Атмосфера Земли. Строение, слои. Облака

Атмосфера Земли представляет собой внешнюю оболочку, которая состоит преимущественно из газов. Атмосфера планеты  — это газовая масса движется вместе с Землей. Можно также выразиться, что атмосфера постепенно, плавно перетекает в космическое пространство.

Кстати, в нашей Солнечной системе атмосфера есть у всех основных планет, кроме Меркурия.

Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца.

Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни.

Состав защитной оболочки:

• Азот – 78%.
• Кислород – 20,9%.
• Смесь прочих газов – 1,1% (озон, аргон, неон, гелий, метан, криптон, водород, ксенон, углекислый газ, водяные пары).

Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Так на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться уже 86%, кислорода – всего 19%.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Разные науки и службы по-своему классифицируют границы воздушной оболочки Земли.

• По предложению Международной авиационной федерации земная атмосфера и космос должны граничить на уровне слоя на расстоянии 100 км. Выше этой отметки самолёты летать не могут.
• В географии и других науках верхняя граница атмосферы принята условно на расстоянии в 1000-1200 км от поверхности Земли. Именно эта часть атмосферы Земли вращается вместе с планетой вокруг своей оси и вокруг Солнца, плавно переходя в космическое пространство на уровне экзосферы. Нижняя граница находится на поверхности планеты. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменном, её газы есть в почве, воде, в живых организмах.
• Для человека космос начинается уже на высоте в 19-20 км. Из-за низкого давления на этом уровне температура кипения воды сравнивается с температурой тела человека (36,6°С), что приводит к закипанию внутренней среды организма.

Cлои атмосферы Земли

Из-за различных характеристик, которыми обладают газы, слои атмосферы имеют свои особенности и определённую роль во взаимодействиях с Землёй.

Пять слоёв, которые составляют атмосферу Земли:

1. Тропосфера
2. Стратосфера
3. Мезосфера
4. Термосфера
5. Экзосфера

Тропосфера

Это самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах  10-12 км, а над экватором  16-18 км.

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому облаков и осадков почти не образуется. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает аж 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон. Тот самый озон, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Собственно, она берёт своё начало на уровне 50 км. А верхняя граница её располагается на 80-90 км. По научным данным, температура в мезосфере снижается с повышением высоты. Однако здесь преобладает лучистый теплообмен. Кроме того, сложные фотохимические процессы порождают свечение атмосферы Земли.

Доля мезосферы относительно общей массы составляет не больше 0,3%.

Термосфера

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана несоизмеримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо! При температуре в 1538°C начинает плавиться железо. Но космические аппараты остаются целыми в термосфере. Как? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.

Облака

Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10^15 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3.  Объем некоторых облаков достигает несколько кубических километров, а масса воды в них соответственно исчисляется десятками и сотнями тонн.

Тут — отдельная статья про основные типы облаков.

Значение атмосферы Земли

Атмосфера является наиболее легкой геосферой Земли, тем не менее ее влияние на многие земные процессы очень велико.

Начнем с того, что именно благодаря атмосфере стало возможно зарождение и существование жизни на планете. Современные животные не могут обходиться без кислорода, а большинство растений, водорослей и цианобактерий — без углекислого газа. Кислород используется животными для дыхания, углекислый газ — растениями в процессе фотосинтеза, благодаря чему создаются необходимые растениям для жизнедеятельности сложные органические вещества, такие как, разнообразные соединения углерода, углеводы, аминокислоты, жирные кислоты.

Подъемом в высоту парциальное давление кислорода начинает снижаться. Значит это, что атомов кислорода в каждой единице объёма становится все меньше и меньше. Начиная с высоты 3 км над уровнем моря у большинства людей начинается кислородное голодание или гипоксия. У человека наблюдается одышка, усиленное сердцебиение, головокружение, шум в ушах, головная боль, тошнота, мышечная слабость, потливость, нарушение остроты зрения, сонливость. Резко снижается работоспособность. На высотах свыше 9 километров дыхание человека становится невозможным и потому находиться без специальных дыхательных аппаратов строго запрещено.

Важной для нормальной жизнедеятельности организмов на Земле является роль атмосферы как защитника нашей планеты от ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, метеоров. Подавляющую часть излучения задерживают верхние слои атмосферы — стратосфера и мезосфера. В результате этого проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Остальная, меньшая часть излучения, рассеивается. Здесь же, в верхних слоях атмосферы, сгорают и метеоры, которые мы можем наблюдать в виде маленьких «падающих звёзд».

Атмосфера служит регулятором сезонных колебаний температур и сглаживания суточных, предотвращая Землю от чрезмерного нагревания днём и охлаждения ночью. Атмосфера, благодаря наличию в её составе водяного пара, углекислого газа, метана и озона, легко пропускает солнечные лучи, нагревающие её нижние слои и подстилающую поверхность, но задерживает обратное тепловое излучение от земной поверхности в виде длинноволновой радиации. Эта особенность атмосферы называется парниковым эффектом. Без него суточные колебания температур нижних слоёв атмосферы достигали бы колоссальных величин: до 200° С и естественно сделали бы невозможным существование жизни в том виде, в котором мы её знаем.

Разные участки на Земле нагреваются неравномерно. Низкие широты нашей планеты, т.е. области с субтропическим и тропическим климатом, получают тепла от Солнца гораздо больше чем средние и высокие — области с умеренным и арктическим (антарктическим) типом климата. По-разному нагреваются материки и океаны. Если первые и нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, то вторые долго поглощают тепло, но в тоже время и также долго его отдают. Как известно теплый воздух является более легким чем холодный, а потому поднимается вверх. Его место у поверхности занимает холодный, более тяжелый воздух. Так образуется ветер и формируется погода. А ветер в свою очередь приводит к процессам физического и химического выветривания, последние из которых формируют экзогенные формы рельефа.

С подъёмом в высоту климатические различия между разными регионами земного шара начинают стираться. А начиная с высоты 100 км. атмосферный воздух лишается возможности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции. Единственным способом передачи тепла становится тепловое излучение, т.е. нагревание воздуха космическими и солнечными лучами.

И только при наличии атмосферы на планете возможен круговорот воды в природе, выпадение осадков и образование облаков.

Использованные источники:

Поделиться этой записью

Атмосфера Земли

Атмосфера (от греч. ἀτμός – пар и σφαῖρα – шар) – это газовая оболочка крупного небесного тела, которое может удержать её силой своей гравитации. В Солнечной системе она есть у всех основных планет, кроме Меркурия. Учёные договорились считать атмосферой только тот слой газов, который вращается вместе с небесным телом, но не всегда с одинаковой с ним скоростью.

Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Масса атмосферы (сухого воздуха) равна (5,1352 ± 0,0003)⋅10¹⁸ кг.

Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца. Особенности атмосферы Земли в её уникальном газовом составе, сформированном в коэволюции с жизнью.

Атмосфера Земли имеет условные границы

Границы воздушной оболочки разными науками и службами определяются по-своему.

• По предложению Международной авиационной федерации земная атмосфера и космос должны граничить на уровне слоя на расстоянии 100 км. Выше этой отметки самолёты летать не могут.
• В географии и других науках верхняя граница атмосферы принята условно на расстоянии в 1000-1200 км от поверхности Земли, именно эта часть и вращается вместе с Землёй вокруг своей оси и вокруг Солнца, плавно переходя в космическое пространство на уровне экзосферы. Нижняя граница находится на поверхности планеты. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменном, её газы есть в почве, воде, в живых организмах.
• Для человека космос начинается уже на высоте в 19-20 км. Из-за низкого давления на этом уровне температура кипения воды сравнивается с температурой тела человека (36,6°С), что приводит к закипанию внутренней среды организма.

Вещества атмосферы Земли: химический состав

Атмосфера – это смесь газов, в которых во взвешенном состоянии (аэрозоли) находится пыль, микроорганизмы, пыльца растений и вода. И только водяной пар при разных условиях может испытывать фазовые переходы, т. е. находиться в воздухе в газообразном, твёрдом или жидком состоянии.

Газовый состав атмосферы

Та часть атмосферы, где мы живём состоит главным образом из двух газов: азота и кислорода, причём первого в 3 раза больше, чем второго и это очень удачное, вернее устойчивое в химическом смысле сочетание. Кислород – активный окислитель, он ионизирует большую часть веществ, не будь в воздухе такого количества нейтрального азота, кислород бы разрушал всё намного быстрее, в том числе и нашу жизнь.

Если судить более строго, то большую часть атмосферы составляют 3 газа: азот N₂, кислород О₂ и аргон Аг, относительная объёмная концентрация которых в сухом воздухе составляет соответственно 78,08%, 20,95%, 0,93%. И лишь остальные 0,04% приходятся на другие газы атмосферы, среди которых по объёму выделяется углекислый газ, или диоксид углерода СО

2 (в среднем его содержится 0,03%).

Процентное соотношение трёх основных газов атмосферы сохраняется в неизменном виде до высоты в 100 км. Этот участок называют гомосферой – это место, где гравитация влияет на газы атмосферы. Выше происходит расщепление (диссоциация) молекул на атомы под действием корпускулярной и ионизирующей радиации Солнца – эта часть атмосферы называется гетеросферой. Из-за постоянства соотношений до высоты в 100 км азот, кислород и аргон называют постоянными газами.

Содержание оксида углерода в разных точках планеты сильно меняется, оно зависит от времени года (жизнедеятельности растений), геологических процессов (извержение вулканов) и хозяйственной деятельности человека (в меньшей степени). Поэтому углекислый газ относят к категории переменных газов атмосферы.

Другие постоянные газы в атмосфере содержатся в незначительной объёмной концентрации:

• гелий Не – 0,00052%,
• неон Ne – 0,00182%,
• криптон Кг – 0,00011 %,
• метан СН₄ – 0,00015%,
• водород Н₂ – 0,00005%,
• полуоксид азота N₂O, или «веселящий газ», — 0,00005%,
• ксенон Хе – 0,00001%.

Атмосфера Земли содержит следующие переменные газы:

• оксид углерода СО, или угарный газ – до 0,01 %,
• диоксид серы SO₂ – 0,0001 %,
• диоксид азота NО₂ – 0,00002%,
• озон О₃ – 0,00001%.

Все приведенные количественные данные относятся к сухому воздуху, т. е. к гипотетическому воздуху, в котором полностью отсутствует водяной пар (нет молекул Н₂О).

Атмосфера Земли: состав сухого воздуха.
Автор: Kopiersperre

Каждый газ воздуха выполняет свою функцию.

Роль кислорода в атмосфере Земли

Земная атмосфера содержит большое количество свободного кислорода и его модификаций. Если химический элемент образует несколько простых веществ, то такие вещества называют аллотропными модификациями данного элемента, а само явление – аллотропией. Земная атмосфера включает три аллотропные модификации кислорода: молекулярный кислород О₂, атомарный кислород О и озон О₃.

Максимальная концентрация молекулярного кислорода наблюдается в приповерхностных слоях атмосферы. Максимальная концентрация атомарного кислорода существует на высотах около 150 км. Максимальная концентрация озона реализуется на высотах 15-25 км.

Атомарный кислород образуется в атмосфере в результате фотодиссоциации молекул О₂ под действием ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны не более 240 нм. Находясь в атмосфере в больших количествах, молекулярный кислород полностью поглощает падающее на Землю ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 240 нм.

Основная роль свободного кислорода в дыхании организмов (биологическом окислении), участии в горении и окислении. Под его действием происходят процессы гниения, разложения, ржавеет железо. Кислород входит в состав органических веществ живых клеток. 70% всего кислорода атмосферы приходится на тяжёлый (изотоп с атомарной массой 18), 30% — на долю лёгкого (изотоп-16). По мнению В. Бгатова ( 1928-2005, известный советский и российский аэролог,  доктор наук) именно лёгкий кислород участвует в фотосинтезе и имеет биогенное происхождение, тяжёлый кислород появляется в результате дегазации мантии.

Азот в атмосфере

Азот («безжизненный») – входит в состав белков и нуклеиновых кислот наших клеток, необходим всему живому. Он определяет скорость биохимических реакций, выполняя роль «разбавителя» кислорода. Если бы атмосфера содержала меньше азота  и больше кислорода, то живая материя окислялась бы энергичнее. Он поступает в воздух при извержении вулканов и в результате деятельности денитрифицирующих бактерий.

Атмосфера Земли. Что такое тропосфера, стратосфера и тропопауза

Атмосфера Земли — это газовая оболочка, окружающая планету, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.

В атмосфера делится на следующие основные слои: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера.

Сегодня мы поговорим о тропосфере, стратосфере и что такое тропопауза. 

На этом фото, сделанном с борта пассажирского самолета на высоте около 10 км, видны кучевые облака вертикального развития — кучерявые «барашки» и два крупных облака с плоской вершиной. «Барашки» возникают на разных высотах и вытягиваются вверх благодаря вертикальному движению тумана в воздухе. Крупные облака поднимаются выше других, их верх становится плоским, делая облако похожим на наковальню кузнеца. Облака-наковальни (Cumulonimbus incus: cumulus на латыни — «кучевые», nimbus — «дождевые», incus — «наковальня») визуализируют нижнюю границу тропопаузы — переходного слоя между тропосферой и стратосферой.

Чтобы разобраться, что такое тропопауза, давайте взглянем шире на атмосферу в целом. Начинается она на поверхности Земли, которая, нагреваясь солнечным теплом, обильно насыщает им атмосферу, заодно наполняя ее аэрозолями и водяным паром, которые поглощают и накапливают тепло. Поэтому приземная атмосфера полна тепловой энергии. Нагретый воздух имеет низкую плотность и всплывает вверх, влекомый архимедовой силой. Разнообразие характера земной поверхности, разность широт, непрерывно меняющееся освещение днем и отсутствие его ночью приводят к неравномерному распределению тепла в атмосфере.

Эта неравномерность в сочетании с высокой плотностью тепловой энергии делает атмосферу динамичной до неистовости. Мощные конвективные вертикальные потоки перемешивают воздушную массу, муссоны и пассаты создают длительные сезонные широтные потоки, циклоны и ураганы закручивают и перемещают огромные воздушные массы в горизонтальном и вертикальном направлении. Суточные бризы и хаотические предгрозовые шквалы и торнадо добавляют локальные бурления в грандиозную общую циркуляцию. Поэтому вечно меняющуюся нижнюю атмосферу назвали тропосферой, от древнегреческого τρόπος — «поворот, изменение», подобно поворачивающей, меняющей направление тропе. Высота тропосферы тоже изменчива и лежит в пределах 8–20 км.

Поднимаясь этой изменчивой вертикальной тропой, воздух расширяется и потому охлаждается. Температура воздуха с ростом высоты снижается, достигая на высоте 10 км морозных 56 градусов ниже нуля. Архимедова сила всплывающих потоков исчезает еще раньше из-за охлаждения и расходования полученного внизу тепла. Но за счет полученного вертикального движения воздушные потоки поднимаются всё выше, расходуя остатки кинетической энергии, в которую перешла часть энергии тепловой.

Над этой динамичной картиной раскинулось другое царство атмосферы. Оно разительно отличается от нижнего, уходит вверх в три раза дальше, до 50 км. В нем почти не бывает облаков и погодных явлений, практически не возникает вертикальных течений. Вертикальное перемещение воздуха происходит там лишь диффузионно, очень постепенно, порождаемые потоки всегда горизонтальны и не приводят к перемешиванию нижних и верхних слоев воздуха. Это царство слоев названо стратосферой, от латинского stratum — «слой». Стабильная стратосфера отличается от изменчивой тропосферы и поведением температуры: первые 15 километров стратосферы имеют постоянную температуру около минус 56,5°C.

Лишь изредка, локально, только в высокоширотных областях (за широтой 65–70°) в стратосфере все-таки возникают облака. Тропосферные потоки, обтекая хребты гор высоких широт (например, самая высокая точка острова Шпицберген, лежащего на 79°с.ш., — гора Ньютон — имеет высоту 1713 м), забрасываются вверх как по трамплину; одновременно в этой зоне стратосферы температура локально опускается до минус 80°C. Возникает сложная цепочка явлений, приводящая к появлению самых редких и, возможно, самых красивых облаков Земли — перламутровых, уникальных облаков стратосферы.

Во второй трети стратосферы, с высоты около 25 км, температура, как ни странно, начинает расти. И растет до самого верха, до 50 км, достигая нуля градусов по Цельсию. Температура атмосферы растет из-за поглощения молекулами озона ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне длин волн 240–280 нанометров. В верхних слоях стратосферы этот диапазон еще не ослаблен поглощением и присутствует полностью. Поэтому и поглощение там идет наиболее полно, и температура верхних слоев стратосферы самая высокая. В средние слои стратосферы проходят лишь остатки излучения этого диапазона, не поглощенные верхами, поэтому температура средних слоев ниже верха.

Такое строение стратосферы — одинаковый холод в нижней трети и постепенный прогрев верхней с ростом высоты — приводит к стабильности ее «устройства» и состояния. Внизу воздух холодный, вверху нагретый; соответственно, нет причин для вертикальной тепловой конвекции. Стратосфера устойчива, как пирамида. И своими холодными слоями она давит на тропосферу, покоясь на ней.

Между двумя столь разными царствами, разделяя их, лежит пограничная полоса — тропопауза. Она отделяет вертикальное буйство тропосферы от слоистой стратосферы. Вертикальные движения воздуха здесь затухают, а тропосферное снижение температуры резко, в три раза, уменьшается с высотой, наверху тропопаузы исчезая совсем. Охладившиеся вверху тропосферы и потерявшие архимедову силу вертикальные потоки добираются сюда по инерции, почти теряя перед этой границей и свой запас движения. Они выдыхаются на тропосфере и в тепловом, и в кинетическом смысле. И останавливаются на ней, уже не имея здесь движущего начала для внедрения в холодную слоистую стратосферу.

На этом фото видно образование «наковальни» при спокойном состоянии тропосферы. В тропосфере штиль и много облаков, затеняющих землю. Приток солнечного тепла в нижнюю тропосферу слабый. В результате крупное облако получает небольшой запас энергии и очень медленное вертикальное движение. Об этом говорят толстые округлые края «наковальни», медленно закручивающиеся вниз, и волнообразная структура верха, показывающая отсутствие быстрого радиального течения из центра «наковальни». Это признаки невысокой вертикальной скорости в облаке, медленного вертикального дрейфа тумана.

Границы тропопаузы неодинаковы и меняются в зависимости от широты, времени года и других факторов. Толщина составляет от нескольких сот метров до трех километров. Высота тропопаузы над полюсами Земли самая низкая, 8–10 км, в средних широтах поднимается до 12–13 км и достигает 16–18 км в зоне экватора. Это понятно, ведь тропопаузу вздымают вверх вертикальные потоки неистовой тропосферы, а неистовость ее зависит от уровня получаемого тепла, минимального на полюсах и максимального на экваторе. В средних широтах и ближе к полюсам сильнее сказываются холодные сезоны, уменьшая поступление солнечного тепла в эти зоны Земли. В эти периоды тропопауза опускается там на 1–2 км, а в теплые сезоны снова поднимается. При этом температура тропопаузы тоже меняется: чем выше, тем больше степень расширения воздуха и тем сильнее он охлаждается. Поэтому высокая экваториальная тропопауза всегда холоднее более теплой (но всё равно изрядно морозной) полярной, причем намного — на несколько десятков градусов.

Тропопауза над экватором — самая высокая на Земле. Плоскость тропопаузы лежит значительно выше горизонта, а значит, выше самолета, который летит на высоте 12 км. Если бы вершина наковален находилась на одной высоте с самолетом, она лежала бы точно на линии горизонта. По удалению «наковален» (порядка 30 км) от самолета можно определить, что они возвышаются над ним на несколько километров, то есть находятся на высоте 16–18 км.

Привязанная к локальным крупным атмосферным образованиям, возлежащая на плечах местных тропосферных атлантов, тропопауза опускается над низким давлением циклонов и слабыми плечами холодных воздушных масс и приподнимается повышенным давлением антициклонов и теплыми воздушными массами. Иногда на границе тропосферы возникают струйные течения, в южных широтах достигающие огромной силы и скорости, больше 100 м/сек. Такие течения могут разрушить, размыть тропопаузу, создать ее разрыв, который постепенно затягивается с прекращением струйного течения.

Но могут возникать еще более интересные ситуации. Когда большая холодная воздушная масса, с низкой тропопаузой на плечах, вторгается далеко на юг, она может подтолкнуть свою тропопаузу под более высокую и холодную тропическую тропопаузу. Тогда в зоне вторжения сосуществуют две тропопаузы одновременно, одна над другой, разделенные несколькими километрами высоты. Двойная конструкция с теплой нижней тропопаузой неустойчива, и вскоре верхняя тропопауза распадается, а нижняя поднимается с прогревом вторгшейся холодной массы.

Тропопауза прозрачна, но благодаря облакам-наковальням мы можем наблюдать ее положение. Инерция вертикального движения восходящего потока в большом облаке подкачивает облачный туман вплотную к тропопаузе. Медленно, практически с нулевой скоростью, туман расползается горизонтально вдоль тропопаузы, делая эту границу видимой и формируя на ее нижней поверхности наковальню из раздвигающегося в стороны облачного материала. Поэтому расположенные рядом наковальни всегда находятся на одной высоте — высоте местной тропопаузы.

Визуализация тропопаузы на большом протяжении. По всему горизонту видны облака-наковальни, обозначающие положение тропопаузы.

Насколько же абсолютна хрустальная грань тропопаузы? Существуют ли облака, способные пробить эту неприступную небесную твердь? Да, вопрос только в количестве энергии. Для пробивания тропопаузы нужна очень высокая концентрация тепловой энергии в облаке, существенно превышающая плотность энергии в обычных погодных облаках. И такие облака существуют. Энергия в них накачивается не атмосферными процессами — это облака от мощных вулканических извержений, у которых плотность тепла может быть на порядки выше, чем у погодных облаков. Она возникает из-за огромной температуры (многие сотни градусов) газов и пепловых масс. При очень мощных извержениях плотность энергии пеплового облака позволит ему не только преодолеть тропопаузу, но и подняться в стратосферу, иногда очень высоко, до средней и верхней стратосферы.

Извержение вулкана острова Райкоке в северной части Курильских островов. Фото сделано астронавтами НАСА с борта МКС 22 июня 2019 года. Это пример неглубокого внедрения вулканического облака в стратосферу. По данным радиозондов, высота тропопаузы здесь около 11 км, в то время как плоская вершина облака достигает 13 км. Плотность энергии в пепловой туче оказалась достаточной для преодоления тропопаузы, но была мала для подъема высоко в стратосферу. Поэтому, преодолев тропопаузу и попав в самые нижние слои стратосферы, облако растекается там плоской вершиной. Охлаждаясь и слегка оседая, пепловая масса уносится в виде шлейфа горизонтальным течением. Фото с сайта nasa.gov

Такую же «пробивную способность» могут получать еще два типа облаков. Первый — облако от падения и взрыва астероида, когда выделенная энергия испаряет вещество космического тела и окружающие горные породы, создавая облако испаренных продуктов с достаточной плотностью тепловой энергии. И второй тип — грибовидное облако ядерного взрыва. Для создания облака, преодолевающего тропопаузу, недостаточно подземного, камуфлетного (то есть не выходящего проявлениями наружу) взрыва, и мощность взрыва должна на пару порядков превышать уровень тактических 20 килотонн. Такое облако создаст наземный или воздушный термоядерный взрыв с тротиловым эквивалентом в несколько мегатонн и выше.

Облако от взрыва термоядерного устройства, проведенного США 1 ноября 1952 года на атолле Эниветок в Тихом океане (испытание Айви Майк). Мощность составила 10–12 мегатонн тротилового эквивалента. Облако поднялось до высоты 37 километров, поднявшись в верхнюю стратосферу. На этом снимке верхняя часть облака уже находится в стратосфере. По бурной турбулентности, выходящей на поверхность облака, видно, что плотность энергии ещё очень велика и далека от равновесного состояния со слоями стратосферы; запас энергии в облаке обеспечит дальнейший его подъем высоко в стратосферу. Фото с сайта ru.wikipedia.org.

Тропосфера — это слой, где происходит погода. Стратосфера — дом озона. Тропопауза — слой атмосферы, в котором происходит резкое снижение вертикального температурного градиента, переходный слой между тропосферой и стратосферой.

Следите за погодой и климатом вместе с нами!

С Уважением, Маглипогода!

Информация, которая размещается на сайте, не считается официальной. 
На всех страницах функционирует система уведомления правописания. Обнаружив ошибку или неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

Присоединяйтесь к нам через социальные сети и подписывайтесь на рассылку по электронной почте.

Поддержите сайт!

Поделитесь новостью в социальных сетях и блогах:

Строение атмосферы | big-archive.ru

Автор admin На чтение 20 мин. Опубликовано 17.02.2019

Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя ее граница, на высоте около 2000—3000 км, в известной мере условна, так как газы, ее составляющие, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие ее физические свойства. Как говорилось ранее, химический состав воздуха до высоты 100 км существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100—110 км, под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110—120

км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400—500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса ее размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних ее частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5—6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0—16 км—90%, а в слое 0—30 км — 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м³ воздуха у поверхности земли равен 1033 г, то на высоте 20 км он равен 43 г, а на высоте 40 км лишь 4 г.

На высоте 300—400 км и выше воздух настолько разрежен, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая — ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца.

Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется.

Здесь приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоев.

Приведем основные данные о физических свойствах этих сфер.

Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является ее нижней границей. Наибольшая высота тропосферы наблюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16—18

км и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8— 10 км. В средних широтах она колеблется от 6—8 до 14—16 км.

Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов. Нередко в течение суток верхняя граница тропосферы над данным пунктом или районом опускается или поднимается на несколько километров. Это связано главным образом с изменениями температуры воздуха.

В тропосфере сосредоточено более ⁴/₅ массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м, или 6° на 1 км

поднятия. Это объясняется тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли.

В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26°, над полярными областями зимой —34°, —36°, а летом около 0°. Таким образом, разность температур экватор — полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°. Правда, такие низкие температуры в Арктике зимой наблюдаются только вблизи поверхности земли вследствие охлаждения воздуха над ледяными просторами.

Зимой в Центральной Антарктиде температура воздуха на поверхности ледяного щита еще ниже. На станции Восток в августе 1960 г. зарегистрирована самая низкая температура на земном шаре —88,3°, а наиболее часто в Центральной Антарктиде она бывает равна —45°, —50°.

С высоты разность температур экватор — полюс уменьшается. Например на высоте 5 км на экваторе температура достигает — 2°, —4°, а на этой же высоте в Центральной Арктике —37°, —39° зимой и —19°, —20° летом; следовательно, разность температуры зимой равна 35—36°, а летом 16—17°. В южном полушарии эти разности несколько больше.

Энергию атмосферной циркуляции можно определить контрактами температуры экватор—полюс. Так как зимой величина контрастов температуры больше, то атмосферные процессы протекают более интенсивно, чем летом. Этим же объясняется тот факт, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. При этом скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, доходя до максимума на верхней границе тропосферы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным (неупорядоченным) движением. Вследствие подъема и опускания больших объемов воздуха образуются и рассеиваются облака, возникают и прекращаются осадки. Переходным слоем между тропосферой и вышележащей сферой является тропопауза. Выше нее лежит стратосфера.

Стратосфера простирается от высот 8—17 до 50—55 км. Она была открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что температура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1 — 2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50—55 км, становится даже положительной. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О₃), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходит бурных процессов облакообразования и не выпадают осадки.

Еще совсем недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания воздуха, как в тропосфере. Поэтому считали, что газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» — слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т. е. при равенстве поглощенной и отраженной солнечной радиации.

Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемещения, турбулентные движения при сильных горизонтальных воздушных течениях. Все это — результат неоднородного распределения температуры.

Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза. Однако, прежде чем перейти к характеристике более высоких слоев атмосферы, ознакомимся с так называемой озоносферой, границы которой приблизительно соответствуют границам стратосферы.

Озон в атмосфере. Озон играет большую роль в создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере. Озон (О₃) ощущается нами после грозы при вдыхании чистого воздуха с приятным привкусом. Однако здесь речь пойдет не об этом озоне, образующемся после грозы, а об озоне, содержащемся в слое 10—60 км с максимумом на высоте 22—25 км. Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца и, хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от ее губительного действия. Даже та ничтожная доля ультрафиолетовых лучей, которая достигает поверхности земли, сильно обжигает тело, когда человек чрезмерно увлекается приемом солнечных ванн.

Количество озона неодинаково над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры.

Зимой, в условиях полярной ночи, в высоких широтах в слое озона происходит излучение и охлаждение воздуха. В результате в стратосфере высоких широт (в Арктике и Антарктике) зимой формируется область холода, стратосферный циклонический вихрь с большими горизонтальными градиентами температуры и давления, обусловливающий западные ветры над средними широтами земного шара.

Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла и прогревание воздуха. В результате повышения температуры в стратосфере высоких широт формируется область тепла и стратосферный антициклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км летом в стратосфере преобладают восточные ветры.

Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50—55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) достигает —75°, —90°. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.

Интересно отметить, что характерное для мезосферы понижение температуры с высотой происходит неодинаково на различных широтах и в течение года. В низких широтах падение температуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответственно 0,23° — 0,31° на 100 м или 2,3°—3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой. В верхней мезосфере на высоте около 80 км в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается ее повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми.

Природа серебристых облаков еще недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения серебристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры при переходе из мезосферы в термосферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает —80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального движения или путем турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.

Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до нескольких сотен километров в час.

Температура на высотах. Наглядное представление о характере распределения температуры с высотой, между поверхностью земли и высотами 90—100 км, зимой и летом в северном полушарии дает рисунок 5. Поверхности, разделяющие сферы, здесь изображены жирными штриховыми линиями. В самом низу хорошо выделяется тропосфера с характерным понижением температуры с высотой. Выше тропопаузы, в стратосфере, наоборот, температура с высотой в общем повышается и на высотах 50—55 км достигает + 10°, —10°. Обратим внимание на важную деталь. Зимой в стратосфере высоких широт температура выше тропопаузы понижается от —60 до —75° и лишь выше 30 км вновь возрастает до —15°. Летом, начиная от тропопаузы, температура с высотой повышается и на 50 км достигает + 10°. Выше стратопаузы вновь начинается понижение температуры с высотой, и на уровне 80 км она не превышает —70°, —90°.

Из рисунка 5 следует, что в слое 10—40 км температура воздуха зимой и летом в высоких широтах резко различна. Зимой, в условиях полярной ночи, температура здесь достигает —60°, —75°, а летом минимум —45° находится вблизи тропопаузы. Выше тропопаузы температура возрастает и на высотах 30—35 км составляет лишь —30°, —20°, что вызвано прогреванием воздуха в слое озона в условиях полярного дня. Из рисунка следует также, что даже в одном сезоне и на одном и том же уровне температура неодинакова. Разность их между различными широтами превышает 20—30°. При этом неоднородность особенно значительна в слое низких температур (18—30 км) и в слое максимальных температур (50—60 км) в стратосфере, а также в слое низких температур в верхней мезосфере (75—85 км).

Средние величины температуры, приведенные на рисунке 5, получены по данным наблюдений в северном полушарий, однако, судя по имеющимся сведениям, они могут быть отнесены и к южному полушарию. Некоторые различия имеются главным образом в высоких широтах. Над Антарктидой зимой температура воздуха в тропосфере и нижней стратосфере заметно ниже, чем над Центральной Арктикой.

Ветры на высотах. Сезонным распределением температуры обусловлена довольно сложная система воздушных течений в стратосфере и мезосфере.

На рисунке 6 представлен вертикальный разрез поля ветра в атмосфере между поверхностью земли и высотой 90 км зимой и летом над северным полушарием. Изолиниями изображены средние скорости преобладающего ветра (в м/сек). Из рисунка следует, что режим ветра зимой и летом в стратосфере резко различен. Зимой как в тропосфере, так и в стратосфере преобладают западные ветры с максимальными скоростями, равными около

100 м/сек на высоте 60—65 км. Летом западные ветры преобладают лишь до высот 18—20 км. Выше они становятся восточными, с максимальными скоростями до 70 м/сек на высоте 55—60 км.

Летом выше мезосферы ветры становятся западными, а зимой — восточными.

Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220—240°, а на уровне 200 км более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термосфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа — это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной.

В разреженных газах сравнительно немного молекул весьма малых размеров (легких газов). Если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет велика. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха содержатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов миллиардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высоких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разреженной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов.

В нижней термосфере и мезосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеорных потоков.

Имеющиеся сведения о слоях атмосферы выше 60—80 км еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создается в результате превращения молекулярного кислорода (О₂) в атомарный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры большое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и. ультрафиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток происходят резкие изменения температуры и ветра.

Ионизация атмосферы. Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60—80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то ее называют также и ионосферой.

Газы в ионосфере находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, происходит процесс отщепления электронов от нейтральных атомов и молекул воздуха. Такие атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами, а газы — ионизированными, т. е. получившими электрический заряд. При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными.

Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизации. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмосфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.

Открытие ионосферы является одним из важных и блестящих достижений науки. Ведь отличительной особенностью ионосферы является ее влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные атомы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспечивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии.

Однако известно, что иногда радиосвязь на коротких волнах нарушается. Это происходит в результате хромосферных вспышек на Солнце, благодаря которым резко усиливается ультрафиолетовое излучение Солнца, приводящее к сильным возмущениям ионосферы и магнитного поля Земли — магнитным бурям. При магнитных бурях нарушается радиосвязь, так как движение заряженных частиц зависит от магнитного поля. Во время магнитных бурь ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос. Главным образом с изменением солнечной активности, сопровождающейся усилением ультрафиолетового излучения, увеличивается электронная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению работы радиосвязи на коротких волнах.

Согласно новым исследованиям в мощном ионизированном слое имеются зоны, где концентрация свободных электронов достигает несколько большей концентрации, чем в соседних слоях. Известны четыре такие зоны, которые располагаются на высотах около 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км и обозначаются буквами D, E, F₁ и F₂. При усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния — в виде красивых многокрасочных дуг, загорающихся в ночном небе преимущественно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями. В таких случаях полярные сияния становятся видимыми в средних широтах, а в редких случаях даже в тропической зоне. Так, например, интенсивное сияние, наблюдавшееся 21 — 22 января 1957 г., было видно почти во всех южных районах нашей страны.

С помощью фотографирования полярных сияний из двух пунктов, находящихся на расстоянии нескольких десятков километров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно полярные сияния располагаются на высоте около 100 км, нередко они обнаруживаются на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км. Хотя природа полярных сияний выяснена, однако остается еще много нерешенных вопросов, связанных с этим явлением. До сих пор неизвестны причины многообразия форм полярных сияний.

По данным третьего советского спутника, между высотами 200 и 1000 км днем преобладают положительные ионы расщепленного молекулярного кислорода, т. е. атомарного кислорода (О). Советские ученые исследуют ионосферу с помощью искусственных спутников серии «Космос». Американские ученые изучают ионосферу также с помощью спутников.

Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. По вертикали эти колебания достигают 100—200 км и более.

Экзосфера (сфера рассеяния) — самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений и теоретических расчетов температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

Еще сравнительно недавно предполагали, что условная граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Однако на основе торможения искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см³ содержится до 160 тыс. положительных ионов атомного кислорода и азота. Это дает основание предполагать, что заряженные слои атмосферы простираются в космос на значительно большее расстояние.

При высоких температурах на условной границе атмосферы скорости частиц газов достигают приблизительно 12 км/сек. При данных скоростях газы постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это происходит в течение длительного времени. Например, частицы водорода и гелия удаляются в межпланетное пространство в течение нескольких лет.

В исследовании высоких слоев атмосферы богатые данные получены как со спутников серии «Космос» и «Электрон», так и геофизических ракет и космических станций «Марс-1», «Луна-4» и др. Ценными оказались и непосредственные наблюдения космонавтов. Так, по фотографиям, сделанным в космосе В. Николаевой-Терешковой, было установлено, что на высоте 19 км от Земли существует пылевой слой. Это подтвердилось и данными, полученными экипажем космического корабля «Восход». По-видимому, существует тесная связь между пылевым слоем и так называемыми перламутровыми облаками, иногда наблюдаемыми на высотах около 20—30 км.

Из атмосферы в космическое пространство. Прежние предположения, что за пределами атмосферы Земли, в межпланетном

пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц не превышает нескольких единиц в 1 см³, не оправдались. Исследования показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании зон вокруг Земли с заметно повышенным содержанием заряженных частиц, т. е. поясов радиации — внутреннего и внешнего. Новые данные помогли внести уточнения. Оказалось, что между внутренним и внешним поясами радиации также имеются заряженные частицы. Число их меняется в зависимости от геомагнитной и солнечной активности. Таким образом, по новому предположению вместо поясов радиации существуют зоны радиации без четко выраженных границ. Границы радиационных зон изменяются в зависимости от солнечной активности. При ее усилении, т. е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, выбрасывающиеся на сотни тысяч километров, возрастает поток космических частиц, которые и питают радиационные зоны Земли.

Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полеты на космических кораблях. Поэтому перед полетом в космос определяется состояние и положение радиационных зон, а орбита космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне областей повышенной радиации. Однако высокие слои атмосферы, как и близкое к Земле космическое пространство, еще мало исследованы.

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются богатые данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций.

Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Однако современные методы ее исследования позволяют надеяться, что в ближайшие годы человек будет знать многие детали строения атмосферы, на дне которой он живет.

В заключение приведем схематический вертикальный разрез атмосферы (рис. 7). Здесь по вертикали отложены высоты в километрах и давление воздуха в миллиметрах, а по горизонтали — температура. Сплошной кривой изображено изменение температуры воздуха с высотой. На соответствующих высотах отмечены и главнейшие явления, наблюдающиеся в атмосфере, а также максимальные высоты, достигнутые радиозондами и другими средствами зондирования атмосферы.

 

—Источник—

Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.-  318 с.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

Post Views: 2 504

Строение атмосферы

Атмосфера неоднородна как в вертикальном, так и в гори­зонтальном направлении. Как уже говорилось выше, по вер­тикали она делится на ряд сфер и слоев, отличающихся по своим физическим характеристикам. По горизонтали, особенно в своей нижней части, она расчленяется на неоднородные массы воздуха. Ближайший к поверхности земли слой воздуха называется тропосферой.
Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности. Нижней границей тропосферы является поверхность земли, а верхняя находится в среднем на высотах 8—17 км. Высота тропосферы зависит главным образом от географической ши­роты. Наибольшая ее высота наблюдается в экваториальной зоне: здесь она достигает 16—18 км. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 9—10 км. В средних широтах высота тро­посферы колеблется от 6—8 до 14—16 км, составляя в сред­нем 10—12 км.
Верхняя граница тропосферы испытывает сезонные измене­ния: зимой она ниже, летом выше. Еще значительнее измене­ния высоты тропосферы, зависящие от характера атмосферных процессов. Нередко в течение суток высота верхней границы тропосферы над данным пунктом или районом изменяется даже на несколько километров. Наблюдения показывают, что изменения вертикальной протяженности тропосферы связаны с изменением температуры воздуха.
Тропосфера обладает рядом физических свойств, отличаю­щих ее от всех выше лежащих слоев воздуха. В тропосфере сосредоточена значительная часть массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от по­верхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м поднятия. Воз­дух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли. В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает 26° выше нуля, а в полярных областях 23° ниже нуля. В то же время над экватором в верхней тропосфере тем­пература равна —75, —80°, а в полярных областях —60, —65°,
Преобладающим горизонтальным переносом воздуха в тро­посфере является западный. Скорость ветра в тропосфере, как правило, с высотой возрастает, достигая максимума на уровне верхней ее границы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным дви­жением, обеспечивающими непрерывное перемешивание воз­духа во всей тропосфере. Вследствие подъема и опускания больших объемов воздуха образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются осадки. В тропосфере развиваются процессы, обусловливающие погоду и ее изменения.
Выше тропосферы расположена стратосфера. От тропо­сферы она отделена переходным слоем, который называется тропопаузой.
Так же как и высота верхней границы тропосферы, высота тропопаузы изменяется от сезона к сезону и ото дня ко дню в зависимости от процессов, развивающихся в тропосфере. Над холодными массами воздуха она располагается очень низко, а над теплыми — высоко. Даже в средних широтах зимой тропопауза нередко находится на высотах 8—9 км, а летом — на высотах 13—15 км. Колебания высоты тропопаузы вызваны рядом причин, среди которых большую роль играет перенос холодных или теплых масс воздуха и охлаждение или нагре­вание воздуха, обусловленное его вертикальными перемеще­ниями. При повышении температуры в тропосфере тропопауза повышается, при понижении температуры опускается.
Стратосфера. По вертикальному делению атмосферы под стратосферой подразумевается слой воздуха, ограниченный «снизу тропопаузой, а сверху уровнем 50—60 км.
По физическим свойствам стратосфера резко отличается от ниже лежащей сферы уже тем, что распределение температуры с высотой здесь иное, чем в тропосфере. Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходят бурные процессы облакообразозания сопровождающиеся выпадением осадков.
Совсем еще недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой и что здесь в верти­кальном направлении не происходит перемешивание воздуха. Считали также, что температура в стратосфере формируется под действием только лучистого равновесия, т. е. при равенстве поглощения и отражения солнечной радиации.
Новые данные, полученные с помощью радиометеорологи­ческих приборов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха со значительными измене­ниями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, наблюдаются значительные вертикальные перемещения, неупо­рядоченные (турбулентные) движения при сильных горизон­тальных воздушных течениях. Все это является результатом неоднородного распределения температуры.
В табл. 2 приведены данные о температуре в верхней тропосфере и стратосфере над различными широтами север­ного полушария.

Из данных табл. 2 следует, что в тропосфере на высотах 5 и 9 км разность температур между низкими и высокими широтами достигает 30—35°, причем от низких широт к высо­ким температура постепенно понижается. В стратосфере распределение температуры несколько иное. На уровне 16 км наиболее низкие температуры (—76, —80°) наблюдаются в экваториальной зоне, в средних широтах температура равна —51, —61°, а к высоким широтам она вновь понижается до —64, —68°. В стратосфере экваториальной зоны температура с высотой повышается, достигая на уровне 30 км —46, —50°, а в арктической зоне на этом же уровне наблюдаются темпе­ратуры около —67, —75°.
К лету распределение температуры претерпевает значитель­ные изменения. Как следует из табл. 3, в тропосфере на уров­нях 5 и 9 км температура от низких широт к высоким, как и зимой, понижается, однако разность ее составляет уже около 15°, что объясняется летним прогреванием воздуха в средних и особенно высоких широтах. На уровне 16 км от экваториальной зоны до 80° с. ш. температура повышается до —42, —43°, и даже на уровне 30 км в Арктике она выше, чем в экваториальной зоне.

Из приведенных данных о распределении температуры по высоте в различных широтных зонах следует, что в верхних слоях стратосферы экваториальной зоны температура воздуха от зимы к лету заметно не изменяется, а в арктической зоне, наоборот, эти изменения весьма значительны.
В табл. 4 приведены величины разностей температур между летом и зимой на разных уровнях в тропосфере и стратосфере и в разных широтных зонах северного полушария.

Как видно из данных табл. 4, величины разностей темпера­тур между летом и зимой возрастают от низких широт к высо­ким. На уровне 30 км над полюсом они достигают максимума (40°). То же происходит и в южном полушарии, с той лишь разницей, что в Антарктике на этом уровне величины разно­стей достигают 50—55°.
Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологиче­ских ракет и косвенными способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, про­должается до высот 50—60 км. На этих высотах температура воздуха повышается до 10—20° выше нуля. Выше этого слоя она вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) составляет —75, —90°. Далее вновь происходит повы­шение температуры с высотой.
На рис. 6 изображены кривые изменения средней темпера­туры воздуха с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для трех широт: 80, 50 и 20°. Кривые показывают не­однородность строения атмосферы над указанными широтами не только в разные, но в одни и те же сезоны. Легко видеть, что даже в одном сезоне и на одном уровне разности темпе­ратур воздуха между различными широтами превышают 20—30°. При этом неоднородность особенно значительна в слое низких температур в стратосфере (18—30 км), в слое макси­мальных температур в средней мезосфере (50—60 км) и в слое низких температур в верхней мезосфере (75—85 км).

Кривые изменения средней температуры воздуха с высотой

Сезонным распределением температуры обусловлена довольно сложная система воздушных течений в стратосфере и мезосфере.
На рис. 7 приведены кривые изменения средней скорости ветра с высотой между поверхностью земли и уровнем 90 км для тех же широтных зон, что и на рис. 6. Кривые показывают значительное различие в распределении скорости и направле­ния ветра в январе и июле. Как видно на рисунке, севернее 20° с. ш. в январе преобладают западные ветры со средними максимальными скоростями более 340 км/час. В июле запад­ные ветры господствуют в тропосфере и нижней стратосфере до высот 18—20 км, а выше они переходят в восточные (на рисунке скорости показаны со знаком минус). В нижней термо­сфере ветры вновь становятся западными. Наоборот, зимой выше уровня мезопаузы западные ветры переходят в восточные.

Кривые изменения средней температуры воздуха с высотой

На тех высотах, где падение температуры с высотой сме­няется изотермией или инверсией, обнаружены облака.
В верхней стратосфере на высотах 20—26 км при опреде­ленных условиях (очевидно, при резко выраженных инверсиях) возникают тонкие и неплотные, так называемые перла­мутровые облака, состоящие из кристалликов льда и пере­охлажденных капелек воды (рис. 8).

Перламутровые облака

Облака обнаружены и на высоте около 80 км, т. е. там, где понижение температуры воздуха с высотой прекращается и начинается ее повышение (см. рис. 6). Здесь под инверсион­ным слоем в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака названы серебристыми (рис. 9).

Серебристые облака

Предполагается, что серебристые облака состоят из ледяных кристаллов. Они, как и перламутровые облака, по-видимому, возникают благодаря скоплению водяного пара над слоем инверсии температуры (И. А. Хвостиков). Роль ядер конденса­ции здесь, вероятно, играет космическая пыль. Уровень рас­положения серебристых облаков, очевидно, определяется за­держивающим слоем, образующимся в связи с повышением температуры с высотой при переходе из мезосферы в выше лежащий слой — термосферу.
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах (от 50—60 до нескольких сотен километров в час).
Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным с помощью ракет и косвенных мето­дов определения температуры, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220—240°, а на уровне 200 км она превышает 500°. Выше тем­пература продолжает расти и на верхней границе термосферы, на уровне 700—800 км, превышает 1000°. Однако для высоких слоев атмосферы понятие «температура» приобретает иной смысл.
Известно, что температура газа определяется средней ско­ростью движения молекул. В нижней, плотной части атмо­сферы столкновение молекул происходит часто и кинетическая энергия их в среднем одна и та же. Если молекулы воздуха поглощают большое количество лучистой энергии, то они при­обретают большую кинетическую энергию и мгновенно проис­ходит обмен энергией между молекулами. Поэтому они обла­дают одинаковой кинетической энергией, а следовательно, и температурой.
В высоких слоях атмосферы, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энер­гии скорость молекул в промежутке между столкновениями их сильно изменяется; к тому же молекулы легких газов имеют большую скорость, чем молекулы тяжелых газов. Поэтому тем­пература этих газов может быть различной.
Чрезвычайно высокие температуры в термосфере свидетель­ствуют лишь о том, что в этой весьма неплотной среде редкие молекулы перемещаются с огромной скоростью. Тело, находя­щееся здесь, не ощущает даже температур 1000—2000°. В тер­мосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеоритов.
Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60 км является ее ионизация, т. е. наличие в ней огромного количе­ства электрически заряженных частиц — ионов. Атмосфера становится электропроводной вследствие ионизации в тех слу­чаях, когда наблюдается наибольшая концентрация ионов. Так как ионизация характерна для термосферы, последнюю назы­вают также и ионосферой. Ионизация воздуха протекает под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца.
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощ­ных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 320—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизация. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмо­сфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.
По интенсивности процесса ионизации ионосфера делится на ряд слоев. Один из них (слой Е) находится на высоте около 100 км, слои F1 и F2— соответственно на высотах 150—180 и 220—400 км. В слое 60—80 км, т. е. в верхней мезосфере (слой D), процесс ионизации происходит слабее.
Отличительной особенностью ионосферы является ее влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны преломляются, отражаются и поглощаются.
Слой D распространяется до уровня 80 км. Здесь длинные радиоволны поглощаются больше, чем отражаются, что объяс­няется большей плотностью этого слоя. Остальные ионосферные слои (Е, F1 и F2) отражают преимущественно средние и корот­кие радиоволны, особенно слой F2, располагающийся на уровне 220—400 км.
Сильное поглощение коротких радиоволн в ионосфере вы­зывает нарушение радиосвязи. Это явление связано с измене­нием солнечной активности. На Солнце временами возникают солнечные пятна, сопровождающиеся усилением ультрафиоле­тового излучения. При этих процессах увеличивается электрон­ная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению нормальной работы радио­связи на коротких волнах. Объясняется это тем, что при уси­лении излучения Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния, имеющие вид красивых многокра­сочных дуг и драпри, загорающихся в ночном небе преимуще­ственно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопро­вождаются сильными магнитными бурями.
Путем фотографирования полярных сияний из двух пунк­тов, находящихся на расстоянии нескольких десятков кило­метров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно нижний край полярных сияний располагается на вы­соте около 100 км, верхняя их часть обнаруживается на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км.
Несмотря на выяснение природы полярных сияний, остается еще много нерешенных вопросов. До сих пор неизвестны при­чины многообразия форм полярных сияний, игры красок и пр.
При сильных магнитных бурях полярное сияние становится видимым и в средних широтах, а в редких случаях даже в тро­пической зоне. Интенсивное сияние, наблюдавшееся 21 — 22 января 1957 г., было видно почти во всех южных районах СССР.
В 50-х годах с помощью ракет и искусственных спутников Земли впервые удалось произвести зондирование ионосферы. Процессы, происходящие в ионосфере, изучаются и косвенными методами — по интенсивности и характеру таких явлений, как свечение ночного неба, полярные сияния и др.
Экзосфера — сфера рассеяния — самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она изучена менее всего. По данным, полученным с помощью косвенных методов наблюдений и теоретических расчетов, температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.
Еще сравнительно недавно предполагали, что условная гра­ница атмосферы лежит на высоте около 1000 км. Однако по торможению искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см3 содержится до 160 тысяч поло­жительных ионов атомарного кислорода и азота. Это указы­вает, что разреженные слои атмосферы простираются до вы­соты 2000 км и более.
На рис. 10 представлен схематический вертикальный разрез атмосферы; по вертикальной шкале отложены высота и давле­ние воздуха, сплошная кривая характеризует изменение тем­пературы воздуха с высотой. На соответствующих высотах изображены главнейшие явления, наблюдающиеся в атмо­сфере, а также максимальные высоты, достигнутые радиозондами и другими средствами зондирования атмосферы.

Вертикальный разрез атмосферы

Газовый хвост Земли. При высоких температурах на ус­ловной границе атмосферы скорости молекул достигают при­близительно 12 км/сек. При таких скоростях частицы газов . постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это осуществляется в течение длительного времени. Так, например, частицы водорода, по­падая на высоты около 300 км, переходят в межпланетное про­странство в течение нескольких лет, а частицы гелия — в тече­ние миллионов лет. Более тяжелые газы уходят за пределы земной атмосферы еще медленнее.
Исследование ночного свечения неба показывает, что форма воздушной оболочки Земли не шарообразна: рукав чрезвы­чайно разреженных газов наподобие хвоста кометы тянется от внешних слоев земной атмосферы в плоскости эклиптики в неосвещенной стороне нашей планеты. Судя по спектру, газо­вый хвост Земли состоит из кислорода и азота.
Газовый хвост Земли, по-видимому, образуется в резуль­тате давления солнечных лучей на верхние слои атмосферы.
Всего несколько лет назад предполагали, что за пределами земной атмосферы, в межпланетном пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц в них не превышает несколь­ких единиц в 1 см3. В настоящее время установлено, что меж­планетное пространство является сравнительно плотной средой с концентрацией, равной сотням частиц в 1 см3. Однако меж­планетная среда, как и природа газового хвоста Земли, еще не достаточно изучена.

Строение земной атмосферы » Детская энциклопедия (первое издание)

Земной шар со всех сторон окутан воздушной оболочкой, которая называется атмосферой, и поверхность Земли представляет собой как бы дно громадного воздушного океана. Окружающий нас воздух прозрачен, и поэтому невольно кажется, что нас окружает пустота. Но атмосфера постоянно напоминает нам о себе: дождь и снег, гроза и метель, ураган и затишье, жара и мороз — все это проявления воздушной стихии. Любуемся ли мы голубым цветом неба, мерцанием звезд, многоцветной радугой, легкой дымкой, окутывающей далекие горы, — всем этим мы обязаны земной атмосфере.

Если бы не было атмосферы, небо было бы абсолютно черным, ночь наступала бы и кончалась мгновенно с последними и первыми лучами Солнца, днем была бы нестерпимая жара, а ночью наступал бы сильнейший мороз.

С момента рождения человек непрерывно дышит, поглощая из воздуха необходимый ему для поддержания жизни кислород. Этот процесс длится в течение всей жизни — прекращению дыхания сопутствует смерть. Дыхание необходимо для жизни всех живых существ и на Земле и в воде. Без воздуха вообще не было бы жизни на Земле в ее теперешних, привычных для нас формах.

Различные явления природы привлекали внимание человека в продолжение всей истории человечества. Особое место среди этих явлений принадлежало погоде, так как именно погода постоянно окружает жизнь человека и иногда властно в нее вторгается.

Многие десятки и сотни тысяч лет люди пытливо следили за погодой, запоминали ее смены и в конце концов накопили огромный опыт, позволивший установить связь между разными явлениями погоды и приступить к выяснению порождающих ее причин, то есть создать науку, пришедшую на смену древним наивным суевериям, обожествлявшим непонятные первобытному человеку явления природы.

Большинство этих явлений, казавшихся когда-то непонятными, в настоящее время уже подробно объяснены наукой; многие еще не совсем поняты или поняты только в общих чертах. Но со всех них уже давно снят покров таинственности, установлена их материальная сущность. С помощью науки человек перестал быть беззащитным перед силами природы. Большинство из них он подчинил себе полностью или частично, по отношению к другим изыскал средства косвенной борьбы.

Атмосфера обладает сложным строением. По особенностям свойств в ней выделяются три основных слоя: тропосфера — нижний слой, простирающийся от поверхности Земли до высоты 9-17 километров, стратосфера, распространяющаяся до 80-90 километров и ионосфера от 80-90 километров. Выше 800 километров начинается зона рассеяния.

Большинство явлений природы и, в частности, все явления погоды развиваются главным образом в нижнем слое атмосферы — тропосфере. Этот слой более доступен для исследования и поэтому он изучен в настоящее время больше всего. Но полное познание явлений природы может быть достигнуто лишь тогда, когда мы изучим достаточно хорошо и более верхние слои атмосферы — стратосферу, ионосферу, иначе говоря, всю атмосферу в делом. Эта задача очень трудная, но за последние 15-20 лет здесь достигнуты большие успехи.

Огромный вклад в науку об атмосфере был сделан русскими учеными. Именно русский народ выдвинул из своей среды таких талантливых и смелых людей, как М. В. Ломоносов, А. Ф. Можайский, Д. И. Менделеев, Н. Е. Жуковский, К. Э. Циолковский, С. А. Чаплыгин и др., которые первыми воплотили в жизнь мечту человечества о завоевании воздуха.

Научиться понимать наблюдаемые явления в атмосфере это значит научиться читать увлекательную «книгу природы», которая каждый день открывает перед нами свою новую страницу.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

.

Характеристика планеты Земля: атмосфера, внутреннее строение

загрузка…

Данная статья представляет собой сообщение или доклад о планете Земля, где изложена характеристика этой планеты Солнечной системы: её параметры, описание атмосферы, орбиты, вращения, внутреннего строения.

Основные астрономические параметры

Максимальное расстояние от Солнца 152 млн. км (1,02 астрономической единицы)
Минимальное расстояние от Солнца 147 млн. км (0,98 астрономической единицы)
Диаметр по экватору 12 756 км
Средняя температура поверхности 20º С
Максимальная температура 60º С
Минимальная температура -90º С
Время оборота вокруг Солнца 365,3 суток
Время оборота вокруг своей оси 23,9 ч
Количество спутников 1

Самое заметное отличие Земли от остальных планет Солнечной системы — наличие условий, пригодных для жизни. Некоторые астрономы считают, что Земля вообще может быть единственной в своём роде, так как признаков жизни ни на одной из других известных нам планет пока не обнаружено. Зона Земли, в которой обитают живые организмы, называется биосферой и простирается от дна глубочайших океанских впадин до высоты примерно 9000 м над уровнем моря.

Земля — третья планета Солнечной системы (ближе неё к Солнцу расположены Венера и Меркурий). Пригодность нашей планеты для жизни объясняется именно расстоянием между ней и светилом. Орбита Земли проходит на весьма удалённом расстоянии (в среднем в 150 млн. км) от Солнца, поэтому средняя температура земной поверхности составляет 20º С. Водой, без которой немыслимо существовпние жизни, покрыто около 71 % поверхности планеты. В атмосфере Земли присутствуют практически исключительно безвредные и необходимые для поддержания жизни газы: воздух состоит на 77 % из азота, на 21 % из кислорода; 2 % в нём составляют другие газы, такие как водяной пар и углекислый газ.

Атмосфера

Около 4500 млн. лет назад, когда сформировалась Земля, её атмосфера состояла в основном из углекислого газа и азота; кислорода в ней почти не было. Затем, около 3600 млн. лет назад, на планете появились первые формы жизни. Одноклеточные организмы при помощи солнечных лучей стали перерабатывать углекислый газ в кислород (этот процесс называется фотосинтезом). Около 2500 млн. лет назад содержание кислорода в воздухе выросло настолько, что началась эволюция высших форм жизни. Атмосфера поддерживает достаточную для жизни температуру земной поверхности за счёт так называемого парникового эффекта. Содержащиеся в ней «парниковые газы» — метан, углекислый газ и водяной пар — поглощают часть попадающей в атмосферу солнечной энергии, что приводит к прогреву воздуха. Благодаря этому эффекту температура воздуха оказывается в среднем на 33º С выше, чем в условиях отсутствия парниковых газов в атмосфере. Атмосфера не только согревает земную поверхность, но и защищает её от солнечного излучения, особенно от вредной ультрафиолетовой его составляющей.

Земля, как и соседние с ней планеты, вращается одновременно вокруг Солнца и своей оси (воображаемой линии, соединяющей Северный и Южный полюса планеты через её центр). Наблюдатель, находящийся на Северном полюсе, может видеть, что Земля вращается вокруг своей оси против часовой стрелки — в том же направлении, в котором она движется по орбите. Период обращения Земли вокруг Солнца мы называем годом — хотя на один оборот вокруг светила нашей планете требуется не ровно 365 дней, а 365,256 дня. Компенсируем мы такое различие календаря с истиной путём прибавления к каждому четвёртому (високосному) году одного лишнего дня — 29 февраля (узнайте, Как определить, сколько дней в феврале).

Земная орбита — не идеальная окружность, а эллипс. В течение года расстояние между нашей планетой и Солнцем изменяется: ближе всего они сходятся (перигелий) примерно 3 января, дальше всего расходятся примерно 4 июля (афелий). Ось Земли направлена по отношению к плоскости орбиты не под прямым углом, а наклонена, поэтому Северное полушарие летом наклонено в сторону Солнца, а зимой — от него. Именно этим вызвана смена времён года.

Смена дня и ночи объясняется вращением Земли: на один оборот вокруг своей оси у нашей планеты уходит чуть меньше 24 часов. День наступает на обращённой к Солнцу стороне планеты, ночь — на противоположной. По мере вращения Земли Солнце меняет своё положение относительно наблюдателя, восходя на востоке и заходя на западе.

Внутреннее строение

Земля — одна из четырёх планет Солнечной системы, относящихся к земному типу. Кроме неё к этому типу относятся Меркурий, Венера и Марс. Эти планеты состоят из твёрдого вещества, плотность их из-за этого достаточно велика: хотя диаметр Земли по экватору составляет всего 12 756 км, весит она почти 6 миллионов триллионов кг (шестёрка с 24 нулями!). Учёные считают, что одна из причин столь высокой средней плотности Земли— её крупное ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Радиус ядра — около 3500 км; оно состоит из двух частей — твёрдого внутреннего и расплавленного внешнего. Конвекционные потоки в жидкой части ядра приводят к возникновению у планеты магнитного поля — Земля представляет собой как бы большой магнит, благодаря чему и действуют компасы. Вблизи центра планеты температура достигает 5000º С, но внутреннее ядро остаётся твёрдым из-за чудовищного давления.

Внешняя часть ядра планеты окружена полужидкой мантией. Поверх этого слоя расположен относительно тонкий слой, называемый земной корой и состоящий из более лёгкого, чем мантия, материала. Существует два типа коры — океаническая и континентальная. Толщина океанической коры достигает 6-11 км, континентальной — до 90 км.

Земля имеет шарообразную, точнее, эллипсоидную форму, поскольку утолщена на экваторе. Единственным и постоянным спутником нашей планеты является Луна.

Другие статьи:

Характеристика планеты Меркурий: атмосфера, поверхность, орбита

Характеристика планеты Венера: движение, строение, поверхность

Что за тёмные пятна на Луне

Первый полёт человека на Луну: как это было

Структура атмосферы | Климатическое управление Северной Каролины

Атмосфера состоит из 4 слоев: тропосферы, в которой мы живем, у поверхности земли; стратосфера, в которой находится озоновый слой; мезосфера, более холодный слой с меньшей плотностью, примерно 0,1% атмосферы; и термосфера, верхний слой, где воздух горячий, но очень тонкий.

Почему мне это нужно? Структура атмосферы определяет поведение атмосферы и определяет, как погода развивается у поверхности земли.

Я уже должен быть знаком с: Влажность, температура, давление, плотность

---

Рисунок A: Слои атмосферы (изображение из программы Comet)

Атмосфера состоит из 4 слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера. На рисунке A показано расположение различных слоев атмосферы и изменение температуры с высотой по мере продвижения от земли к космосу. Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы.Это слой, где мы живем и где бывает погода. Температура в этом слое обычно уменьшается с высотой. Граница между стратосферой и тропосферой называется тропопаузой. Струя струи находится на этом уровне, и это самая высокая точка, в которой может возникнуть погода. Высота тропосферы зависит от местоположения: она выше в более теплых областях и ниже в более холодных. Выше тропопаузы находится стратосфера. В этом слое температура увеличивается с высотой. Это потому, что в стратосфере находится озоновый слой.Озоновый слой теплый, потому что он поглощает ультрафиолетовые (УФ) лучи солнца. Мезосфера — это слой над стратосферой. Температура здесь понижается с высотой, как и в тропосфере. Этот слой также содержит соотношение азота и кислорода, аналогичное тропосфере, за исключением того, что их концентрация в 1000 раз меньше, и там мало водяного пара, поэтому воздух слишком разрежен для возникновения погоды. Термосфера — это самый верхний слой атмосферы. В этом слое температура увеличивается с высотой, потому что он непосредственно нагревается солнцем.

Почему температура и давление снижаются с высотой?

Рисунок B: Давление быстро падает с высотой над поверхностью

Молекулы, составляющие атмосферу, притягиваются к поверхности Земли под действием силы тяжести. Это приводит к тому, что атмосфера концентрируется у поверхности Земли и быстро истончается с высотой. Давление воздуха — это мера веса молекул над вами. По мере того, как вы поднимаетесь в атмосфере, над вами становится все меньше молекул, поэтому давление воздуха ниже.На рисунке B показано, как давление уменьшается с высотой. Черные пунктирные линии показывают, какая часть атмосферы находится ниже вас на определенном уровне. Например, на высоте 10 миль 90% атмосферы находится под вами. На пике Эвереста, как показано, давление воздуха на 70% ниже, чем на уровне моря. Это означает, что когда альпинисты дышат воздухом на вершине горы, они вдыхают только 30% кислорода, который они получили бы на уровне моря. Неудивительно, что большинство альпинистов используют кислородные баллоны при восхождении на гору.Эверест.

Зависимость температуры от высоты и давления тропосферы

Рисунок C

Температура в тропосфере уменьшается с высотой. Это верно по нескольким причинам. Во-первых, даже несмотря на то, что энергия солнца идет с неба, она в основном поглощается землей. Земля постоянно выделяет эту энергию в виде тепла в инфракрасном свете, поэтому тропосфера фактически нагревается от земли вверх, отчего она становится теплее у поверхности и холоднее наверху.Другая причина — уменьшение давления воздуха с высотой. Если теплый воздух у поверхности поднимается вверх в более прохладный воздух над ней, то поверхностный воздух будет продолжать подниматься. Когда воздух поднимается в области с более низким давлением, он расширяется, потому что вокруг него меньше молекул, сжимающих его. Молекулы в воздухе используют часть своей энергии, чтобы разойтись друг от друга, в результате чего температура воздуха снизится. Постоянно снижающееся давление воздуха в сочетании с подогревом грунта поддерживает снижение температуры в тропосфере с высотой.

В реальной атмосфере фактическая вертикальная структура температуры зависит от воздушных масс с определенными характеристиками температуры и влажности, вдуваемой в зону, а также от эффектов дневного отопления. Если у вас есть слой воздуха с теплой температурой над поверхностью, мы называем это «инверсией». Этот слой может действовать как крышка, предотвращающая образование облаков, а иногда и суровой погоды.

Хотите узнать больше?

Jet Streams, Энергетический баланс Земли, Озоновый слой

Ссылки на национальные стандарты научного образования:

Естественные науки в 7-м классе: 7.E.1.1: Сравните состав, свойства и структуру атмосферы Земли, чтобы включить смесь газов и различия в температуре и давлении внутри слоев.

Науки о Земле: EEn.2.5.1: Обобщите структуру и состав нашей атмосферы.

---

Мероприятия, сопровождающие информацию выше:

Активность: Energy Webquest

Деятельность учащихся: документ pdf, документ Word

Описание: В этом упражнении учащиеся просматривают несколько веб-сайтов, через которые они проходят слои атмосферы и перенос энергии в атмосфере.

Связь с темами: Структура атмосферы, проводимость, конвекция, излучение

.

слоев атмосферы Земли | UCAR Center for Science Education

Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, каждый из которых имеет свои особенности. Двигаясь вверх от уровня земли, эти слои называют тропосферой, стратосферой, мезосферой, термосферой и экзосферой. Экзосфера постепенно уходит в область межпланетного пространства.

Тропосфера — самый нижний слой нашей атмосферы. Начиная с уровня земли, она простирается вверх примерно до 10 км (6.2 мили или около 33000 футов) над уровнем моря. Мы, люди, живем в тропосфере, и почти вся погода бывает в этом нижнем слое. Здесь появляется больше всего облаков, главным образом потому, что 99% водяного пара в атмосфере находится в тропосфере. Когда вы поднимаетесь выше в тропосфере, давление воздуха падает, а температура становится холоднее.

Следующий слой называется стратосферой . Стратосфера простирается от верха тропосферы примерно до 50 км (31 миль) над землей.Печально известный озоновый слой находится в стратосфере. Молекулы озона в этом слое поглощают высокоэнергетический ультрафиолетовый (УФ) свет Солнца, превращая УФ-энергию в тепло. В отличие от тропосферы, стратосфера действительно становится теплее, чем выше вы поднимаетесь! Эта тенденция повышения температуры с высотой означает, что воздух в стратосфере лишен турбулентности и восходящих потоков тропосферы под ней. Коммерческие пассажирские самолеты летают в нижних слоях стратосферы, отчасти потому, что этот менее турбулентный слой обеспечивает более плавный полет.Струйное течение течет вблизи границы между тропосферой и стратосферой.

Над стратосферой находится мезосфера . Он простирается вверх на высоту около 85 км (53 мили) над нашей планетой. Большинство метеоров сгорает в мезосфере. В отличие от стратосферы, температура снова становится холоднее, когда вы поднимаетесь в мезосфере. Самые низкие температуры в атмосфере Земли, около -90 ° C (-130 ° F), наблюдаются в верхней части этого слоя. Воздух в мезосфере слишком разрежен, чтобы дышать; давление воздуха в нижней части слоя значительно ниже 1% давления на уровне моря и продолжает падать по мере того, как вы поднимаетесь выше.

Слой очень редкого воздуха над мезосферой называется термосферой . Рентгеновские лучи высокой энергии и УФ-излучение Солнца поглощаются термосферой, повышая ее температуру до сотен, а иногда и тысяч градусов. Однако воздух в этом слое настолько разрежен, что нам кажется ледяным холодом! Во многих отношениях термосфера больше похожа на космическое пространство, чем на часть атмосферы. Многие спутники фактически вращаются вокруг Земли в пределах термосферы! Вариации количества энергии, исходящей от Солнца, оказывают сильное влияние как на высоту верхней части этого слоя, так и на температуру внутри него.Из-за этого верхняя часть термосферы может быть найдена на высоте от 500 до 1000 км (от 311 до 621 миль) над землей. Температура в верхних слоях термосферы может варьироваться от 500 ° C (932 ° F) до 2000 ° C (3632 ° F) или выше. Полярное сияние, северное сияние и южное сияние происходят в термосфере.

Хотя некоторые эксперты считают термосферу самым верхним слоем нашей атмосферы, другие считают экзосферу фактической «последней границей» газовой оболочки Земли.Как вы можете себе представить, «воздух» в экзосфере очень, очень, очень тонкий, что делает этот слой даже более космическим, чем термосфера. Фактически, воздух в экзосфере постоянно — хотя и очень постепенно — «просачивается» из атмосферы Земли в космическое пространство. Нет четкой верхней границы, где экзосфера окончательно уходит в космос. Различные определения помещают верхнюю часть экзосферы где-то между 100 000 км (62 000 миль) и 190 000 км (120 000 миль) над поверхностью Земли.Последнее значение примерно на полпути до Луны!

Ионосфера не является отдельным слоем, как другие упомянутые выше. Вместо этого ионосфера представляет собой серию областей в частях мезосферы и термосферы, где высокоэнергетическое излучение Солнца выбивает электроны из их родительских атомов и молекул. Образованные таким образом электрически заряженные атомы и молекулы называются ионами, что дало ионосфере название и наделило эту область некоторыми особыми свойствами.

.

Структура атмосферы Земли

Определения терминов на диаграмме ниже
Подобные определения даны в глоссарии и заменят этот список, когда он будет заменен подробным обсуждением различных регионов в атмосфере Земли.

Тропосфера — «область смешения» — ближайшая к поверхности, высота от 5 до 10 миль в зависимости от местоположения / погоды (выше у экватора и летом, ниже у полюсов и зимой). Температура уменьшается с высотой (средний градиент 6 ° C / км или 18 ° F / милю).Когда температура снижается быстрее, чем обычно (например, холодный фронт выходит за теплый фронт), становится нестабильным по отношению к вертикальному перемешиванию (конвекция), поэтому смешивается относительно хорошо. Источник тепла = поглощение света поверхностью Земли, вертикальное перемешивание газов.

Тропопауза = граница между тропосферой (внизу) и стратосферой (вверху). По определению, температура постоянна с высотой, потому что не уменьшается, как в тропосфере, и не увеличивается, как в стратосфере.

Stratosphere — следующий по высоте слой, толщиной около 20 миль в зависимости от местоположения / погоды.Температура увеличивается с высотой. Поскольку инверсионный слой, вертикальное смешивание невозможно, следовательно, различные слои не смешиваются (= стратифицированы, отсюда и название слоя). Источник тепла = поглощение УФВ (излучения 240-320 нм) озоновым слоем.

Стратопауза = граница между стратосферой (внизу) и мезосферой (вверху).

Тропосфера и стратосфера = «нижняя атмосфера».

Озоновый слой — регион, где содержание озона относительно высокое и вызывает существенное повышение температуры по сравнению с более холодными регионами выше или ниже него.Распространяется от середины стратосферы до нижней части мезосферы, в зависимости от того, как измеряется количество озона (общее содержание или процентное содержание — см. Обсуждение внизу страницы).

Мезосфера — «средняя атмосфера», заканчивается примерно в 50 милях над поверхностью, в зависимости от солнечной активности. Температура уменьшается с высотой.

Мезопауза = граница между мезосферой (внизу) и термосферой (вверху).

Термосфера — «тепловая сфера», уходит в космос (от 50 до 300 миль от поверхности).Температура быстро увеличивается примерно до 1200-1500 Кельвинов (примерно от 1700 до 2200 градусов по Фаренгейту) и может быть даже выше, если солнечная активность выше, чем обычно. Источник тепла = поглощение фотонов высокой энергии (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение) и столкновения с частицами высоких энергий в радиационных поясах Ван Аллена (эти столкновения частиц ответственны за полярные сияния).

Экзосфера — буквально «внешняя атмосфера». Первоначально все, что находится над мезосферой, но теперь иногда только крайняя часть термосферы, где среднее расстояние, на которое частицы перемещаются между столкновениями, больше, чем масштабная высота, так что незаряженные частицы, которые движутся вверх со скоростью, превышающей убегающую, имеют существенное шанс сбежать в космос.Простирается от 300 до 600 миль над поверхностью.

Ионосфера = «ионизированная область». Область, охватывающая внешнюю и среднюю атмосферу, в которой столкновения с частицами высокой энергии или поглощение фотонов высокой энергии ионизируют атомы и молекулы со значительной скоростью. В верхней ионосфере более половины частиц ионизированы в любой момент времени, но в нижних слоях ионосферы рекомбинация ионизированных частиц происходит настолько быстро, что процент ионизированных частиц относительно невелик.В течение дня солнечное УФ ионизирует частицы в основании ионосферы быстрее, чем они могут рекомбинировать, и основание ионосферы перемещается вниз, но ночью ионы рекомбинируют, не подвергаясь реионизации, основание ионосферы перемещается вверх, а часть ионосферы перемещается вниз. «слои» могут полностью исчезнуть.

Большинство слоев нашей атмосферы определяется температурными изменениями (шкала внизу). Высота (в км) и давление (в миллибарах) показаны слева и справа. Внутри каждого слоя температура либо повышается (в стратосфере и термосфере), либо понижается (в тропосфере и мезосфере).Границы («паузы») между слоями определяются тем, где температура остается примерно такой же, как и высота. (Эта диаграмма, основанная на явно исчезнувшей веб-диаграмме, показывает только шестьдесят миль, ближайших к поверхности Земли. Она будет заменена диаграммой, которая также показывает верхние слои атмосферы, на следующей итерации этой страницы.)

Источником тепла в основании атмосферы является поглощение солнечного света поверхностью Земли и передача этого тепла нижним слоям атмосферы за счет теплопроводности.Затем тепло переносится вверх за счет конвекции (особенно во время грозы), что требует уменьшения градиента температуры с высотой. Этот источник тепла существует для всех планет, поэтому в нижних слоях атмосферы всех планет температура на поверхности относительно высока и уменьшается вверх.
Источник тепла в верхней части атмосферы в первую очередь связан с поглощением фотонов чрезвычайно высокой энергии (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение) от Солнца; и, в меньшей степени, в зависимости от широты, столкновения с частицами высоких энергий, захваченными в магнитном поле Земли и возбуждаемыми сжатием магнитосферы солнечным ветром.Некоторые из этих источников тепла более эффективны на больших высотах; но есть также значительное перемещение тепла из нижней термосферы в верхнюю термосферу в результате различных скоростей диффузии для атомов и молекул разной массы и кинетической энергии. Опять же, хотя есть различия в деталях, это верно для всех планетных атмосфер.
Источником тепла в нижней мезосфере и верхней стратосфере является поглощение ультрафиолетового излучения.Для большинства газов могут поглощаться только длины волн короче 240 нм (2400 ангстрем) или УФС — при этом молекулы разрушаются (фотодиссоциация). В солнечном свете не так много этого излучения, которое достигает пиков в видимом диапазоне и быстро уменьшается по мере того, как вы переходите в ультрафиолет, поэтому нагрев составляет в лучшем случае всего несколько десятков градусов, и если это единственный источник тепла, средняя атмосфера относительно холодная (так называемая «холодная ловушка» в атмосферах большинства планет). Однако для Земли высокое содержание кислорода позволяет образовывать озон, который легко поглощает волны длиной до 320 нм (3200 ангстрем) или УФ-В.Этого излучения намного больше, так как оно ближе к видимому, поэтому нагрев атмосферы намного больше, чем в атмосферах других планет, что вызывает высокие температуры в нижней мезосфере и верхней стратосфере. (Есть аналогичный эффект в атмосфере Титана, вызванный метаном, но Титан не является планетой, поэтому Земля по-прежнему уникальна среди планет в этом отношении.)
Озоновый слой : процентное содержание озона достигает пиков в верхней части стратосферы, и это, в сочетании с большим количеством ультрафиолетового излучения на высоте (меньшее — на более низких высотах), вызывает наибольший нагрев средней атмосферы в стратопаузе.Однако, поскольку количество воздуха быстро увеличивается по мере того, как вы спускаетесь вниз, даже несмотря на то, что процентное содержание озона меньше на более низких высотах, пиковое содержание с точки зрения фактического количества молекул является самым большим в середине стратосферы. В результате график, показывающий концентрацию озона в атмосфере, достигнет пика в стратопаузе, если это относится к нагреву озоном или концентрации озона; в то время как график, показывающий фактическое количество озона, достигнет пика в средней стратосфере, потому что количество молекул озона должно уменьшаться на больших высотах хотя бы потому, что на больших высотах меньше воздуха всех типов.

.

Структура атмосферы

Атмосферная структура

Структура атмосферы

Газообразная область, окружающая планету, разделена на несколько концентрических слоев или слоев. Около 99% общей массы атмосферы сосредоточено в первых 20 милях (32 км) над поверхностью Земли. Исторический очерк открытия структуры атмосферы.

ТЕПЛОВАЯ СТРУКТУРА

Атмосферные слои характеризуются вариациями температура, возникающая в основном из-за поглощения солнечного излучения; видимый свет на поверхности, ближнее ультрафиолетовое излучение в средней атмосфере, и далекое ультрафиолетовое излучение в верхних слоях атмосферы.

Тропосфера

Тропосфера — это слой атмосферы, ближайший к планеты и содержит самый большой процент (около 80%) массы всей атмосферы. Температура и содержание водяного пара в тропосфере быстро уменьшаются с высотой. Водяной пар играет важную роль в регулировании температуры воздуха, поскольку поглощает солнечную энергию и тепловое излучение с поверхности планеты. Тропосфера содержит 99% водяного пара в атмосфере. вода концентрация паров меняется в зависимости от широты.Они больше всего над тропиками, где они может достигать 3% и уменьшаться к полярным регионам.

Все явления погоды и происходят в тропосфере, хотя турбулентность может распространяться на нижнюю часть стратосферы. Тропосфера означает «регион перемешивания »и назван так из-за сильных конвективных воздушных потоков внутри слоя.

Верхняя граница слоя, известная как тропопауза , имеет высоту от 5 миль (8 км) около полюсов на высоте до 11 миль (18 км) над экватором.Его высота также меняется в зависимости от времени года; самый высокий в летом и ниже зимой.

Стратосфера

Стратосфера — это второй по величине слой воздуха. в атмосфере. Он простирается над тропопаузой до высоты около 30 миль (50 км) над поверхностью планеты. Температура воздуха в стратосфера остается относительно постоянной до высоты 15 миль (25 км). Затем постепенно увеличивается до до стратопаузы . Поскольку температура воздуха в стратосфере увеличивается с высотой, не вызывает конвекции и оказывает стабилизирующее воздействие на атмосферные условия в регионе.Озон играет важную роль в регулировании теплового режима стратосферы, так как содержание водяного пара в слой очень низкий. Температура увеличивается с увеличением концентрации озона. Солнечная энергия преобразуется в кинетическая энергия, когда молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение, что приводит к нагреванию стратосфера.

Озоновый слой расположен на высоте между 10-15 миль (15-25 км). Примерно 90% озона в атмосфере находится в стратосфере.Озон концентрация в этой области составляет около 10 частей на миллион по объему (ppmv) по сравнению с примерно 0,04 ppmv в тропосфере. Озон поглощает основную часть солнечного ультрафиолета излучение с длинами волн от 290 нм до 320 нм (УФ-В излучение). Эти длины волн вредны для жизни, потому что они может поглощаться нуклеиновой кислотой в клетках. Повышенное проникновение ультрафиолетового излучения на планету поверхность может нанести вред растениям и иметь вредные экологические последствия. Заметно большой количество солнечного ультрафиолетового излучения может привести к множеству биологических эффектов, таких как драматический увеличение раковых заболеваний.

В последнее время популярным развлечением является отправка вещей на воздушных шарах в стратосферу и размещение видео на YouTube.
Пивная банка поднимается на высоту 90 000 футов (17 миль, 27 км) и приземляется в «питье».
Игрушечный робот, космический шаттл Lego, игрушечный поезд Томас и даже кресло
Человек поднимается на высоту 128 000 футов (24+ миль, 39 км) и прыгает, преодолевая звуковой барьер при падении.
Воздушный шар для хороших туристов, но попробуйте ракету, чтобы добраться туда в спешке!

Мезосфера

Слой мезосферы, простирающийся примерно на 30–50 миль (от 50 до 85 км) над поверхностью, характеризуется понижением температуры.Самые низкие температуры в атмосфере Земли наверху этого слоя — мезопауза , особенно летом вблизи полюса. Мезосферу иногда в шутку называют «игноросферой», потому что она, вероятно, была наименее изученной из атмосферных слоев. Стратосферу и мезосферу вместе иногда называют средней атмосферой .

Термосфера

Термосфера расположена над мезосферой. Температура в термосфере в целом увеличивается с высотой, достигающей 600–2000 K (600–2000 K) в зависимости от солнечной активности.Это повышение температуры происходит из-за поглощения интенсивное солнечное излучение за счет ограниченного количества оставшегося молекулярного кислорода. На этой огромной высоте молекулы газа широко разделены. Выше 60 миль (100 км) от поверхности Земли химический состав воздуха сильно зависит от высоты, и атмосфера становится обогащены более легкими газами (атомарным кислородом, гелием и водородом). Также на высоте 60 миль (100 км) атмосфера Земли становится слишком тонкой для поддержки самолетов, а транспортным средствам необходимо двигаться с орбитальной скоростью, чтобы оставаться в воздухе.Это разграничение между аэронавтикой и космонавтикой известно как линия Кармана. На высоте примерно 100 миль (160 км) основным компонентом атмосферы становится атомарный кислород. На очень больших высотах остаточные газы начинают расслаиваться по молекулярная масса из-за гравитационного разделения.

Экзосфера

Экзосфера — наиболее удаленная от Поверхность Земли. В экзосфере восходящее путешествие молекула может улететь в космос (если она движется достаточно быстро) или быть втянутым на Землю гравитацией (если это не так) с небольшим вероятность столкновения с другой молекулой.Высота его нижняя граница, известная как термопауза или экзобаза , колеблется от 150 до 300 миль (250-500 км) в зависимости от солнечной активности. Верхняя граница теоретически можно определить по высоте (около 120 000 миль, половина расстояния до Луны), на которой влияние давления солнечного излучения на скорости атомарного водорода превышает влияние гравитационного притяжения Земли. Экзосфера, наблюдаемая из космоса в виде геокороны, простирается как минимум на 60 000 миль от поверхности Земли.Экзосфера — это переходная зона между атмосферой Земли и межпланетное пространство.

МАГНИТО-ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА

Верхняя атмосфера также делится на регионы в зависимости от поведения и количества свободных электронов и других заряженных частиц.

Ионосфера

Ионосфера определяется атмосферными воздействиями на распространение радиоволн. в результате наличия и изменения концентрации свободных электронов в атмосфере.

Область D составляет от 35 до 55 миль (60-90 км) по высоте, но исчезает ночью.
E-region находится на высоте от 55 до 90 миль (от 90 до 140 км).
F-регион находится на высоте более 90 миль (140 км). Днем у него два региона известный как F ₁ — регион с высоты от 90 до 115 миль (от 140 до 180 км) и F ₂ — область , в которой концентрация электронов достигает пика в диапазоне высот От 150 до 300 миль (от 250 до 500 км). Самая последняя карта Рост максимума (hmF2). Ионосфера над пиковую концентрацию электронов обычно называют как верхняя ионосфера .

Плазмосфера

Плазмосфера на самом деле не сферическая, это область в форме пончика (тор) с отверстием, выровненным по Магнитная ось Земли. [В данном случае суффикс-сфера употребляется скорее в переносном смысле слова «сфера влияния».] Плазмосфера Земли состоит именно из этого: плазма, четвертое состояние вещества. (Проверьте свои навыки сортировки состояний вещества с помощью Сортировщика Материи.) Эта плазма состоит в основном из ионов водорода (протонов) и электронов.Имеет очень острый край назвал плазмопаузой . Внешний край этого бублика над экватором обычно находится на расстоянии 4-6 земных радиусов от центра Земли. или 12 000-20 000 миль (19 000-32 000 км) над поверхностью. Плазмосфера по сути является продолжением ионосфера. Внутри плазмопаузы геомагнитное поле линии вращаются вместе с Землей. Внутренний край плазмосферы принимается за высота, на которой протоны замещают кислород как доминирующий в ионосферной плазме, которая обычно встречается на расстоянии около 600 миль (1000 км) высота.Плазмосферу также можно рассматривать как структуру внутри магнитосферы.

Магнитосфера

Вне плазмопаузы силовые линии магнитного поля не могут вращаться, потому что на них сильно влияют электрические поля происхождения солнечного ветра. Магнитосфера — это полость (также не сферическая), в которой магнитное поле Земли ограничено солнечный ветер и межпланетное магнитное поле (ММП). Внешняя граница магнитосферы называется магнитопауза .Магнитосфера имеет форму продолговатой слезы (как украшение ёлки) с хвостом, направленным в сторону. с Солнца. Магнитопауза обычно расположена на расстоянии около 10 радиусов Земли или около 35000 миль (около 56000 км) над поверхностью Земли на дневной стороне. и тянется в длинный хвост, магнитосферный хвост , длиной несколько миллионов миль (около 1000 земных радиусов), далеко за орбитой Луны (около 60 земных радиусов), на ночной стороне Земли. Однако сама Луна обычно находится вне магнитосферы, за исключением пары дней вокруг Полнолуния.

За магнитопаузой находятся магнитослой и головная ударная волна , которые являются областями в солнечной ветер обеспокоен присутствием Земли и ее магнитным полем.

.