атмосфера

Атмосфера — это внешняя газовая оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность. Верхняя граница проходит на высоте 3000 км, где плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе. Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Общий вес атмосферы равен 5,136×10¹⁵ т (по другим источникам — 5,9×10¹⁵ т), что соответствует весу равномерно распределенного по Земле слоя воды в 10 м или слоя ртути толщиной в 76 см. Вес вышележащего столба воздуха определяет величину атмосферного давления, которое у земной поверхности в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм (1013 гПа, или 1013 мбар). Плотность воздуха на уровне моря при температуре 15°С в среднем составляет 1,2255 кг/м³, или 0,0012 г/см³, на высоте 5 км — 0,735 кг/см³, 10 км — 0,411 кг/см³, 20 км — 0,087 кг/см³. На высоте 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд раз меньше, чем у поверхности Земли.

Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях,в несколько раз превосходящих радиус Земли,считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство.Сейчас установлено,что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную«полость»,внутри которой и сосредоточена земная атмосфера.Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык,вероятно выходящий за пределы орбиты Луны,– с противоположной,ночной стороны.Граница 0магнитного поля Земли называется магнитопаузой.С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности,но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы,внешняя оболочка которой называется также магнитосферой,так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы),движение которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно4,5´10¹⁵т. Таким образом,«вес» атмосферы,приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м². Строение.По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна.По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно,если им ничто не препятствует.Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем,так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами,но в данном случае этими факторами можно пренебречь.Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя(внешняя) граница,открытая со стороны межпланетного пространства.Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства.Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией,либо захватывается магнитосферой,либо отталкивается ею.

На атмосферу действует также сила земного притяжения,которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая.На любой высоте над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление монотонно уменьшается; а поскольку оно находится в прямой связи с плотностью, то и плотность воздуха уменьшается с высотой. Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые20 км высоты.Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха.Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые100 км высоты. В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Это происходит при поглощении солнечной ультрафиолетовой радиации кислородом.При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О₃).Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы,называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, как там гораздо меньше молекул газа,и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е.молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника.Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство.На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно,преобладают температуры от 5000°до 10 000°С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения,а следовательно,и высокую температуру,этот разреженный газ не является«горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика. Таким образом,атмосфера состоит из отдельных слоев(т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес.