Строение атмосферы

В вертикальном направлении атмосферу делят на ряд основных слоев.

1. По распределению температуры (рисунок 6):

· тропосфера (до 9–17 км);

· стратосфера (до 50–55 км);

· мезосфера (до 80-85 км);

· термосфера (до 800 км);

· экзосфера.

2. По физико-химическим процессам:

· озоносфера (10–50 км);

· нейтросфера (0–70 км);

· ионосфера (выше 60–70 км);

· хемосфера (0-нижняя термосфера).

3. По кинетическим процессам:

· экзосфера (выше 600–1000 км);

· земная корона (>2000 км).

4. По составу:

· гомосфера (0–100 км);

· гетеросфера (>100 км).

Атмосферу удобно подразделять на сферические слои, «сферы», каждый из которых характеризуется изменением температуры с высотой. Верхние границы этих сфер называют «паузами».

Тропосфера (гр. tropos – поворот + сфера) нижняя, основная часть атмосферы, особенно подверженная воздействию со стороны земной поверхности. Характеризуется убыванием температуры с высотой со средним вертикальным градиентом 0,65ºС/100м, хотя и встречаются неглубокие инверсии. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 10–12 км в умеренных широтах, до 8–10 км в полярных и до 16–18 км в тропических.

В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха. В тропосфере развиты турбулентность и конвекция; сосредоточена преобладающая масса водяного пара, здесь возникают все основные виды облаков. Для нижней части тропосферы характерно сильное запыление воздуха.

В тропосфере выделяют приземный слой и слой трения.

Приземный слой – нижняя часть тропосферы – от земной поверхности до 50–100 м (в некоторых случаях до 20–250 м). В приземном слое наблюдаются вертикальные градиенты скорости ветра, температуры, влажности в десятки и сотни раз больше, чем в вышележащих слоях, но убывающие кверху. Резкие колебания температуры в течение суток.

Слой трения – нижний слой атмосферы, начинающийся от земной поверхности, свойства которого определяются динамическими и термическими свойствами этой поверхности. Его толщина от 300–400 до 1500–2000 м (в среднем 1000 м). Она тем больше, чем больше шероховатость земной поверхности и чем интенсивнее развитие турбулентности. Поэтому увеличивается с усилением ветра и с уменьшением устойчивости стратификации. Вследствие уменьшения с высотой турбулентного трения в слое возрастает с высотой скорость ветра, приближаясь к скорости градиентного ветра на верхней границе слоя трения.

В тропосфере формируются воздушные массы и фронты, развиваются циклоны и антициклоны, частично распространяющиеся и на стратосферу. Тропосфера включает слой, в котором обитает все живое.

Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна над разными широтами и в разные сезоны года. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около 26ºС на экваторе и около -23ºС на Северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура -70ºС, над Северным полюсом зимой -65ºС, летом -45ºС. давление на верхней границе тропосферы в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности.

Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет. Переходный слой между тропосферой и стратосферой называется тропопауза. Границы этого слоя часто не различимы отчетливо. Поэтому чаще тропопаузой называют верхнюю поверхность тропосферы, где вертикальный градиент температуры убывает до 0,2ºС/100м и ниже (и остается таким же по крайней мере в ближайших 2 км).

Зимой тропопауза ниже, чем летом, кроме того ее высота колеблется при прохождении циклонов (уменьшается) и антициклонов (увеличивается) до 2 км, даже более. Тропопауза часто имеет слоистую структуру (первая, вторая и т.д.). Слои разделены поверхностями с вертикальным градиентом не менее 0,3ºС/100м и толщиной не менее 1 км. Особенно часто такие разрывы тропопаузы встречаются в субтропической зоне (связаны с субтропическими струйными течениями).

Различают низкую и теплую полярную тропопаузу и высокую и холодную тропическую тропопаузу. Тропопауза была открыта в 1899г.

Стратосфера (лат. stratum – слой + сфера). Название этого слоя отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего вне тропосферы.

Стратосфера – это атмосферный слой между тропосферой и мезосферой, от тропопаузы до высоты 50–55 км. Отличается распределением температур близким к изотермическому в нижней части и повышением температуры с высотой в верхней.

Положение нижней границы стратосферы меняется в зависимости от широты, времени года и циклонической деятельности.

Выделяется нижняя стратосфера – от тропопаузы до стратонуля (около 24 км, поверхность, на которой меридиональный градиент температуры минимален, а, следовательно, скорость ветра также минимальна). Выше расположена верхняя стратосфера, где наблюдается быстрый рост температуры с высотой, достигая на верхней границе стратосферы значений между -20 и +20ºС.

В нижней стратосфере преобладают западные ветры, в верхней – восточные.

Процентное содержание газов (постоянных) в стратосфере мало отличаются от тропосферного. Содержание водяного пара ничтожно. Однако на высотах 22–27 км в высоких широтах иногда наблюдаются так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, т.к. освещаются Солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капель.

Озона в стратосфере даже по абсолютным значениям больше, чем в тропосфере, а на высотах 25–35 км наблюдается максимальная концентрация озона. Таким образом, стратосфера более или менее совпадает с озоносферой.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до высоты 85–95 (80–85) км. Во всей мезосфере температура убывает с высотой от уровня 55 км до мезопаузы, где наблюдается минимум температур (до -90ºС). Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (82–85 км) образуются особого рода облака, также освещаемые Солнцем в ночной период – серебристые. Скорее всего, они состоят из ледяных кристаллов.

На уровне мезопаузы, отделяющей мезосферу от термосферы, давление в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в слое воздуха до высоты 80км (тропо-, страто-, мезосфера вместе) заключается 99,5% всей массы атмосферы.

На высоте 60–90км расположен слой D – нижний ионизированный слой с концентрацией электронов 10-10³ электр./см³.

Термосфера (греч. therme – тепло + сфера) простирается от уровня 80 км до верхней границы атмосферы.

Характеризуется очень высокими температурами. Воздух в термосфере чрезвычайно разрежен. Его плотность составляет 10^-11–10^-13 кг/м³, но и при такой малой плотности каждый см³ воздуха на высоте 300 км содержит около 1 млрд. (10⁹) молекул или атомов, а на высоте 600 км – свыше 10 млн. (10⁷). Температура быстро растет с высотой, и на высоте 200-300 км температура составляет 1500ºС.

Высокие температуры в тропосфере обеспечиваются непосредственным поглощением солнечной радиации с длинами волн менее 200 нм. В тропосфере ярко выражены изменения температуры, зависящие от суточного хода радиации, солнечной активности и цикла солнечных пятен.

Динамика этой области атмосферы еще недостаточно изучена. Физические процессы здесь сложны и включают образование, распад и ионизацию составляющих газов, а также такие эффекты как северное сияние, вызываемое корпускулярным излучением Солнца.

Ионосфера (греч. ion – идущий + сфера) характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную разреженность воздуха.

Открыл Хевисайд в 1902 г. (слой Хевисайда).

Ионы представляют собой заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы NO и свободные электроны. Их содержание на высоте 100–400 км достигает 10⁶–10¹⁵ частиц/см³.

Выделяют 4 слоя:

· D Н=60–90 км (ночью исчезает) О₂^- и N₂^-

· E Н=90–120 км О₂^- и N₂^-

· F₁ Н=160–200 км О^-, Не²⁺ и Н⁺

· F₂ Н=200–400 км О^-, Не²⁺ и Н⁺

Положение ионосферных слоев и концентрации ионов в них постоянно меняются. От степени концентрации ионов (ионизации) зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере она в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти через ионосферу (они отражаются на высоте 70–90 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими слоями.

В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе свечение ночного неба – постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также ионосферные магнитные бури.

Температура в ионосфере растет с высотой. Говоря о больших температурах в ионосфере, имеют в виду, что частицы атмосферных газов двигаются там с очень большой скоростью. Но плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом.

Экзосфера – сфера рассеяния (от греч. ekso – снаружи, вне+ сфера) – атмосферный слой с высоты более 800–1000 км. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики. Поскольку плотность воздуха в этом слое очень мала, то частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собой. Отдельные частицы могут при этом преодолевать силу тяжести и вылетать из атмосферы (улетучиваться). Ускользанию подвергаются в первую очередь атомы водорода.

Земная корона – внешняя область земной атмосферы, расположенная над экзосферой или рассматриваемая как ее верхняя часть. Простирается от 1–2 до 20 тыс. км (и более). Состоит из ускользающего из атмосферы (экзосферы) ионизированного водорода (1000 ионов/см³), также небольшого количества нейтрального водорода. Ниже 2 тыс. км содержит также ионизированный кислород О₂ и азот N₂.

В области земной короны расположена нижняя часть радиационного пояса Земли.