Атмосфера земли

Водяного  пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются  иногда в высоких широтах очень  тонкие, так называемые перламутровые  облака. Днем они не видны, а ночью  кажутся светящимися, так как  освещаются солнцем, находящимся под  горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще  тем, что преимущественно в ней  содержится атмосферный озон, о чем  было сказано выше  

ТЕРМОСФЕРА  

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит  название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка  тысячи километров, и лежащая над  нею внешняя часть - экзосфера, переходящая  в земную корону.

Воздух  в ионосфере чрезвычайно разрежен.Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха - содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны.

     В ионосфере выделяется несколько  слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но и  в промежутках между этими  слоями степень ионизации атмосферы  остается очень высокой. Положение  ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией  носят название электронных облаков.

Так же в ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе  свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные магнитные бури.

     Ионизация в ионосфере обязана своим  существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к  возникновению заряженных атомов и  свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в  ионосфере и полярные сияния зависят  от колебаний солнечной активности . С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. 

ЭКЗОСФЕРА

 

Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу  и постепенно в межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а  вследствие чрезвычайной разреженности  воздуха на этих высотах частицы  могут облетать Землю по эллиптическим  орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при  этом иметь скорости, достаточные  для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической  скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, "ускользать", рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Ускользанию подвергаются преимущественно атомы  водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях  экзосферы.

Недавно предполагалось, что экзосфера, и  с нею вообще земная атмосфера, кончается  на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников  создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

С помощью  спутников и геофизических ракет  установлено существование в  верхней части атмосферы и  в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося  на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки  тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем  Земли и движущихся с очень  большими скоростями. Их энергия - порядка  сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в  земной атмосфере и пополняется  потоками солнечной корпускулярной радиации. 
 

Химический  состав атмосферы

 

Химический  состав атмосферы 

Газ                            Объемное содержание      

Водород H2                 ±2·                          

Кислород O2               21 

Озон O3                      

Азот N2                     78.1 

Углекислый  газ CO2    3· 

Водяной пар H2O        ±0.1 

Угарный газ CO          1.2· 

Метан CH4                 1.6· 

Аммиак NH3               ±  

Двуокись  серы SO2    ± 5· 

Гелий He                   5· 

Неон  Ne                    1.8· 

Аргон Ar                    0.9  

Криптон Kr                1.1· 

Ксенон  Xe                 8.7· 

Физика  атмосферы 

Физика  атмосферы, раздел метеорологии, изучающий  физические закономерности процессов  и явлений, происходящих в атмосфере, в том числе определяющих строение и самой атмосферы: свойства составляющих атмосферу газов, поглощение и излучение  ими радиации, распределение температуры  и давления, испарение и конденсацию  водяного пара, образование облаков  и осадков, разнообразные формы  движения в атмосфере и т.д. 

Преобразование  солнечной энергии и теплового  излучения самой атмосферы и  подстилающей поверхности изучаются  актинометрией (в широком смысле этого термина) и атмосферной  оптикой. К последней относятся также и различные оптические явления в атмосфере (сумерки, заря, гало, цвет н поляризация небосвода, видимость предметов и др.). Электрические явления в атмосфере (молнии и др. электрические разряды) и её электрические свойства (проводимость, ионизация, электрические токи, объёмные заряды, заряды облаков и осадков и т.д.) – предмет учения об атмосферном электричестве. Распространение и генерация звука в реальной атмосфере и исследование последней акустическими методами – предмет атмосферной акустики. К Ф. а. относится также физика облаков и микропроцессов, приводящих к образованию твёрдых и жидких аэрозолей, включая искусственное воздействие на атмосферные процессы. 

Взаимодействие  атмосферы с подстилающей поверхностью – океаном или сушей, которое  происходит в нижнем, пограничном  слое атмосферы и результатом  которого является обмен количеством  движения, теплом и влагой, также  изучается Ф. а. В этом взаимодействии определяющую роль играет турбулентность в атмосфере и гидросфере. Процессы в верхней атмосфере, её строение и динамика исследуются физикой  верхней атмосферы или более  широким разделом науки – аэрономией, изучающей также и различные  химические процессы, происходящие в  верхней атмосфере. 

Одна  из основных проблем всех разделов Ф. а. – создание физической основы для численного моделирования различных  атмосферных процессов. В этой связи  наиболее важной является т. н. проблема параметризации – описание различных  мелкомасштабных процессов с  помощью величин, характеризующих  средние атм. условия в более  крупных масштабах, на фоне которых  развиваются изучаемые процессы. Это необходимо при численном  моделировании атмосферных явлений  с помощью ЭВМ. Например, кучевые  облака, размеры которых порядка  нескольких км, играют важную роль при  влаго- и теплообмене в атмосфере, переносе радиации и т.д. В численных моделях их влияние на радиацию, теплообмен и др. процессы в атмосфере параметризуют, т. е. выражают с помощью температуры, ветра, влажности и др. переменных, задаваемых в определённых точках, образующих пространственную сетку численной модели, расстояние между которыми обычно несколько сотен км. Ф. а. занимается также исследованиями атмосфер других планет, что способствует углублению понимания явлений, происходящих в земной атмосфере. 

Структура атмосферы 

Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др.), изменяются прежде всего с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние слои зависят и от географической широты. Давление , так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты, а температура зависит от того, как взаимодействует излучение Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы, а именно — как эти газы поглощают излучения разных длин волн. 

При этом все же большая часть излучения  Солнца, имеющая длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается  атмосферой и доходит до поверхности  Земли, согревая ее. 

Описанные тепловые процессы и график изменения  температуры Т газов по высоте Н относятся только к дневной, освещенной стороне Земли, а на ночной происходит охлаждение. Тем не менее слоистая структура атмосферы сохраняется и ночью, ибо полусуток недостаточно для размывания тропо, страто, мезо, термо и экзосферы. Только полярной ночью атмосфера сложена иначе. 

Высота  слоя тропосферы изменяется от 7—10 км над полюсами до 16—18 км над экваториальными  широтами. Тропосфера содержит практически  весь водяной пар, при конденсации  которого образуется облачность нижняя (до высоты 1 — 2 км), средняя (на высоте 2—4 км) и верхняя (6—10 км). Содержание водяных паров может колебаться от 0 по объему в сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном. 

При нормальном состоянии тропосферы ей присуще  снижение температуры воздуха с  показателем  6,5 °С на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды и СО2. Иногда (при температурной инверсии) на отдельных высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха. 
 

Процессы, происходящие в атмосфере 

Говоря о том, что атмосферный воздух может нагреваться или охлаждаться, соприкасаясь с более теплыми или холодными телами, заимствуя у них или отдавая им теплоту. Нужно упоминуть также о том, что воздух может сам излучать и поглощать энергию в виде энергии видимых или невидимых лучей. Однако существуют и такие процессы, при которых температура воздуха меняется, хотя воздух при этом не получает и не отдает теплоты окружающим телам. 

Процессы, при которых отсутствует теплообмен с окружающей средой, называют адиабатическими. Там же известно, что при адиабатическом расширении газ охлаждается, так как при этом совершается работа против сил внешнего давления, в результате чего внутренняя энергия газа уменьшается. Воздух в восходящем потоке расширяется, так как, поднимаясь, он попадает в области все меньшего давления. 
 

 
 

Этот  процесс происходит практически  без теплообмена с окружающими  слоями воздуха, тоже поднимающимися и  тоже охлаждающимися. Поэтому расширение воздуха в восходящем потоке можно  считать адиабатическим. Итак, подъем воздуха в атмосфере сопровождается его охлаждением. Расчет и измерения  показывают, что подъем воздуха на 100 м сопровождается охлаждением  приблизительно на 1 К. 

Проявления  действия адиабатических процессов  в атмосфере весьма многочисленны  и разнообразны. Пусть, например, воздушный  поток на своем пути встречает  высокий горный хребет и вынужден подниматься по его склонам вверх. Восходящее движение воздуха сопровождается его охлаждением. Поэтому климат горных стран всегда холоднее климата  ближайших равнин, и на больших  высотах господствует вечный мороз. На горах, начиная с известной  высоты (на Кавказе, например, с высоты 3000—3200 м), снег уже не успевает стаять летом и накапливается год  за годом в виде мощных снежников  и ледников. 

Когда воздушная масса опускается, она  сжимается и при сжатии нагревается. Если воздушный поток, перевалив  через горный хребет, спускается вниз, он снова нагревается. Так возникает  фён — теплый ветер, хорошо известный  во всех горных странах — на Кавказе, в Средней Азии, в Швейцарии. По-особому  протекает адиабатический процесс  охлаждения во влажном воздухе. Когда  воздух достигает при своем постепенном  охлаждении точки росы, водяной пар  начинает в нем конденсироваться. Так образуются мельчайшие капли воды, из которых состоит туман или облако. При конденсации выделяется теплота парообразования которая замедляет дальнейшее охлаждение воздуха. Поэтому поднимающийся поток воздуха будет охлаждаться при конденсации пара медленнее, чем тогда, когда воздух совершенно сухой. Адиабатический процесс, при котором идет одновременно конденсация пара, называется влажно-адиабатическим.