Общие сведения. Вертикальная протяженность атмосферы составляет 60-70 тыс. Км

Вертикальная протяженность атмосферы составляет 60-70 тыс.км. Резкой верхней границы атмосферы не существует. Атмосфера постепенно переходит в межпланетную среду. Общая масса атмосферы оценивается в 5.15*10¹⁸ кг, что составляет примерно одну миллионную массы Земли.

Толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, однако большая часть массы атмосферы сосредоточена в тонком слое, прилегающем к земной поверхности. Примерно 50% всей массы атмосферы заключено в слое от земной поверхности до высоты 5 км, 75% - до высоты 10 км, 90% - до высоты 16 км, 95% - до высоты 20 км, 99% - до высоты 30-35 км.

Незначительная толщина основного (по массе) слоя атмосферы по сравнению с ее горизонтальной протяженностью приводит к тому, что вертикальные масштабы наблюдаемых в атмосфере явлений и процессов оказываются гораздо меньше горизонтальных: воздушные массы, циклоны, антициклоны по горизонтали занимают области в сотни и тысячи км, а по вертикали распространяются только на несколько км.

1.1. Принципы деления атмосферы на слои.

Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородно как по вертикали, так и по горизонтали. Изменяются такие физические величины, как температура, давление, плотность, влажность, скорость ветра и т.п. Наиболее резко они изменяются по вертикали. Так, температура при подъеме на каждый км понижается в среднем на 6.5 С, а в горизонтальном направлении на столько же она изменяется на расстоянии 500-600 км. Вследствие этого при делении атмосферы на слои на первое место выступает неоднородность по вертикали.

В настоящее время атмосферу делят на слои по меньшей мере по четырем признакам. Это термический режим атмосферы, состав атмосферного воздуха и наличие заряженных частиц, характер взаимодействия атмосферы с земной поверхностью, влияние атмосферы на летательные аппараты.

По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на 5 слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Средние высоты этих слоев указаны в таблице.

Отметим, что могут наблюдаться значительные отклонения в зависимости от широты, времени года, метеорологической ситуации и т. д. В частности, высота тропопаузы зависит от широты: в тропиках она порядка 16–17 км, в средних широтах – 9–12 км, в полярных широтах – 8– 9 км.

Таблица. Основные и переходные слои.

По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу и гетеросферу. В первом из этих слоев, заключенном между земной поверхностью и высотой 95 км, относительный состав газов и относительная молекулярная масса воздуха практически не изменяется с высотой. В гетеросфере (на высотах более 95 км) наряду с молекулярным азотом N₂ и кислородом О₂ появляются атомарный азот N и кислород О. В связи с этим молекулярная масса воздуха в гетеросфере уменьшается с высотой.

Таблица 1.7. Содержание (в % по объему) основных газов в воздухе на больших высотах [22].

Все газы, составляющие земную атмосферу, принято разбивать на 3 группы – основные газовые составляющие, малые газовые составляющие (МГС) и свободные радикалы. МГС − это газовые компоненты, постоянно присутствующие в атмосфере, но их содержание может варьироваться во времени и пространстве. К МГС относят прежде всего H₂O (водяной пар), CO₂ (углекислый газ) и O₃ (озон) − соединения, сильно поглощающие электромагнитное излучение и активно участвующие в различных реакциях и химических превращениях. В силу этих свойств они играют большую роль в формировании климата нашей планеты.

Помимо газов, существенной компонентой атмосферы Земли (и ряда других планет) является атмосферный аэрозоль [11, 13, 34, 31, 43, 50]. Аэрозолем в физике называют смесь воздуха и частиц (твердых, жидких), находящихся в динамическом равновесии. В метеорологии и физике атмосферы под аэрозолем понимают сами частицы, взвешенные в воздухе. Таким образом, аэрозоль (аэрозоли) – твердые и жидкие мелкие частицы, взвешенные в воздухе, весьма разнообразного состава, формы, размеров и свойств: водяные капли и ледяные кристаллы облаков, пыль, поднятая с поверхности Земли, а также выброшенная вулканами или образовавшаяся из вулканических газов, метеоритная пыль, частицы солей морской воды, частицы, возникающие в результате производственной деятельности и т. д. Скорость их падения (оседания) мала, а их поверхность велика, что является, в частности, причиной их активного участия в химических и фотохимических реакциях с МГС и радикалами.

По признаку газового состава атмосферы принято также отдельно выделять озоносферу (15–55 км), в которой сосредоточена основная масса такого важного атмосферного газа как озон. Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Несмотря на то, что в стратосфере озона относительно мало, он играет чрезвычайно важную роль в защите живых организмов от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Образование озона - эндотермическая реакция. Она происходит при поглощении энергии опасных для всего живого квантов УФ-света с длиной волны менее 180 нм (вспомните рис. 2-12 из главы 2, показывающий диапазоны солнечного спектра). Таким образом, озон служит "фильтром" опасного УФ-излучения. Заметную роль играет озон и в тепловом балансе Земли. Вы уже знаете, что образование озона – эндотермическая реакция, его разложение – реакция экзотермическая, происходящая с выделением тепла. По разным оценкам от 5 до 8% разогрева земной атмосферы за счет парниковых газов приходится на превращения озона.

На высотах больше 70 км распад Н₂О под влиянием радиации Солнца (l £ 165 мкм) уменьшает содержание водяного пара. Однако на высотах около 80 км (в мезосфере) влажность бывает достаточной, и там образуются серебристые облака, которые хорошо видны в сумерки. Они имеют серебристый, голубоватый оттенок и светятся рассеянным светом Солнца.

Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей с длиной волны менее 180 нм. УФ-свет с большей длиной волны (около 320 нм), наоборот, способствует разложению озона. Поверхности Земли достигают только те ультрафиолетовые лучи, которые не опасны для живых организмов.

Начиная с высоты 50-60 км в атмосфере резко увеличивается содержание заряженных частиц (ионов и электронов). Вследствие этого слой, расположенный выше указанного уровня называется ионосферой. Внешняя часть атмосферы, где взаимные столкновения частиц редки и преобладающая часть их заряжена составляет радиационный пояс Земли. В пределах радиационного пояса заряженные частицы совершают сложные колебательные движения вдоль линий магнитного поля Земли и обладают значительной энергией. Граница радиационного пояса со стороны, освещенной Солнцем лежит на расстоянии 10-12 радиусов Земли, со стороны неосвещенной – 9-10 радиусов.

По признаку взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой и свободную атмосферу. В пограничном слое (высотой 1-1.5 км) на характер движения большое влияние оказывает земная поверхность и силы турбулентного трения. В этом слое выражены суточные изменения метеорологических величин. Внутри пограничного слоя выделяется приземный слой (высотой 50-100 м), в пределах которого метеорологические параметры резко меняются с высотой.

Условия полета летательных аппаратов существенно различны на высотах больше и меньше 150 км. Исходя из этого признака атмосферу делят на плотные слои и околоземное космическое пространство. Сопротивление плотных слоев атмосферы не позволяет летательному аппарату с выключенным двигателем совершить хотя бы один оборот вокруг Земли. На высотах более 150км аппарат может совершить и более одного оборота (тем больше, чем выше орбита), на основании чего эти полеты называют космическими, хотя орбиты большинства запущенных спутников лежат в пределах атмосферы.

Атмосферу делят также на верхнюю и нижнюю. Первая совпадает с тропосферой, вторая включает все слои выше тропопаузы.