Земная поверхность окружена прилегающей к ней газовой оболочкой, принимающей участие во вращении Земли вокруг своей оси. На атмосферу Земли действуют различные физические процессы и силы, которые особым образом проявляются в этой воздушной среде.
Воздух, в отличие от воды, сжимаем. Силы гравитации в атмосфере проявляются особым образом. С высотой плотность воздуха убывает и атмосфера постепенно, без резких границ теряет свою плотность. Но присутствие воздуха — чем выше, тем всё более разряженного — обнаруживается до очень больших высот.
Атмосфера или воздушная оболочка Земли простирается от её поверхности в космическое пространство на расстояния более трёх земных радиусов (средний радиус Земли равен 6371 км). Масса земной атмосферы составляет 5,157 × 1015 т и представляет собой механическую смесь газов. Основная масса атмосферы (около 99 %) сосредоточена в слое до 30 км от земной поверхности.
Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Основными из них по объёмному содержанию (в %) являются:
- азот (N2) — 78,084;
- кислород (O2) — 20,948;
- аргон (Ar) — 0,934;
- углекислый газ (CO2) — 0,031;
а также
- неон (Ne) — 1,818 × 10-3;
- гелий (He) — 524,0 × 10-6;
- криптон (Kr) — 114,0 × 10-6;
- ксенон (Xe) — 8,7 × 10-6;
- водород (H2) — 50,0 × 10-6;
- закись азота (N2O) — 50,0 × 10-6;
- метан (CH4) — 0,2 × 10-3;
- озон (O3) — летом до 7,0 × 10-6, зимой до 2,0 × 10-6
- и другие газы, в том числе водяной пар (Н2О).
На долю трёх основных газов (N2, O2, Ar) приходится 99,96 % массы атмосферы и лишь 0,04 % — на долю всех остальных газов.
Малые газовые составляющие (МГС) в небольшом количестве постоянно присутствуют в атмосфере. Они иногда довольно активны в разных реакциях и химических превращениях и сильно поглощают инфракрасную радиацию.
Необходимо отметить, что такие газы как озон (O3) и диоксид углерода (CO2) оказывают очень большое влияние на процессы формирования погоды и климата.
Озон (O3) деятельно взаимодействует с другими МГС. Заметно поглощая радиацию с λ = 9,6 мкм, этот газ может влиять на температуру атмосферы и климат.
Диоксид углерода (CO2) хорошо перемешан в атмосфере, концентрация этого газа постоянно растёт. Он играет очень важную роль в радиационном балансе и изменчивости климата Земли.
К МГС можно также отнести и весьма активный в радиационном и химическом отношениях водяной пар.
В земной атмосфере, в смеси различных газов находится множество взвешенных твёрдых и жидких частиц. Это частички как природного или естественного происхождения, так и частицы от результатов промышленной или антропогенной деятельности.
В воздухе присутствуют частицы морской соли и пыли, продукты горения и испарения, ядра конденсации и кристаллизации, а также различные примеси, которые называются атмосферным аэрозолем.
Антропогенные примеси, поступающие в атмосферу в результате хозяйственной деятельности, могут быть представлены широким спектром окислов и диоксидов. Среди этих примесей большое значение имеет диоксид серы — продукт сжигания содержащего серу каменного угля и т. п. Газ SO2 сравнительно недолговечен в тропосфере, он легко окисляется в SO3 и вымывается из неё в виде серой кислоты (кислотные дожди).
По химическому составу, размерам, форме и физическим свойствам все эти частицы весьма разнообразны. Некоторые из них могут быть электрически заряжены. К их числу следует отнести ионы.
Ионы в атмосфере образуются в результате ионизации газов, входящих в состав воздуха, когда под воздействием ионизатора молекуле или атому газа сообщается энергия, достаточная для того, чтобы удалить один из наружных валентных электронов атома из сферы действия ядра. В результате этого первоначально электрически нейтральный атом становится положительно заряженным. Выделившийся же электрон почти мгновенно присоединяется к одному из нейтральных атомов окружающей среды и образует отрицательный ион. Указанным путём образуются попарно положительный и отрицательный ионы.
Атмосфера Земли в пространстве не является однородной. Её состав, состояние и свойства значительно изменяются как с высотой, так и в горизонтальном направлении, при переходе от одних точек к другим.
По признаку взаимодействия с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой (слой трения) и свободную атмосферу. В свободной атмосфере трение практически отсутствует, а влияния подстилающей поверхности почти нет.
Тем не менее, в атмосфере различают ещё ряд слоёв, наиболее крупные из которых получили названия сфер.
По составу, температурному режиму, влажности, давлению, электрическим характеристикам и другим физическим свойствам и признакам атмосфера в вертикальном направлении имеет целый ряд особенностей.
По характеру распределения температуры воздуха с высотой земная атмосфера делится на следующие основные и переходные слои:
- Тропосфера (средняя высота слоя около 10 км);
тропопауза (толщина слоя 1–2 км). - Стратосфера (средняя высота слоя 11–50 км);
стратопауза (толщина слоя до 5 км). - Мезосфера (средняя высота слоя 55–80 км);
мезопауза (толщина слоя до 5 км). - Термосфера (средняя высота слоя 85–800 км);
Термопауза. - Экзосфера (высоты больше 800 км).
Схема строения атмосферы Земли (близкая к стандартной атмосфере), представленная на рис. 1.1, показывает особенности изменения температуры воздуха на различных высотах и в различных сферах.
Тропосфера — это нижний слой атмосферы, он простирается от поверхности Земли до высоты примерно 16,3 км в тропиках (30º с. ш. и 30º ю. ш.), достигая наибольших значений в районе экватора, а наименьших — в полярных областях Северного и Южного полушарий (8–10 км). Именно в этом слое сосредоточено ¾ основной массы земной атмосферы.
Верхняя граница тропосферы изменяется существенно в зависимости от географической широты, времени года, свойств земной поверхности и особенностей атмосферной циркуляции. В умеренных широтах её средняя высота составляет примерно 10–11 км. Давление воздуха в тропосфере падает с высотой и на высоте около 5 км составляет примерно ½ от приземного давления — на уровне моря.
Нижний пограничный слой тропосферы толщиной всего 1,0–1,5 км называют планетарным пограничным слоем. В этом слое происходит основной обмен импульсом, теплом и влагой между подстилающей поверхностью (суши и океана) и атмосферой. Наиболее активно эти процессы протекают в нижнем слое подстилающей поверхности (30–50 м). Его называют приземным или приводным слоем.
Наиболее характерной особенностью тропосферы является наблюдаемое в ней понижение температуры воздуха с высотой (около 6º на 1 км). На верхней границе тропосферы температура воздуха достигает −50–70 ºС. В этом слое атмосферы находится почти весь водяной пар. При его конденсации образуются облака, осадки и некоторые явления погоды, ухудшающие видимость в атмосфере.
В тропосфере происходят основные процессы преобразования энергии Солнца в кинетическую энергию атмосферных движений, в скрытое тепло водяного пара. В ней содержится почти весь водяной пар и формируются процессы погоды. Здесь активно протекают основные фазовые переходы влаги, происходит непрерывный круговорот воды в природе (испарение и конденсация водяного пара), формируются облака и осадки, возникают различные явления погоды, что, в свою очередь, приводит к формированию поверхностного стока рек и стока подземных вод. В этом слое формируются элементы общей циркуляции атмосферы, возникают различные атмосферные вихри, в которых проявляются условия погоды различного масштаба и характера.
Тропопауза — переходный слой, отделяющий тропосферу от стратосферы. В этом слое атмосферы падение температуры воздуха с высотой замедляется или прекращается.
Стратосфера располагается выше тропопаузы и характеризуется тем, что в ней температура с высотой остаётся почти неизменной или повышается. В средних широтах наиболее низкая её температура, как и температура тропопаузы, равна примерно −50–60 ºC. С высоты около 35 км происходит значительный рост температуры, и к слою тропопаузы она повышается до 0 ºC. Этот рост температуры обусловлен поглощением солнечной радиации в слое озона, расположенном на этих высотах.
В стратосфере наблюдается бóльшая устойчивость атмосферы по сравнению с тропосферой. Вертикальные движения и перемешивание внутри этого слоя достаточно слабые. Стратосфера обычно очень суха и на высоте 20 км над тропиками концентрация водяного пара составляет всего 2 млн-1 (по объёму), а над полярными широтами — около 5 млн-1. На верхней границе стратосферы её температура составляет около 270 ºК.
Над слоем стратопаузы, выше 55 км, располагается мезосфера, в которой температура понижается с высотой и опускается до −70 ºC в её верхней части. Это способствует конденсации водяного пара и образованию на высоте около 80 км серебристых (мезосферных) облаков. В мезосфере уже отмечается повышенная ионизация газов (D-слой ионосферы), сильно зависящая от активности Солнца.
Мезопауза расположена примерно на высоте 80–85 км. Затем имеет место переход от мезосферы к простирающейся выше термосфере.
Термосфера — это слой большой мощности. В нём происходит непрерывный рост температуры с высотой до верхней границы, располагающейся на высоте в несколько сотен километров. Во всём слое термосферы температура воздуха положительна, а на верхней границе составляет в среднем 1000–1500 ºК.
В термосфере, на высоте более 100 км, существенно меняется состав воздуха. Здесь распадаются все молекулы Н2О и СО2, и значительная доля молекул О2 диссоциирует на атомы О. В этом слое усиливается ионизация частиц газов (возникает так называемый слой ионосферы Е, а на ещё бóльших высотах — слой F). Движение частиц тут зависит от приливных сил, создаваемых притяжением Солнца и Луны, особенно в низких широтах.
Над термосферой располагаются внешние слои атмосферы — экзосфера. Эта самая наружная сфера характеризуется тем, что в ней происходит ускользание (диссипация) газов из земной атмосферы. Этот слой атмосферы называют также слоем рассеяния. Он простирается до высот 2000–3000 км.
Ранее считалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, исчезает на высоте около 2000–3000 км. Но исследования атмосферы с помощью ракет и спутников показали, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся в космическое пространство более чем до 20 000 км. Установлено, что в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве присутствует радиационный пояс Земли. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия измеряется сотнями тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс Земли теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
По составу воздуха атмосферу делят на гомосферу и гетеросферу.
В гомосфере (слой от земной поверхности до высоты примерно 90–100 км) в связи с турбулентным перемешиванием состав сухого воздуха и его молекулярный вес практически не изменяется с высотой (μ = μ0 = 28,964 кг/кмоль).
В гетеросфере, находящейся выше гомосферы, состав воздуха изменяется под действием диффузного расширения газов и процесса диссоциации молекул. Часть атомов и молекул при этом получает электрический заряд.
В атмосфере также выделяют озоносферу и ионосферу.
Озоносфера. В конце 1950-х годов внимание ученых привлек к себе слой атмосферы, содержащий трёхатомарный кислород — озон (O3). Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).
Основной слой озона, называемый озоносфера, достаточно тонок: если при нормальном давлении и температуре удалось бы сконцентрировать весь распространенный в атмосфере озон, то образовалась бы пленка толщиной всего около 3 мм.
Озоносфера практически полностью поглощает опасное для всего живого жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому на нашей планете существуют условия, благоприятные для развития жизни.
Процесс образования озона (O3) из кислорода (O2) происходит в слоях атмосферы от 15 до 70 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а эти атомы присоединяются к сохранившимся молекулам, образуя трёхатомарные молекулы озона. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоёв при перемешивании воздуха.
Содержание и распределение озона (O3) в атмосфере таково, что у земной поверхности он содержится в ничтожных количествах. С высотой его содержание возрастает, причём не только в процентном отношении, но и по абсолютным значениям. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25–30 км. Выше оно убывает, а на высотах 70 км и более практически исчезает.
С развитием ракетной техники и с наступлением космической эры — эры искусственных спутников Земли (ИСЗ) и других космических аппаратов — появилась возможность непосредственного измерения параметров околоземной космической плазмы, нижней частью которой является ионосфера.
Ионосферой мы называем ионизированную область земной атмосферы, начинающуюся с высот порядка 60 км и простирающуюся до 10 000 км и даже выше. Основной источник ионизации земной атмосферы — ультрафиолетовое излучение Солнца, а также мягкое рентгеновское излучение, главным образом, солнечной короны. Кроме того, влияют на ионизацию верхней атмосферы и корпускулярные потоки, попадающие на Землю от Солнца, а также космические лучи и метеорные частицы.
Ионосфера характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Эти ионы в основном представляют собой заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны.
Ионосфера, слой с повышенной концентрацией ионов, состоит из нескольких слоёв:
Положение этих ионосферных слоёв и концентрация ионов в них всё время меняются (рис. 1.3). От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. В ионосфере электропроводность воздуха в общем в 1012 раз больше, чем у земной поверхности.
Обнаружено, что в некоторых районах земного шара существуют достаточно устойчивые области с пониженной электронной концентрацией, регулярные «ионосферные ветры». В ионосфере возникают своеобразные волновые процессы, переносящие местные возмущения ионосферы на тысячи километров от места их возбуждения, и многое другое.
В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое им по природе свечение ночного неба (постоянная люминесценция атмосферного воздуха), а также резкие колебания магнитного поля (ионосферные магнитные бури). Скопления электронов с особенно большой концентрацией называются электронными облаками.
Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение (рис. 1.4). Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже слоями с небольшой концентрацией ионов в нижней части ионосферы на высотах 70–80 км. Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями.
Именно вследствие отражения от ионосферы и земной поверхности возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение коротких волн позволяет им распространяться на большие расстояния, огибая поверхность земного шара. В зависимости от положения и концентрации ионосферных слоёв меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн.
Вопросы для контроля
- На какие основные слои (геосферы) по вертикали делится атмосфера с учётом характера распределения температуры воздуха с высотой?
- Что называют планетарным пограничным слоем атмосферы?
- Что называют приземным или приводным слоем тропосферы?
- По какому признаку атмосферу делят на гомосферу и гетеросферу?
- Где располагается озоносфера?
- Чем характеризуется ионосфера?
- Что влияет на распространение радиоволн в атмосфере?
Литература
Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]
