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).

Состав сухого воздуха
Азот
Кислород
Аргон
Вода
Углекислый газ
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Водород
Ксенон
Закись азота

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.

Атмосфера - это то, что обеспечивает возможность жизни на Земле. Самые первые сведения и факты об атмосфере мы получаем ещё в начальной школе. В старших классах мы уже подробнее знакомимся с этим понятием на уроках географии.

Понятие земной атмосферы

Атмосфера имеется не только у Земли, но и у других небесных тел. Так называют газовую оболочку, окружающую планеты. Состав этого газового слоя разных планет значительно отличается. Давайте рассмотрим основные сведения и факты об иначе называемой воздухом.

Самой важной её составляющей частью является кислород. Некоторые ошибочно думают, что земная атмосфера состоит полностью из кислорода, но на самом деле воздух - это смесь газов. В его составе 78% азота и 21% кислорода. Остальной один процент включает в себя озон, аргон, углекислый газ, водяные пары. Пусть процентное соотношение этих газов мало, но они выполняют важную функцию - поглощают значительную часть солнечной лучистой энергии, тем самым не дают светилу превратить всё живое на нашей планете в пепел. Свойства атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Например, на высоте 65 км азот составляет 86%, а кислород - 19%.

Состав атмосферы Земли

• Углекислый газ необходим для питания растений. В атмосфере он появляется в результате процесса дыхания живых организмов, гниения, горения. Отсутствие его в составе атмосферы сделало бы невозможным существование любых растений.
• Кислород - жизненно важный для человека компонент атмосферы. Его наличие является условием для существования всех живых организмов. Он составляет около 20% от общего объёма атмосферных газов.
• Озон - это естественный поглотитель солнечного ультрафиолетового излучения, которое пагубно влияет на живые организмы. Большая его часть формирует отдельный слой атмосферы - озоновый экран. В последнее время деятельность человека приводит к тому, что начинает постепенно разрушаться, но так как он имеет большую важность, то ведётся активная работа по его сохранению и восстановлению.
• Водяной пар определяет влажность воздуха. Его содержание может быть разным в зависимости от различных факторов: температуры воздуха, территориального расположения, сезона. При низкой температуре водяного пара в воздухе совсем мало, может быть меньше одного процента, а при высокой его количество достигает 4%.
• Кроме всего вышеперечисленного, в составе земной атмосферы всегда присутствует определённый процент твёрдых и жидких примесей . Это сажа, пепел, морская соль, пыль, капли воды, микроорганизмы. Попадать в воздух они могут как естественным, так и антропогенным путём.

Слои атмосферы

И температура, и плотность, и качественный состав воздуха неодинаковый на разной высоте. Из-за этого принято выделять разные слои атмосферы. Каждый из них имеет свою характеристику. Давайте узнаем, какие слои атмосферы различают:

• Тропосфера - этот слой атмосферы находится ближе всего к поверхности Земли. Высота его - 8-10 км над полюсами и 16-18 км - в тропиках. Здесь находится 90% всего водяного пара, который имеется в атмосфере, поэтому происходит активное образование облаков. Также в этом слое наблюдаются такие процессы, как движение воздуха (ветра), турбулентность, конвекция. Температура колеблется от +45 градусов в полдень в тёплое время года в тропиках до -65 градусов на полюсах.
• Стратосфера - второй по отдалённости от слой атмосферы. Находится на высоте от 11 до 50 км. В нижнем слое стратосферы температура приблизительно -55, в сторону удаления от Земли она повышается до +1˚С. Эта область называется инверсией и является границей стратосферы и мезосферы.
• Мезосфера располагается на высоте от 50 до 90 км. Температура на её нижней границе - около 0, на верхней достигает -80...-90 ˚С. Метеориты, попадающие в атмосферу Земли, полностью сгорают в мезосфере, из-за этого здесь происходят свечения воздуха.
• Термосфера имеет толщину приблизительно 700 км. В этом слое атмосферы возникают северные сияния. Появляются они за счёт под действием космического излучения и радиации, исходящей от Солнца.
• Экзосфера - это зона рассеивания воздуха. Здесь концентрация газов небольшая и происходит их постепенный уход в межпланетное пространство.

Границей между земной атмосферой и космическими просторами принято считать рубеж в 100 км. Эту черту называют линией Кармана.

Давление атмосферы

Слушая прогноз погоды, мы часто слышим показатели атмосферного давления. Но что означает давление атмосферы, и как на нас это может повлиять?

Мы разобрались, что воздух состоит из газов и примесей. Каждая из этих составляющих имеет свой вес, а значит, и атмосфера не невесома, как считали до XVII века. Атмосферное давление - это сила, с которой все слои атмосферы давят на поверхность Земли и на все предметы.

Учёные провели сложные подсчёты и доказали, что на один квадратный метр площади атмосфера давит с силой 10 333 кг. Значит, человеческое тело подвержено давлению воздуха, вес которого равен 12-15 тонн. Почему же мы не ощущаем этого? Спасает нас своё внутреннее давление, которое и уравновешивает внешнее. Можно ощутить давление атмосферы, находясь в самолёте или высоко в горах, так как атмосферное давление на высоте значительно меньше. При этом возможен физический дискомфорт, закладывание ушей, головокружение.

Об атмосфере, окружающей можно сказать много всего. Мы знаем о ней множество интересных фактов, и некоторые из них могут казаться удивительными:

• Вес земной атмосферы составляет 5 300 000 000 000 000 тонн.
• Она способствует передаче звука. На высоте больше 100 км это свойство исчезает из-за изменения состава атмосферы.
• Движение атмосферы спровоцировано неравномерным нагревом поверхности Земли.
• Для определения температуры воздуха используют термометр, а для того, чтобы узнать силу давления атмосферы, - барометр.
• Наличие атмосферы спасает нашу планету от 100 тонн метеоритов ежедневно.
• Состав воздуха был фиксированным несколько сотен миллионов лет, но стал изменяться с началом бурной производственной деятельности.
• Считается, что атмосфера простирается вверх на высоту 3000 км.

Значение атмосферы для человека

Физиологическая зона атмосферы составляет 5 км. На высоте 5000 м над уровнем моря у человека начинает проявляться кислородное голодание, что выражается в снижении его работоспособности и ухудшении самочувствия. Это показывает то, что человек не сможет выжить в пространстве, где нет этой удивительной смеси газов.

Все сведения и факты об атмосфере только подтверждают её важность для людей. Благодаря её наличию и появилась возможность развития жизни на Земле. Уже сегодня, оценив масштабы вреда, который человечество способно своими действиями наносить дающему жизнь воздуху, нам следует задуматься о дальнейших мерах сохранения и восстановления атмосферы.

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.

Стратосфера — это один из верхних слоев воздушной оболочки нашей планеты. Она начинается на высоте примерно 11 км над землей. Здесь уже не летают самолеты пассажирской авиации и крайне редко образуются облака. В стратосфере располагается озоновый слой Земли - тонкая оболочка, защищающая планету от проникновения губительного ультрафиолета.

Воздушная оболочка планеты

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, прилегающую внутренней поверхностью к гидросфере и земной коре. Внешняя граница ее постепенно переходит в космическое пространство. Состав атмосферы включает газы: азот, кислород, аргон, углекислый газ и так далее, — а также примеси в виде пыли, капель воды, кристаллов льда, продуктов горения. Соотношение основных элементов воздушной оболочки сохраняется постоянным. Исключение составляют углекислый газ и вода — их количество в атмосфере нередко меняется.

Слои газовой оболочки

Атмосферу подразделяют на несколько слоев, располагающихся друг над другом и имеющих особенности в составе:

пограничный слой — непосредственно прилегает к поверхности планеты, простирается до высоты в 1-2 км;

тропосфера — второй слой, внешняя граница в среднем располагается на высоте 11 км, здесь сконцентрирован практически весь водяной пар атмосферы, образуются облака, возникают циклоны и антициклоны, по мере увеличения высоты подает температура;

тропопауза — переходный слой, характеризующийся прекращением снижения температуры;

стратосфера — это слой, простирающийся до высоты 50 км и делящийся на три зоны: с 11 до 25 км температура меняется незначительно, с 25 до 40 — температура повышается, с 40 до 50 — температура остается постоянной (стратопауза);

мезосфера простирается на высоту до 80-90 км;

термосфера достигает отметки 700-800 км над уровнем моря, здесь на высоте 100 км располагается линия Кармана, которую принимают за границу между атмосферой Земли и космосом;

экзосфера также называется зоной рассеяния, здесь сильно теряет частицы вещества, и они улетают в космос.

Изменения температуры в стратосфере

Итак, стратосфера — это часть газовой оболочки планеты, следующая за тропосферой. Здесь температура воздуха, постоянная на протяжении тропопаузы, начинает изменяться. Высота стратосферы составляет примерно 40 км. Нижняя граница — 11 км над уровнем моря. Начиная с этой отметки, температура претерпевает небольшие изменения. На высоте 25 км показатель нагрева начинает медленно расти. К отметке 40 км над уровнем моря температура повышается от -56,5º до +0,8ºС. Далее она остается близкой к нулю градусов вплоть до высоты 50-55 км. Зона между 40 и 55 километрами называется стратопаузой, поскольку температура здесь не меняется. Она является переходной зоной от стратосферы к мезосфере.

Особенности стратосферы

Стратосфера Земли содержит около 20% массы всей атмосферы. Воздух здесь настолько разрежен, что пребывание человека без специального скафандра невозможно. Этот факт — одна из причин, по которой полеты в стратосферу стали осуществляться лишь сравнительно недавно.

Другая особенность газовой оболочки планеты на высоте 11-50 км заключается в очень небольшом количестве водяного пара. В стратосфере по этой причине практически никогда не образуются облака. Для них просто нет строительного материала. Однако редко все же можно наблюдать так называемые перламутровые облака, которыми «украшается» стратосфера (фото представлено ниже) на высоте 20-30 км над уровнем моря. Тонкие, как бы светящиеся изнутри образования можно наблюдать после заката или перед восходом. Формой перламутровые облака похожи на перистые или перисто-кучевые.

Озоновый слой Земли

Главная отличительная черта стратосферы — это максимальная во всей атмосфере концентрация озона. Он формируется под действием солнечных лучей и защищает все живое на планете от их губительного излучения. Озоновый слой Земли располагается на высоте 20-25 км над уровнем моря. Молекулы О 3 распределены во всей стратосфере и даже есть у поверхности планеты, однако на этом уровне наблюдается их наибольшая концентрация.

Нужно заметить, что озоновый слой Земли составляет всего 3-4 мм. Такой будет его толщина, если разместить частицы этого газа в условиях нормального давления, например, у поверхности планеты. Озон образуется в результате распада молекулы кислорода под действием ультрафиолета на два атома. Один из них соединяется с «полноценной» молекулой и образуется озон — О 3 .

Опасный защитник

Таким образом, сегодня стратосфера — это более изведанный слой атмосферы, нежели в начале прошлого века. Однако по-прежнему не очень понятным остается будущее озонового слоя, без которого не возникла бы жизнь на Земле. Пока страны сокращают производство фреона, одни ученые говорят, что это не принесет особой пользы, по крайней мере, такими темпами, а другие, что это и вовсе не нужно, поскольку основная часть вредных веществ образуется естественным путем. Кто прав — рассудит время.

Слои атмосферы по порядку от поверхности Земли

Роль атмосферы в жизни Земли

Атмосфера является источником кислорода, которым дышат люди. Однако при подъеме на высоту общее атмосферное давление падает, что приводит к снижению парциального кислородного давления.

Лёгкие человека содержат приблизительно три литра альвеолярного воздуха. Если атмосферное давление в норме, то парциальное кислородное давление в альвеолярном воздухе будет составлять 11 мм рт. ст., давление углекислых газов - 40 мм рт. ст., а водяных паров - 47 мм рт. ст. При увеличении высоты кислородное давление понижается, а давление паров воды и углекислоты в лёгких в сумме будет оставаться постоянным - приблизительно 87 мм рт. ст. Когда давление воздуха сравняется с этой величиной, кислород прекратит поступать в лёгкие.

В связи со снижением атмосферного давления на высоте 20 км, здесь будет кипеть вода и межтканевая жидкость организма в человеческом теле. Если не использовать герметическую кабину, на такой высоте человек погибнет практически мгновенно. Поэтому с точки зрения физиологических особенностей человеческого организма, «космос» берёт начало с высоты 20 км над уровнем моря.

Роль атмосферы в жизни Земли очень велика. Так, например, благодаря плотным воздушным слоям - тропосфере и стратосфере, люди защищены от радиационного воздействия. В космосе, в разреженном воздухе, на высоте свыше 36 км, действует ионизирующая радиация. На высоте свыше 40 км - ультрафиолетовая.

При подъёме над поверхностью Земли на высоту свыше 90-100 км будет наблюдаться постепенное ослабление, а затем и полное исчезновение привычных для человека явлений, наблюдаемых в нижнем атмосферном слое:

Не распространяется звук.

Отсутствует аэродинамическая сила и сопротивление.

Тепло не передаётся конвекцией и т. д.

Атмосферный слой защищает Землю и все живые организмы от космической радиации, от метеоритов, отвечает за регулирование сезонных температурных колебаний, уравновешивание и выравнивание суточных. При отсутствии атмосферы на Земле суточная температура колебалась бы в пределах +/-200С˚. Атмосферный слой - это животворный «буфер» между земной поверхностью и космосом, носитель влаги и тепла, в атмосфере происходят процессы фотосинтеза и обмена энергии - важнейших биосферных процессов.

Слои атмосферы по порядку от поверхности Земли

Атмосфера - это слоистая структура, представляющая собой следующие слои атмосферы по порядку от поверхности Земли:

Тропосфера.

Стратосфера.

Мезосфера.

Термосфера.

Экзосфера

Каждый слой не имеет между собой резких границ, а на их высоту влияет широта и времена года. Такая слоистая структура образовалась в результате температурных изменений на различных высотах. Именно благодаря атмосфере мы видим мерцающие звезды.

Строение атмосферы Земли по слоям:

Из чего состоит атмосфера Земли?

Каждый атмосферный слой отличается температурой, плотностью и составом. Общая толщина атмосферы составляет 1,5-2,0 тыс. км. Из чего состоит атмосфера Земли? В настоящее время - это смесь газов с различными примесями.

Тропосфера

Строение атмосферы Земли начинается с тропосферы, которая представляет собой нижнюю часть атмосферы высотой примерно 10-15 км. Здесь сосредоточена основная часть атмосферного воздуха. Характерная черта тропосферы - падение температуры на 0,6 ˚C по мере поднятия вверх на каждые 100 метров. Тропосфера сосредоточила в себе практически все атмосферные водяные пары, и здесь же происходит формирование облаков.

Высота тропосферы ежедневно изменяется. Кроме того, её средняя величина меняется в зависимости от широты и сезона года. Средняя высота тропосферы над полюсами - 9 км, над экватором - около 17 км. Показатели средней годовой температуры воздуха над экватором приближены к +26 ˚C, а над Северным полюсом -23 ˚C. Верхняя линия границы тропосферы над экватором составляет среднегодовую температуру около -70 ˚C, а над северным полюсом в летнее время -45 ˚Cи в зимнее -65 ˚C. Таким образом, чем больше высота, тем ниже температура. Лучи солнца беспрепятственно проходят сквозь тропосферу, нагревая поверхность Земли. Тепло, излучаемое солнцем, удерживаются благодаря углекислому газу, метану и водяным парам.

Стратосфера

Над слоем тропосферы расположена стратосфера, составляющая 50-55 км в высоту. Особенность этого слоя заключается в росте температуры с высотой. Между тропосферой и стратосферой пролегает переходная прослойка, называющаяся тропопаузой.

Приблизительно с высоты 25 километров температура стратосферного слоя начинает возрастать и, при достижении максимальной высоты 50 км приобретает значения от +10 до +30 ˚C.

Паров воды в стратосфере очень мало. Иногда на высоте около 25 км можно обнаружить довольно тонкие облака, которые называют «перламутровыми». В дневное время они не заметны, а в ночное - светятся из-за освещения солнцем, которое находится под горизонтом. Состав перламутровых облаков представляет собой переохлаждённые водяные капельки. Стратосфера состоит в основном из озона.

Мезосфера

Высота слоя мезосферы - приблизительно 80 км. Здесь, с поднятием кверху, температура понижается и на самой верхней границе достигает значений в несколько десятков С˚ ниже нуля. В мезосфере также можно наблюдать облака, которые, предположительно, образуются из кристаллов льда. Эти облака называются «серебристыми». Мезосфера характеризуется самой холодной температурой в атмосфере: от -2 до -138 ˚C.

Термосфера

Своё название этот атмосферный слой приобрёл благодаря высоким температурам. Термосфера состоит из:

Ионосферы.

Экзосферы.

Ионосфера характеризуется разреженным воздухом, каждый сантиметр которого на высоте 300 км состоит из 1 млрд атомов и молекул, а на высоте 600 км - более, чем из 100 млн.

Также ионосфере характерна высокая ионизация воздуха. Эти ионы состоят из заряженных кислородных атомов, заряженных молекул атомов азота и свободных электронов.

Экзосфера

С высоты 800-1000 км начинается экзосферный слой. Частицы газа, особенно лёгкие, движутся здесь с огромной скоростью, преодолевая силу тяжести. Такие частицы, вследствие своего быстрого движения, вылетают из атмосферы в космическое пространство и рассеиваются. Поэтому экзосфера имеет название сферы рассеивания. Вылетают в космос преимущественно водородные атомы, из которых состоят наиболее высокие слои экзосферы. Благодаря частицам в верхних слоях атмосферы и частицам солнечного ветра мы можем наблюдать северное сияние.

Спутники и геофизические ракеты позволили установить наличие в верхних слоях атмосферы радиационного пояса планеты, состоящего из электрических заряженных частиц - электронов и протонов.