Строение и состав атмосферы

 

Термин “атмосфера” происходит от греческих слов atmos – пар и sphaira – шар, т.е. газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Тропосфера является самой нижней частью атмосферы. В ней сосредоточено более 0,8 всей массы атмосферы воздуха. Высота тропосферы составляет в среднем 8–10 км в полярных широтах, 10–12 в умеренных и 16–18 в тропических. Атмосферное давление на верхней границе тропосферы составляет от 1/4 до 1/10 от давления на уровне моря. Температура воздуха в этом слое уменьшается в среднем на 0,6ºC на 100 м. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура воздуха равна примерно -55ºC в полярных широтах и -80ºC у экватора. В отдельных случаях распределение температуры по высоте может существенно отличаться от среднего. При некоторых условиях может наблюдаться инверсия температуры, т.е. возрастание ее с высотой.

Скорость ветра в приземном слое тропосферы невелика и возрастает с высотой. В верхних слоях она возрастает примерно в три раза.

Почти вся масса водяного пара атмосферы сосредоточена в тропосфере, поэтому именно в ней возникают почти все облака. В этом же слое содержится почти вся масса атмосферных аэрозолей, включающих в себя частицы пыли, дыма, солей и т.п., поступающих в атмосферу с земной поверхности. Эти частицы являются ядрами конденсации, на которых образуются капли воды и ледяные кристаллы, при определенных условиях выпадающие на земную поверхность в виде осадков. Водяной пар является основным поглотителем инфракрасного излучения земной поверхности.

Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение (рис. 1.1).

 

Поскольку поверхность Земли под воздействием прямой солнечной радиации нагревается до более высоких температур, чем атмосфера, в приземных слоях последней возникают восходящие токи воздуха, поднимающие на большие высоты водяной пар. Нагретый вблизи земной поверхности воздух поднимается в лежащие выше слои. Благодаря этому явлению происходит некоторое выравнивание температуры воздуха между верхними и нижними слоями тропосферу.

Вся деятельность человека и вся живая природа сосредоточены в основном в пределах тропосферы. Самые высокие горы расположены в ее пределах. Даже воздушный транспорт в значительной части своих путей использует тропосферу.

Между тропосферой и вышележащим слоем стратосферой расположен переходный слой – тропопауза. Вертикальная протяженность этого слоя колеблется в пределах от нескольких сотен метров до 2–3 километров. За начальную высоту тропопаузы принимается верхняя граница тропосферы. Расположение тропопаузы зависит от географической широты местности и времени года, ее положение изменяется в соответствии с изменением верхней границы высоты тропосферы.

Стратосфера простирается от тропосферы до мезосферы. Этот слой располагается на высоте от 8–16 до 45–55 км. Температура воздуха в стратосфере растет с высотой. Состав воздуха остается почти тем же, что и в тропосфере, но содержит значительно меньше водяного пара и больше озона. Наибольшая концентрация озона имеет место на высоте от 20 км и выше. Тепловой режим стратосферы в значительно большей мере определяется лучистым теплообменом, чем вертикальным движением воздушных масс. На нижней границе стратосферы температура воздуха изменяется в пределах от -40ºC до -60ºC в полярных и умеренных широтах до -70–80ºC в тропиках. На верхней границе стратосферы температура воздуха близка к 0ºC.

В стратосфере наблюдаются большие скорости ветра и струйные течения, захватывающие и верхнюю часть тропосферы. Летом на высотах более 20–25 км преобладающее направление ветра меняется с западного на восточное. Зимой во всей толще стратосферы господствуют западные ветры. Максимальные скорости ветра наблюдаются у верхней границы стратосферы и достигают зимой 80–100 м/с, а летом 60–80 м/с.

Нижняя часть стратосферы на высоте до 20–25 км отличается повышенным содержанием аэрозольных частиц, заносимых туда при извержении вулканов. Эти частицы сохраняются в этом слое значительно дольше, чем в тропосфере вследствие малого турбулентного обмена между этими слоями и отсутствия процесса их вымывания осадками. На высотах 29–30 км иногда образуются перламутровые облака, состоящие из небольших кристаллов льда или переохлажденных капель воды.

Между стратосферой и мезосферой на высоте приблизительно 50–55 км располагается пограничный слой, называемый стратопаузой. Как и во всех других паузах, температура воздуха в этом слое с высотой практически не изменяется.

Мезосфера располагается на высоте от 50–55 до 80 км. Этот слой характеризуется тем, что в нем температура воздуха падает от 0ºC на его нижней границе до -90ºС на верхней. Выше мезосферы на высоте около 80 км находится мезопауза, переходный слой, в котором прекращается падение температуры воздуха, имеющее место в мезосфере и начинается ее рост в лежащем выше слое – термосфере. В этом слое иногда наблюдаются серебристые облака, представляющие собой ледяные кристаллы, конденсирующиеся на частичках космической пыли. Наблюдения над серебристыми облаками позволяют использовать их для получения сведений о скорости и направлении ветра на высоте их образования. Эти облака обычно появляются на широте 45–50º только в теплое время года и существуют очень недолго.

Термосфера является верхним слоем атмосферы, расположенной между мезопаузой и основанием экзосферы. Этот слой в среднем занимает высоту от 80 до 500 км. Для термосферы характерно повышение температуры с высотой. От мезопаузы до основания экзосферы температура в этом слое возрастает от 200 до 1000 К. Термосфера оказывает тормозящее действие на искусственные спутники Земли. Кроме того, от ее состояния в значительной мере зависит состояние ионосферы.

Ионосфера является частью магнитной оболочки Земли. Она представляет собой ионизированную часть верхней атмосферы, расположенную на высоте приблизительно от 50 до 400 км, ее верхней границей является верхняя часть магнитосферы Земли, т.е. ее магнитного плоя. Ионосфера представляет собой природное образование разреженной ионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающее, благодаря своим свойствам, способностью к распространению и отражению радиоволн. Эти свойства ионосферы позволяют осуществлять дальнюю радиосвязь в коротковолновом диапазоне.

Самой верхней частью атмосферы является экзосфера, сфера рассеяния, т.е. ее внешний, самый разреженный слой, где длина свободного пробега частицы так велика, что эти частицы достигают второй космической скорости и могут рассеиваться в межпланетном пространстве. Масса экзосферы составляет приблизительно 10^-10 массы всей атмосферы. Ее нижняя граница располагается на высоте от 450 до 800 км, а верхняя – на расстоянии нескольких тысяч километров от земной поверхности, там, где концентрация частиц становится такой же, как и в межпланетном пространстве. Экзосфера состоит из ионизированного газа, т.е. из чрезвычайно разреженной плазмы.

Атмосфера по своему составу представляет собой смесь газов, называемой воздухом, водяного пара и твердых частиц, находящихся в ней во взвешенном состоянии. Состав газов, входящих в атмосферу в ее нижнем слое – тропосфере представлен в табл. 1.1.

Кислород и азот в воздухе состоят из двухатомных молекул O₂ и N₂. Воздух, не содержащий водяного пара, называется сухим. Процентный состав сухого воздуха у поверхности Земли практически постоянен, меняется в нем только содержание углекислого газа. В результате процессов горения, дыхания и индустриальных загрязнений его содержание в воздухе может возрасти до 0,1–0,2%.

Таблица 1.1

Состав атмосферы

Газы	Содержание
по объему, %	по массе, %
Азот
Кислород
Аргон
Углекислый газ СО2	0,03	0,03

 

Важнейшим компонентом атмосферы является водяной пар, среднее содержание которого в нижних слоях тропосферы колеблется от 0,2% в полярных областях до 2,5% в районе экватора. Водяной пар поступает в атмосферу путем испарения с водной поверхности, влажной почвы и транспирации. Он поднимается в верхние слои воздуха и переносится воздушными течениями в другие районы. Процентное содержание водяного пара в атмосфере меняется с высотой. Поднимаясь вверх, водяной пар конденсируется, образуя облака. В результате его давление и плотность убывают с высотой значительно быстрее, чем аналогичные параметры других газов, составляющих воздух. Плотность воздуха снижается вдвое на высоте 5–6 км, а плотность водяного пара – на высоте 1,5–2,0 км. На высоте 5 км атмосферное давление воздуха снижается примерно в два раза, а давление водяного пара – в десять раз. На высоте 10–12 км давление воздуха уменьшается в десять раз, а давление водяного пара – в сто раз.

Особую роль в составе атмосферы играет трехатомный изотоп кислорода озон O₃. Вблизи земной поверхности озон содержится в очень небольших количествах, с высотой его содержание возрастает, достигая максимума на высоте 25–30 км. Далее его количество уменьшается и на высоте порядка 70 км сходит на нет. Общее содержание озона в атмосфере очень невелико. Если сконцентрировать весь озон на уровне земной поверхности, то при нормальном атмосферном давлении, его толщина образует слой порядка 3 мм. Несмотря на его столь незначительное количество, роль озона очень велика. Он поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации с длиной волны в диапазоне 0,15–0,29 мкм, что сохраняет существование жизни на Земле. Кроме газов, составляющих атмосферу, в нее проникают и другие газы, образующиеся на земной поверхности при сгорании различных видов топлива, в том числе и угарный газ СО.

Во взвешенном состоянии в атмосфере находятся твердые и жидкие частицы: капли воды и кристаллы, образующиеся при конденсации водяного пара, частицы дыма, сажи и пепла, капли кислот и щелочей, частицы морской соли, микроорганизмы, пыльца и споры растений, а также космическая пыль. За один год на земную поверхность выпадает около 1 млн. тонн космической пыли, попадающей в атмосферу в основном при сгорании метеоритов. В атмосфере присутствуют также и продукты радиоактивного распада, образующиеся при взрывах водородных и атомных бомб.

Около 95% всех твердых примесей в атмосфере составляет мелкая пыль, радиусом менее 5 мкм. Такие частицы могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. На Землю они попадают в основном при выпадении осадков. Наибольшая часть этих аэрозольных примесей содержится в нижних слоях атмосферы. Особенно загрязнен ими воздух больших городов. В каждом кубическом сантиметре воздуха над ними содержатся десятки тысяч таких частиц. В сельской местности их количество исчисляется тысячами, а над океанами и морями – сотнями. С высотой количество аэрозолей уменьшается. На высоте 5–10 км их количество в одном кубическом сантиметре воздуха составляет несколько десятков. Распространение бактерий наиболее велико над крупными промышленными центрами и минимально над океанами.

Процентное содержание основных компонентов сухого воздуха практически не меняется в пределах нижних 100 км. Основными элементами атмосферы в слое от 100 до 310 км являются молекулярный азот, молекулярный и атомарный кислород. На высоте 210 км концентрация атомарного кислорода достигает 77% и более от концентрации молекулярного азота. Верхняя часть термосферы состоит в основном из атомарного азота и кислорода. Выше 600 км преобладающим компонентом является гелий, а на высоте от 2 до 20 тыс. м простирается водородная корона Земли.