2015-04-23
2336
Атмосферой называется газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с нею. Она составляет примерно 1/1000 массы гидросферы и около 1/10000 массы земной коры. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте около 1000 км над уровнем моря; выше располагается так называемая корона земли, простирающаяся на расстояние 20 тыс. км. Более 99% массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое толщиной 40 км (50% в слое толщиной 5,5 км).
Состав и строение атмосферы. Отличительной чертой атмосферы является ее высокая подвижность (время вертикального перемещения в слое толщиной 11 км около 2,5 месяцев), а также постоянство состава главных компонентов и чрезвычайно высокая изменчивость множества малых примесей, содержание которых сильно варьируют как во времени, так и в различных частях атмосферы. В приземном слое на 99,9% по объему воздух состоит (%) из азота (78,084), кислорода (20,948), аргона (0,934) и углекислого газа (0,03). К постоянным компонентам относятся также водород (5 · 10-5) и инертные газы – гелий (5,24 · 10-4), неон (1,818 · 10-3), ксенон (8,7 · 10-6) и криптон (1,14 · 10-4). Присутствуют также метан (1,72 · 10-4), оксиды азота (3,04 · 10-5), серы (< 7 · 10-6). До высоты 20-30 км в атмосфере содержатся пары воды.
Атмосфера имеет сложное строение. Она состоит из ряда оболочек (слоев), которые различаются в зависимости от высоты расположения прежде всего температурой, давлением и степенью ионизации молекул: это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (ионосфера), экзосфера (межпланетное пространство). Отдельные слои атмосферы выделяют на основании хода температуры, неоднократно меняющего свой знак с высотой атмосферы. Границы зон разделены узкими переходными зонами, называемыми тропопаузами. Они строго не фиксируются.
Свойства атмосферы. Давление в атмосфере равномерно уменьшается с высотой. Для описания поведения атмосферных газов в первом приближении может быть использовано уравнение состояния идеального газа
(уравнение Бойля-Мариотта PV = RT). Если V= M, то давление (Р, Н/м2)
связано с плотностью соотношением:
Р = RT/М,
где – плотность газа, кг/м3; R – универсальная газовая постоянная, равная
8,31 Дж/ (К.моль); T – температура, К; М – средняя молекулярная масса газа, кг/кмоль.
Солнечная радиация. Источником почти всей энергии на Земле служит Солнце. Солнечная постоянная – полный поток радиации, поступающей за 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, за пределами атмосферы. Она равна 8,2 Дж/(см2мин). Основное количество энергии Солнца поступает в виде коротковолновой радиации.
Земная атмосфера прозрачна для УФ-радиации в диапазоне 320-400 нм. При поглощении радиации в этом спектральном диапазоне подстилающая поверхность (суша, поверхность океанов) нагревается и, как всякое нагретое тело, в свою очередь излучает в инфракрасном диапазоне.
Интенсивность (I) уходящего излучения определяется законом Стефана –
Больцмана для абсолютно черного тела: I = T4, где – универсальная постоянная Стефана, равна 5,67.10-8 Вт/(м2.К4).
Тепловой баланс атмосферы и подстилающей поверхности. Равновесная температура Земли может быть рассчитана на основании величины солнечной постоянной, отражательной способности (альбедо) и закона Стефана – Больцмана. Поглощенная земной поверхностью энергия равна:
Eп = r3 J (1-A),
где J – интенсивность приходящего солнечного излучения; r – радиус Земли; А – доля отраженного излучения (альбедо).
Излучаемая энергия равна: Eи = 4 r3 T4
Так как имеет место термическое равновесие Eп = Eи, то
T = [J (1-A)/4]1/4
Равновесная температура нашей планеты, вычисленная по последнему уравнению, составляет 254 К, что на 34 К ниже реального значения. Расхождение объясняется тем, что это выражение не учитывает влияния атмосферы на тепловой баланс Земли (излучаемая Землей энергия, рассчитанная в приближении абсолютно черного тела, имеет намного меньшую интенсивность, чем приходящая от Солнца).
Из 1050 ккал энергии, поступающей ежегодно на единицу площади (1см2) на верхней границе атмосферы, 275 ккал отражается облаками и 75 ккал - подстилающей поверхностью (главным образом ледяными шапками
континентов и плавающими льдами). В самой атмосфере молекулами различных газов и частицами аэрозолей поглощается энергия, эквивалентная 250 ккал.
Значительная часть коротковолновой радиации [450 ккал/(см2 в год)] достигает подстилающей поверхности и поглощается ею. Выделившаяся в результате этого энергия переизлучается в атмосферу в форме более длинноволновой ИК-радиации, а также расходуется на испарение воды и конвективное движение масс воздуха.
Общая циркуляция атмосферы. Неравномерность нагревания земной поверхности, зависящая от угла падения солнечных лучей, является основной причиной градиента температуры между высокоширотными (полярными) и экваториальными областями. Наличие такого градиента, а также вращение Земли служат причиной циркуляции атмосферы – сложной системы воздушных течений. Некоторые из них сравнительно устойчивы, тогда как другие постоянно меняют свое направление.
Роль циркуляционных процессов в формировании климатической системы Земли очень велика: благодаря им сглаживаются контрасты температуры, осуществляется перенос водяного пара с океанов на континенты, а также усредняется состав основных компонентов воздуха.
В экваториальных широтах воздушные массы перемещаются в вертикальном направлении. На больших высотах они поворачивают к полюсам и потом вновь опускаются в субтропических широтах. Таким образом, в обоих полушариях формируются замкнутые циркуляционные (пассатные)
ячейки, разделенные в районе экватора так называемой внутритропической
зоной конвергенции. Ширина ее составляет несколько сотен километров, в
течение года она перемещается в полушарие, в котором в настоящее время
лето. Эта зона характеризуется ослаблением ветра и усилением конвекции
и служит препятствием обмену воздушными массами между полушариями. Пассаты – это устойчивые воздушные течения.
В умеренных широтах преобладают течения с запада на восток, включающие
крупные вихри – циклоны и антициклоны.
В стратосфере возникают струйные течения со скоростями ветра до 100-150 м/с. Ширина таких течений составляет несколько сотен километров. Они переносят огромные массы воздуха. В нижних слоях стратосферы существуют течения в направлении от экватора к полюсам – это как бы стратосферное продолжение пассатных ячеек циркуляции.
В высоких широтах обоих полушарий происходит вращение атмосферы вокруг полюсов в направлении с запада на восток. Над Антарктидой в зимний период формируется мощный циркумполярный вихрь, изолирующий южную полярную стратосферу и препятствующий поступлению воздуха из более низких широт.
Под устойчивостью атмосферы понимают стремление и способность
смещенной в вертикальном направлении ячейки вернуться в первоначальное положение.
Ионосфера – э то часть верхней атмосферы, расположена выше 50 км. Верхней границей ионосферы является магнитосфера Земли. Ионосфера представляет собой природное образование разряженной слабоионизированной плазмы (атомные и молекулярные ионы), находящейся в магнитном поле Земли и подвергающейся воздействию ионизирующего излучения Солнца. Благодаря ионосфере возможно распространение радиоволн на далекие расстояния.
Образование ионосферы происходит за счет двух конкурирующих процессов
ионизации частиц до ионов и их рекомбинации: днем – под действием коротковолнового излучения Солнца, ночью – галактических космических лучей, а также корпускулярных потоков (энергия электронов 30-40 кэВ).
Движение потоков заряженных частиц в ионосфере приводят к возникновению турбулентных неоднородностей электронной концентрации.
Движение ионизированных масс и турбулентность ионосферы влияют на распространение радиоволн. Изучает ионосферу наука – аэрономия.
