Что изучает метеорология? Строение атмосферы

Метеорология — наука о физических процессах, протекающих в воздушной оболочке нашей планеты в их взаимосвязи с подстилающей поверхностью и космическим пространством. Воздушная оболочка нашей планеты называется атмосферой. Планету можно рассматривать как несколько сплюснутый эллипсоид вращения. Экваториальный радиус Земли больше полярного радиуса. Еще большим эллипсоидом будет атмосфера.

Сегодня считают, что у полюсов вертикальные размеры атмосферы составляют около 28 000 км, а над экватором — около 42 000 км. До этих высот земное притяжение способно еще удерживать отдельные частицы воздуха. Резкой границы атмосферы не существует. Атмосфера постепенно переходит в межпланетную среду.

Воздушная оболочка планеты защищает нашу Землю от губительных космических лучей, от контрастных смен температуры и является преградой для метеоритов.

Строение атмосферы. Атмосфера по своим физическим характеристикам неоднородна в вертикальном и горизонтальном направлениях. Изменяются все параметры, которые характеризуют состояние атмосферы: температура, давление, плотность воздуха, газовый состав, влажность, концентрация жидкого и твердого аэрозоля, газообразных примесей в воздухе, скорость ветра, электрические заряды и др. Особенно велики изменения всех параметров по вертикали.

Атмосферу делят на слои (рис. 1.1). Мы живем в нижнем слое — в тропосфере. Тропосфера в умеренных широтах простирается примерно до высоты 11 км. Высота тропосферы увеличивается в тропических и экваториальных зонах до 15—18 км. Над полюсами и прилегающими широтами верхняя граница тропосферы лежит в среднем на высотах 6—10 км. Вертикальная мощность тропосферы значительно изменяется в течение суток. Днем она выше, а ночью может стать меньше на несколько километров, что связано, главным образом, с изменениями температуры воздуха.

Рис. 1.1. Деление атмосферы на слои по температурному признаку

В тропосфере температура с высотой падает на каждые 100 м в среднем на 0,65°С. На верхней границе тропосферы, в тропопаузе, температура над экватором составляет примерно 190 К (—83°С). Над полюсами, на высотах 8 км, температура около 220 К (—53°С).

В тропосфере содержится 75% всего воздуха. В тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар и, соответственно, почти все облака. Все наблюдаемые нами погодные изменения происходят в тропосфере. Для тропосферы характерно интенсивное вертикальное перемешивание. С высотой воздух становится все более разряженным. На вершинах высоких гор кислорода не хватает даже для нормального дыхания.

Слой выше тропосферы называется стратосферой. Здесь гораздо меньше воздуха. Самолеты дальних рейсов поднимаются в нижний слой стратосферы, чтобы быстрее лететь, благодаря меньшему сопротивлению воздуха и наиболее экономичной в холодном воздухе работе двигателей. Иногда им помогают также высокоскоростные струйные течения.

В стратосфере на высотах 20—55 км находится слой озона, озоносфера. Озон поглощает очень короткие ультрафиолетовые волны, излучаемые Солнцем. Тем самым озоносфера защищает Землю и ее обитателей от вредоносного излучения Солнца и обеспечивает существование жизни на этой планете.

В течение года количество озона в атмосфере меняется. Максимальное количество озона в умеренных широтах наблюдается к концу зимы, а минимальное — к концу лета. Количество озона различно и по широтам. Максимальное оно на севере умеренных широт, а в тропических районах (от 30° северной широты до 30° южной широты) слой озона примерно в два раза меньший.

Очень короткие солнечные ультрафиолетовые волны, поглощаемые озоном, несут большую энергию, и слой озона разогревается. Этим объясняется рост температуры в стратосфере, начиная с 20 км. В связи с ростом температуры с высотой в стратосфере стратификация устойчивая, вертикальные движения воздуха затруднены.

Следующим слоем атмосферы является мезосфера. Она простирается до высоты 80 км. В этом слое температура с высотой падает, достигая минимальных для атмосферы значений — минус 140°С. Плотность воздуха очень мала. С этих высот большинство газов находится в атомарном состоянии.

Следующий слой называется термосферой. По расчетам в нем на высотах свыше 600 км температуры составляют несколько тысяч Кельвинов. В термосфере плотность атмосферных газов так мала, что отдельные газовые частицы пробегают огромные расстояния, не встречаясь с другими частицами, и развивают огромные скорости адекватные столь высоким температурам.

Самый дальний от Земли слой называется экзосферой. Здесь почти нет газа. Экзосфера является слоем постепенного перехода к космическому пространству.

Начиная с 80 км, в атмосфере появляются ионы — частицы, несущие электрический заряд. Они образуются под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца. Атмосферу выше 80 км называют ионосферой. Благодаря ионосфере возможна радиосвязь. В экзосфере, термосфере и даже в мезосфере в ионизированном воздухе наблюдаются полярные сияния.

Подводя итог, следует подчеркнуть, что хотя атмосфера окружает Землю слоем несколько десятков тысяч километров, ее плотность, а соответственно и масса, с высотой очень быстро падают. В огромном по толщине слое, лежащим выше 20 км, находится всего 10% атмосферного воздуха. Если представить себе Землю в виде глобуса диаметром 64 см (вспомним, что радиус Земли составляет около 6400 км), то в принятом масштабе 20-километровый слой превращается в 1 мм. И в этой тонкой пленке, покрывающей Землю, содержится почти весь воздух (90%)!

Современные технологии позволяют увидеть плотные слои нашей атмосферы. На рис. 1.2 (см. вкладку) видна эта тончайшая пленка плотного атмосферного воздуха. Снимки сделаны из космоса. Появляющееся из-за земного диска Солнце освещает земную атмосферу. На втором снимке показана освещенная Солнцем Земля, у горизонта видно насколько тонка атмосфера.