Особенности строения атмосферы Земли

Рис. 3.2. Распределение температуры в атмосфере Земли по высоте над уровнем моря

ТРОПОСФЕРА – Простирается от поверхности Земли до высот 10 - 15 км, сосредоточено до 80% всей массы атмосферного воздуха, температура с высотой падает в среднем на 6 °С при подъеме на каждые 1000 м. Содержится почти весь водяной пар атмосферы, в ней возникают почти все облака. Высота, до которой простирается тропосфера, в среднем различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднегодовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10-12 км и над экватором до 15-17 км.

Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности на экваторе около

+26 ° и около -23 ° на северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около -70°, над северным полюсом зимой около -65°, а летом около -45 °. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности.

СТРАТОСФЕРА

Над тропосферой до высоты 50-55 км простирается стратосфера. Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой, достигая на высоте около 50 км значений от +10 до +30 °С. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится весь атмосферный озон.

МЕЗОСФЕРА

Над стратосферой до высот примерно до 80 км лежит слой мезосферы. Температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. В тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе заключается более, чем 99,5% всей массы атмосферы. Мезосфера имеет самую низкую температуру в атмосфере: от - 2 до - 138 ^оС.

ТЕРМОСФЕРА

Верхняя часть атмосферы от 90 до 500 км, характеризуется очень высокими температурами. В ней различаются две слоя: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка 1000 км, и лежащая над нею внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону.

Ионосфера

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Воздух чрезвычайно разрежен: около 10⁹ см^-3 молекул или атомов (на высоте 300-750 км) и 10⁷ см^-3 молекул или атомов (на высоте 600 км). Характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха, содержит заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны (содержание на высотах 100 - 400 км - порядка 10¹⁵ - 10⁶ частиц см-³). В ионосфере электропроводность воздуха в среднем в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности.

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, а также концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70- 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями. Вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. 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 действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов. 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.

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 Земли. Для незаряженных частиц критической скоростью является 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.
Ранее предполагалось, что экзосфера кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но установлено, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км с ничтожно малой плотностью газа..
Радиационные пояса

В верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве установлено существование 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.