Що таке атмосфера землі?

Сукупність розділів фізики та хімії, які вивчають атмосферу, прийнято називати фізикою атмосфери. Атмосфера визначає погоду на поверхні Землі, вивченням погоди займається метеорологія, а тривалими варіаціями клімату - кліматологія.

Шари атмосфери

Атмосфера має шарувату структуру.
Від поверхні Землі вгору ці шари розташовуються так:

• Тропосфера
• Стратосфера
• Мезосфера
• Термосфера
• Екзосфера

Межі між шарами не різко і їх висота залежить від широти і пори року. Шарувата структура - результат температурних змін на різних висотах. Погода формується в тропосфері (нижні приблизно 10 км: близько 6 км над полюсами і більше 16 км над екватором). І верхня межа тропософери вище влітку, ніж взимку.

Тропосфера

Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, в якій зосереджено 4/5 всієї маси атмосферного повітря, носить назву тропосфери. Для неї характерно, що температура тут з висотою падає в середньому на 0.6 ° / 100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже весь водяний пар атмосфери і виникають майже всі хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так званих струменевих течіях у верхній частині тропосфери.

Висота, до якої тягнеться тропосфера, над кожним місцем Землі змінюється день у день. Крім того, навіть в середньому вона різна під різними широтами і в різні сезони року. В середньому річному тропосфера простирається над полюсами до висоти близько 9 км, над помірними широтами до 10-12 км і над екватором до 15-17 км. Середня річна температура повітря в земної поверхні близько + 26 ° на екваторі і близько -23 ° на північному полюсі. На верхній межі тропосфери над екватором середня температура близько -70 °, над північним полюсом взимку близько -65 °, а влітку близько -45 °.

Тиск повітря на верхній межі тропосфери відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна маса атмосферного повітря знаходиться саме в тропосфері. Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і клімату в земної поверхні.

У тропосфері зосереджено весь водяний пар і саме тому всі хмари утворюються в межах тропосфери. Температура зменшується з висотою.

Сонячні промені легко проходять через тропосферу, а тепло, яке випромінює нагріта сонячними променями Земля, накопичується в тропосфері: такі гази, як вуглекислий газ, метан а також пари води утримують тепло. Такий механізм прогрівання атмосфери від Землі, нагрітої сонячною радіацією, називається парниковий ефект (greenhouse effect). Саме тому, що джерелом тепла для атмосфери є Земля, температура повітря з висотою зменшується.

Кордон між турбулентної тропосферою і спокійною стратосферою називається тропопауза. Тут утворюються швидко рухомі вітри, звані "реактивні потоки" ( jet streams)

Колись припускали, що температура атмосфери падає і вище тропософери, однак вимірювання у високих шарах атмосфери показали, що це не так: відразу вище тропопаузи температура майже постійна, а потім починає збільшуватися Сильні горизонтальні вітри дмуть в стратосфері не образуя турбулентності. Повітря стратосфери дуже сухою і тому хмари рідкі. Утворюються так звані перламутрові хмари ( nacreous or mother-of-perl).

Стратосфера дуже важлива для життя на Землі, так саме в цьому шарі знаходиться невелика кількість озону, що поглинає сильне ультафіолетовое випромінювання, шкідливе для життя. Поглинаючи ульрафіолетовое випромінювання озон нагріває стратосферу.

Стратосфера

Над тропосферою до висоти 50-55 км лежить стратосфера, що характеризується тим, що температура в ній в середньому зростає з висотою. Перехідний шар між тропосферою і стратосферою (товщиною 1-2 км) носить назву тропопаузи.

Вище були наведені дані про температуру на верхній межі тропосфери. Ці температури характерні і для нижньої стратосфери. Таким чином, температура повітря в нижній стратосфері над екватором завжди дуже низька- притому влітку багато нижче, ніж над полюсом.

Нижня стратосфера більш-менш ізотермічна. Але, починаючи з висоти близько 25 км, температура в стратосфері швидко зростає з висотою, досягаючи на висоті близько 50 км максимальних, притому позитивних значень (від +10 до + 30 °). Внаслідок зростання температури з висотою турбулентність в стратосфері мала.
Водяної пари в стратосфері мізерно мало. Однак на висотах 20-25 км спостерігаються іноді у високих широтах дуже тонкі, так звані перламутрові хмари. Днем вони не видно, а вночі здаються світними, тому що висвітлюються сонцем, що знаходиться під обрієм. Ці хмари складаються з переохолоджених водяних крапельок. Стратосфера характеризується ще тим, що переважно в ній міститься атмосферний озон, про що було сказано вище

Мезосфера

Над стратосферою лежить шар мезосфери, приблизно до 80 км. Тут температура з висотою падає до декількох десятків градусів нижче нуля. Внаслідок швидкого падіння температури з висотою в мезосфері сильно розвинена турбулентність. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (75-90 км), спостерігаються ще особливого роду хмари, також освітлювані сонцем у нічні години, так звані сріблясті. Найбільш ймовірно, що вони складаються з крижаних кристалів.

На верхній межі мезосфери тиск повітря разів у 200 менше, ніж у земної поверхні. Таким чином, в тропосфері, стратосфері і мезосфері разом, до висоти 80 км, полягає більше ніж 99,5% всієї маси атмосфери. На вищележачі шари доводиться зовсім незначну кількість повітря.

На висоті близько 50 км над Землею температура знову починає падати, позначаючи верхню межу стратосфери і початок наступного шару - мезосфери. Мезосфера має найхолоднішу температуру в атмосфері: від -2 до - 138 градусів Цельсія. Тут же знаходяться найвищі хмари: в ясну погоду їх можна бачити при заході сонця. Вони називаються noctilucent (світяться вночі).

Термосфера

Верхня частина атмосфери, над мезосферою, характеризується дуже високими температурами і тому носить назву термосфери. У ній розрізняються, однак, дві частини: іоносфера, що тягнеться від мезосфери до висот порядку тисячі кілометрів, і лежача над нею зовнішня частина - екзосфера, що переходить у земну корону.

Повітря в іоносфері надзвичайно розріджене. Ми вже вказували, що на висотах 300-750 км його середня щільність порядку 10-8-10-10 г / м3. Але і при такій малій щільності кожний кубічний сантиметр повітря на висоті 300 км ще містить близько одного мільярда (109) молекул або атомів, а на висоті 600 км - понад 10 мільйонів (107). Це на кілька порядків більше, ніж вміст газів в міжпланетному просторі.
Іоносфера, як говорить сама назва, характеризується дуже сильним ступенем іонізації повітря - вміст іонів тут у багато разів більше, ніж в нижчих шарах, незважаючи на сильну загальну розрідженість повітря. Ці іони являють собою в основному заряджені атоми кисню, заряджені молекули окису азоту і вільні електрони. Їх зміст на висотах 100-400 км - порядку 1015-106 на кубічний сантиметр.

У іоносфері виділяється декілька шарів, або областей, з максимальною іонізацією, особливо на висотах 100- 120 км (шар Е) і 200-400 км (шар F). Але і в проміжках між цими шарами ступінь іонізації атмосфери залишається дуже високою. Положення іоносферних шарів і концентрація іонів у них весь час змінюються. Спорадичні скупчення електронів з особливо великою концентрацією називаються електронними хмарами.

Від ступеня іонізації залежить електропровідність атмосфери. Тому в іоносфері електропровідність повітря в загальному в 1012 разів більше, ніж у земної поверхні. Радіохвилі випробовують в іоносфері поглинання, заломлення і віддзеркалення. Хвилі довжиною понад 20 м взагалі не можуть пройти крізь іоносферу: вони відбиваються вже шарами невеликій концентрації в нижній частині іоносфери (на висотах 70- 80 км). Середні і короткі хвилі відбиваються вищерозташованими іоносферними шарами.

Саме внаслідок відбиття від іоносфери можливий далекий зв'язок на коротких хвилях. Багаторазове відображення від іоносфери і земної поверхні дозволяє коротким хвилям зигзагоподібно поширюватися на великі відстані, огинаючи поверхню земної кулі. Оскільки положення і концентрація іоносферних шарів безупинно змінюються, змінюються і умови поглинання, відбиття і поширення радіохвиль. Тому для надійного радіозв'язку необхідне безупинне вивчення стану іоносфери. Спостереження над поширенням радіохвиль саме є засобом для такого дослідження.

У іоносфері спостерігаються полярні сяйва і близьке до них по ~ природі світіння нічного неба - постійна люмінесценція атмосферного повітря, а також різкі коливання магнітного поля - іоносферні магнітні бурі.

Іонізація в іоносфері зобов'язана своїм існуванням дії ультрафіолетової радіації Сонця. Її поглинання молекулами атмосферних газів приводить до виникнення заряджених атомів і вільних електронів, про що йшлося вище. Коливання магнітного поля в іоносфері і полярні сяйва залежать від коливань сонячної активності. Із змінами сонячної активності пов'язані зміни в потоці корпускулярної радіації, що йде від Сонця в земну атмосферу. А саме корпускулярна радіація має основне значення для зазначених іоносферних явищ.

Температура в іоносфері зростає з висотою до дуже великих значень. На висотах близько 800 км вона досягає 1000 °.

Говорячи про високі температури іоносфери, мають на увазі те, що частки атмосферних газів рухаються там з дуже великими швидкостями. Однак щільність повітря в іоносфері так мала, що тіло, що знаходиться в іоносфері, наприклад летить супутник, не нагріватиметься шляхом теплообміну з повітрям. Температурний режим супутника буде залежати від безпосереднього поглинання ним сонячної радіації і від віддачі його власного випромінювання в навколишній простір. Термосфера знаходиться вище мезосфери на висоті від 90 до 500 км над поверхнею Землі. Молекули газу тут сильно розсіяні, поглинають рентгенівське випромінювання (X rays) і короткохвильову частину ультрафіолетового випромінювання. Через це температура може досягати 1000 градусів Цельсія.

термосфера в основному відповідає іоносфері, де іонізований газ відбиває радіохвилі назад до Землі - це явище дає можливим встановлювати радіозв'язок.

Екзосфера

Вище 800-1000 км атмосфера переходить в екзосферу і поступово в міжпланетний простір. Швидкості руху часток газів, особливо легких, тут дуже великі, а внаслідок надзвичайної розрідженості повітря на цих висотах частки можуть облітати Землю по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. Окремі частки можуть при цьому мати швидкості, достатні для того, щоб подолати силу тяжіння. Для незаряджених частинок критичною швидкістю буде 11,2 км / сек. Такі особливо швидкі частки можуть, рухаючись по гіперболічних траєкторіях, вилітати з атмосфери в світовий простір, "вислизати", розсіюватися. Тому екзосферу називають ще сферою розсіювання.

Вислизання піддаються переважно атоми водню, який є панівним газом у найбільш високих шарах екзосфери.

Нещодавно передбачалося, що екзосфера, і з нею взагалі земна атмосфера, кінчається на висотах близько 2000-3000 км. Але зі спостережень за допомогою ракет і супутників створилося уявлення, що водень, що вислизає з екзосфери, утворює навколо Землі так звану земну корону, що простирається більш ніж до 20 000 км. Звичайно, щільність газу в земній короні мізерно мала. На кожний кубічний сантиметр тут доводиться в середньому всього близько тисячі частинок. Але в міжпланетному просторі концентрація часток (переважно протонів і електронів) принаймні в десять разів менше.

За допомогою супутників і геофізичних ракет встановлено існування у верхній частині атмосфери й у навколоземному космічному просторі радіаційного поясу Землі, що починається на висоті декількох сотень кілометрів і тягнеться на десятки тисяч кілометрів від земної поверхні. Цей пояс складається з електрично заряджених частинок - протонів і електронів, захоплених магнітним полем Землі і рухаються з дуже великими швидкостями. Їх енергія - порядку сотень тисяч електрон-вольт. Радіаційний пояс постійно втрачає частки в земній атмосфері і поповнюється потоками сонячної корпускулярної радіації.