новейшие исследования стратосферы, как было отмечено выше, обнаруживают значительную взаимосвязь между ней и тропосферой. Например, некоторые работы показали, что распространение климатического сигнала из тропосферы в стратосферу происходит довольно быстро – в течение 3 – 10 суток. После этого в стратосфере аномальный сигнал существует намного дольше (15 – 40 суток), что дает основания для долгосрочного прогноза погоды по параметрам стратосферы.

Литература:
П.Н. Тверской. Курс метеорологии. Гидрометеоиздат, 1962.
Атмосфера Земли. Сборник. Москва, 1953.
А.Л. Кац. Циркуляция в стратосфере и мезосфере. Гидрометеоиздат, 1968.
Использованы также материалы журналов «Метеорология и гидрология» и «Наука и жизнь».

Атмосфера Земли

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера ), окружающая планету Земля . Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору , внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы . Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология , а длительными вариациями климата - климатология .

Строение атмосферы

Строение атмосферы

Тропосфера

Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы. Содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция , возникают облака , развиваются циклоны и антициклоны . Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии ). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0° С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой .

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера

Атмосфера Земли

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов , колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Мезопауза

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.

Термосфера

Основная статья : Термосфера

Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния ») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород.

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера (сфера рассеяния)

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация ).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~1500 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000-3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум , который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу . Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера . Граница между этими слоями называется турбопаузой , она лежит на высоте около 120 км.

Физические свойства

Толщина атмосферы - примерно 2000 - 3000 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха - (5,1-5,3)×10 18 кг. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966. Давление при 0 °C на уровне моря 101,325 кПа ; критическая температура ?140,7 °C; критическое давление 3,7 МПа; C p 1,0048×10 3 Дж/(кг·К)(при 0 °C), C v 0,7159×10 3 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде при 0 °C - 0,036 %, при 25 °C - 0,22 %.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа - 40 мм рт. ст., а паров воды - 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным - около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19-20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15-19 км.

Плотные слои воздуха - тропосфера и стратосфера - защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация - первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли, постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают, такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60-90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100-130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл, там проходит условная Линия Кармана за которой начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение .

Состав атмосферы

Состав сухого воздуха

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2).

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO 2 , NH 3 , СО, озон , углеводороды , HCl , HF , пары Hg , I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль ).

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли во времени пребывала в четырёх различных составах. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия ), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера (около четырех миллиардов лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком , водяным паром ). Так образовалась вторичная атмосфера (около трех миллиардов лет до наших дней). Эта атмосфера была восстановительной. Далее процесс образования атмосферы определялся следующими факторами:

утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство ;

химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы , характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим - азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Азот

Образование большого количества N 2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным О 2 , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также N 2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и др. азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N 2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зеленые водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Кислород

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов , в результате фотосинтеза , сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений - аммиака, углеводородов, закисной формы железа , содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере , литосфере и биосфере , это событие получило название Кислородная катастрофа .

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Углекислый газ

Содержание в атмосфере СО 2 зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, но более всего - от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли . Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4×10 12 тонн ) образуется за счет углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане , в болотах и в лесах органика превращается в уголь , нефть и природный газ . (см.Геохимический цикл углерода )

Благородные газы

Источник инертных газов - аргона , гелия и криптона - вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом и атмосфера в частности обеднены инертными газами по сравнению с космосом. Считается, что причина этого заключена в непрерывной утечке газов в межпланетное пространство.

Загрязнение атмосферы

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек . Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО 2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО 2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 50 - 60 лет количество СО 2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата .

Сжигание топлива - основной источник и загрязняющих газов (СО , NO , SO 2 ). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO 3 в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н 2 SO 4 ) и сульфат аммония ((NH 4 ) 2 SO 4 ) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH 3 CH 2 ) 4 ) ).

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу - одна из возможных причин изменений климата планеты.

Выше мы познакомились с особенностями распределения средней температуры воздуха у поверхности земли зимой и летом. Поле температуры во всей тропосфере принципиально мало отличается от поля температуры у земной поверхности. Однако в стратосфере режим температуры иной, поскольку условия прогревания воздуха здесь отличны от тропосферных.

Для удобства представления распределения средней температуры воздуха во всей толще тропосферы, а также в крупных слоях стратосферы на всем земном шаре пользуются картами относительной барической топографии. Этими картами изображаются высоты между поверхностями одинакового атмосферного давления (изобарическими поверхностями). Высоты эти, выраженные в геопотенциальных метрах V , пропорциональны средней температуре слоя между взятыми изобарическими поверхностями. Поэтому изолинии на картах относительной барической тополь графии (ОТ) по существу являются изотермами средней температуры воздуха во взятом слое. Малым значением геопотенциала соответствуют области холода, большим значениям- области тепла.

Тропосфера. На рисунках 22 и 23 представлены средние карты относительной топографии между поверхностями 300 и 1000 мб (ОТ 300/1000) для января и июля. Так как поверхность 300 мб расположена вблизи уровня 9 км, а 1000 мб - у поверхности земли, то приведенные здесь карты характеризуют среднюю температуру слоя воздуха толщиной около 9 /еж, т. е. значительную часть тропосферы.

Рассмотрим некоторые особенности распределения средней температуры в тропосфере в январе и июле по приведенным картам относительной топографии. Независимо от времени года в соответствии с условиями притока солнечной энергии в Арктике и Антарктике воздух значительно холоднее, чем в низких широтах. Поэтому горизонтальные градиенты температуры во всей тропосфере направлены от низких широт к высоким, а широкая область тепла занимает экваториальную зону. Северной зимой (рис. 22) она несколько сдвинута в сторону южного полушария, а северным летом (рис. 23) - в сторону северного полушария. Вместе с тем густота изогипс указывает, что зимой как в северном, так и в южном полушариях величина горизонтального градиента температуры больше, чем летом.

Распределение средней январской и июльской температуры в нижнем 9-километровом слое атмосферы несколько отличается от распределения средней температуры в те же месяцы у поверхности земли. На картах относительной топографии никак не отражена весьма сложная форма изотерм, вызванная влиянием подстилающей поверхности, которую мы видели на картах температуры у поверхности земли (см. рис. 16 и 18). Однако влияние материков и океанов распространяется на всю тропосферу, что четко проявляется в конфигурации изогипс относительного геопотенциала, которые в январе располагаются не вдоль широт, а значительно изогнуты. При этом над охлажденными материками северного полушария располагаются ложбины холода, а над тепловыми океанами - гребни тепла. Средняя температура 9-километрового слоя в январе в экваториальной зоне - около 0°, а в Арктике и Антарктике она равна -39° и -30° соответственно.

В июле температура вдоль параллелей над материками и океанами в северном полушарии почти выравнивается. Это находит отражение на форме изогипс ОТ 300/1000, которые принимают почти широтное положение (рис. 23). Небольшие ложбины холода можно обнаружить лишь над северными, относительно холодными частями Атлантики и Тихого океана. В низких широтах над Северной Америкой и югом Азии вследствие интенсивного прогревания воздушных масс обособляются замкнутые области тепла.

Средняя температура слоя летом в тропиках превышает 0°, а в Арктике и Антарктике достигает -20° и -43° соответственно.

Те же особенности структуры поля температуры можно обнаружить на материках южного полушария, с той только разницей, что там они выражены слабее ввиду малых размеров материков.

Стратосфера. За последние годы существенно изменилось представление о стратосфере как о спокойной среде с малой

турбулентностью и изотермией. Уже в начале 50-х годов ряд авторов отмечал, что на режим температуры в стратосфере, помимо лучистого теплообмена, оказывает влияние горизонтальный перенос воздуха (адвекция) и адиабатические процессы сжатия и расширения воздуха, обусловленные вертикальными движениями.

Радиозондовые и ракетные наблюдения в период Международного Геофизического Года (МГГ) и позднее показали, что температура и ветер в стратосфере претерпевают резкие изменения не только в зависимости от сезонов года, но и внутри каждого из них, особенно в холодное время года. Исследования показали, что сезонное поле температуры определяется главным образом лучистым теплообменом, а его внутрисезонные изменения - адвекцией и динамикой атмосферных процессов.

Карты относительной топографии выше тропопаузы дают общую картину распределения температуры. Здесь мы ограничимся приведением лишь двух карт относительной топографии, представляющих поле температуры в слое между изобарическими поверхностями 10 и 100 мб, т. е. между высотами 30 и 16 км, для января и июля (рис. 24 и 25).

Различия между этими и предшествующими картами (рис. 22 и 23), представляющими поле температуры за те же месяцы в тропосфере, выражаются в, неодинаковой густоте изолиний и несовпадении очагов холода и тепла. На картах января (рис. 24 и 22) в стратосфере, как и в тропосфере, на севере расположен очаг холода, что, как уже указывалось, объясняется охлаждением воздуха в слое озона в условиях полярной ночи. Однако конфигурация изогипс (изотерм) различна, так как в тропосфере температура воздуха определяется притоком тепла от подстилающей поверхности (холодные материки и теплые океаны), а в стратосфере - непосредственным поглощением солнечной энергии. Поэтому здесь в январе очаг холода обнаруживается в центре Арктики, где стоит полярная ночь. Вторая широкая область холода охватывает почти все низкие широты - там, где тропосфера распространяется до высот 16-18 км, температура воздуха понижается до -70°, -80°. Сравнительно теплее в стратосфере средних широт северного полушария, поскольку выше тропопаузы, на уровне 10-11 км, температура не подвергается существенным изменениям с высотой, оставаясь в среднем в пределах -50°, -60°.

Интересно, что северной зимой (декабрь - февраль) в стратосфере над Антарктикой образуется обширная область тепла, обусловленная нагреванием воздуха в слое озона в течение полярного дня южным летом.

К июню - августу поле температуры в слое 16-30 км (ОТ 10 100) резко меняется (рис. 25). Как и в тропосфере, в нижней стратосфере над высокими широтами южного полушария формируется область холода, вызванная охлаждением воздуха в слое озона в условиях полярной ночи. В Арктике в это время года, наоборот, температура воздуха достигает наибольших величин, а экваториальная зона, как и в декабре - феврале, является очагом холода.

Заметим, что зона тепла обнаруживается в южном полушарий между широтами 20 и 40°, возникновение которой аналогично образованию такой же области в северном полушарии в декабре - феврале. Еще небольшой очаг тепла возникает над Центральной Азией благодаря интенсивному нагреву воздуха над пустынями и горными хребтами.

Таким образом, полоса сравнительно высоких температур в обоих полушариях зимой характерна для нижней половины стратосферы. Она выделяется на фоне низких значений температур полярной области и экваториальной зоны. В высоких широтах область холода формируется во время полярной ночи вследствие охлаждения воздуха в слое 20-30 км до -65°, -75° в Арктике и до -75°, -80°- в Антарктике. Низкие температуры в экваториальной зоне связаны с высоким положением тропопаузы.

Вместе с тем данные ракетного зондирования атмосферы показывают, что упомянутые зоны тепла в стратосфере обнаруживаемые зимой в обоих полушариях между широтами 30 и 50°, с высотой смещаются в сторону низких широт. Это нашло отражение на вертикальном разрезе атмосферы (рис. 5). Например, на высоте 30 км эта зона тепла уже находится над тропиками, а на высоте 40 км над экватором теплее, чем над остальными частями зимнего полушария. Наиболее высокие температуры (около 5°) наблюдаются на уровне 50 км над низкими широтами. На этом уровне над средними широтами они составляют в среднем -10°, -20°, а в районе полюса ниже -20°.

Как показывает карта ОТ 10 / 100 (рис. 24), упомянутая выше зимняя зона тепла в северном полушарии над Тихим океаном смещена к северу, к широтам 40-60° и обособлена. Внутри этой области температура воздуха заметно выше, чем над всеми другими районами полушария.

В южном полушарии нет даже признаков подобной аномалии температуры в стратосфере. Здесь зона тепла зимой ограничена широтами 20-40° ю. ш., а градиент температуры направлен из высоких широт в сторону экваториальной зоны. Характер поля температуры в северном полушарии определяется, главным образом, условиями атмосферной циркуляции.

Летом распределение температуры в нижней стратосфере резко отличается от зимнего (см. рис. 25). В соответствии с условиями теплообмена летом и радиационных условий полярного дня воздух в северном полушарии нагревается настолько, что горизонтальный градиент средней температуры в стратосфере

бывает направлен от полюса к экватору. Как видим, это характерно для обоих полушарий.

В средней стратосфере, т. е. в слое между поверхностями 10 и 100 мб, картина по существу не меняется, поскольку условия лучистого теплообмена в формировании поля температуры приблизительно одинаковы в нижней и средней стратосфере.