Состав и строение атмосферы

Более привычная, наиболее изученная и наиболее понятная из газоплазменных оболочек Земли — атмосфера, или воздушная оболочка. Она является связующим звеном в приповерхностном пространстве Земли, расположенным между поверхностью суши и океанов внизу и ионосферой в верхней её части.

Атмосфера — воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести, вещественно-энергетическим обменом и принимающая участие в её суточном вращении и годовом движении по орбите. Воздух сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает, а атмосферное давление понижается. Недавно предполагалось, что земная атмосфера кончается на высотах 2000–3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет, спутников и других космических аппаратов создалось представление, что вокруг атмосферы Земли существует ещё земная корона, простирающаяся более чем до 20000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала, но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

Состав сухого воздуха (без водяного пара) у земной поверхности по объёму следующий: азот 78,08%, кислород 20,95%, аргон 0,93%, углекислый газ 0,03%, другие газы (неон, гелий, метан, криптон, водород, закись азота, озон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод, радон) составляют всего 0,01%.

Кроме названных компонентов, фактически воздух содержит в приземном слое влагу в газообразном, жидком или твёрдом состоянии (почти от 0% до 4%).

Общая масса атмосферы составляет 5•10¹⁵ т. При этом половина всей массы воздуха находится в нижних 5 км, 3/4 — в нижних 10 км и 95% — в нижних 20 км.

В атмосфере выделяется несколько основных слоёв.

Тропосфера простирается до высоты 8–10 км в полярных широтах и до 16–18 км в межтропических; содержит 4/5 атмосферного воздуха и почти весь водяной пар; характеризуется понижением температуры с высотой в среднем на 0,65° на каждые 100 м. В результате при среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли на экваторе +26°, на северном полюсе -23° и на южном полюсе -76°, среднегодовая температура воздуха у верхней границы тропосферы над экватором снижается до -70°, а температура над северным полюсом достигает зимой -65°, а летом -45°. Кроме того, в тропосфере происходит сильное развитие турбулентности и конвекции с образованием облаков. В тропосфере часто встречаются температурные инверсии, формируются воздушные массы и фронты, а также протекают процессы, определяющие погоду и климат.

Тонкий переходный слой к стратосфере, мощностью от сотен метров до 2–3 км, называется тропопаузой.

Стратосфера простирается над тропопаузой до высоты 45–55 км. Газовый состав её сходен с тропосферой, но в стратосфере содержится меньше водяного пара и больше озона. Озоновый слой приурочен к высотам 25–70 км при максимуме содержания озона на высотах 25–30 км. По другим источникам, максимальное содержание озона в стратосфере отмечается на высотах 21–24 и 28–31 км (данные эти осреднённые и приблизительные, так как широтные и сезонные перераспределения озона очень сложны). Содержащееся в озоновом слое количество О₃ не велико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм и температуре +20°С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм.

Формирование и функционирование озонового слоя атмосферы Земли поддерживается множеством природных процессов: атмосферных возмущений, ионосферных и геомагнитных возмущений, солнечно-земных проявлений (электромагнитных излучений и взаимосвязи с ионосферой) и вулканических проявлений, геомагнитных микро- и макропульсаций, сейсмических проявлений (вещественных инжекций и влияния на электрорежим атмосферы).

В целом озоносодержание в стратосфере представляет собой процесс непрерывной генерации и диссоциации озона (рис.9).

Рис. 9. Естественная генерация и диссоциация озона

Фотогенерация озона протекает в ходе поглощения солнечного ультрафиолета. Распределение его по широтам и долготам очень неравномерно. Основные области его естественной генерации — экваториальные, в которых спектральные условия генерации оптимальны. В результате поглощения ультрафиолетовой радиации Солнца с длинами волн 0,15–0,29 мкм происходит понижение температуры от -40 — -80° у нижней границы до близ 0° у верхней.

Экологическое значение озонового слоя связано с его поглотительными функциями для климата Земли (см.выше) и для её биосферы.

Исходя из идеи «живой Земли», которая косвенно и явно выносилась в научную среду целым рядом исследователей [Чижевский, 1924; Вернадский, 1965; Тейяр де Шарден, 1965; Шипунов, 1980; Дмитриев, 1988, 1989 и др.], озоносфера рассматривается как общепланетарный механизм контроля биоты в пространстве и времени, поскольку она является максимально чувствительным образованием биосферы в солнечно-земных связях и несёт в себе тончайшие возможности передаточного звена в режиме Земля ® Космос, Космос ® Земля.

Озоновый слой следует назвать чувствительным органом биосферы, реагирующим на естественные и техногенные условия существования динамического равновесия, сдвигаемого в сторону интенсивного наращивания или убывания О₃. Биосферное значение озонового слоя складывается из двух основных функций: предохранительных влияний (на состав жизненных форм на Земле) и сигнальной роли (в биосфере и в масштабе всей Солнечной системы).

Предохранительное влияние озонового слоя на живые организмы определяется его экранирующей защитой от солнечного ультрафиолета. Разрушение этого слоя и, следовательно, снижение его защитной роли губительно для организмов. Эта функция озонового слоя широко известна.

Сигнальная роль озонового слоя в целом для Солнечной системы может быть изложена на уровне некоторой системы предположений и базируется на гипотезе о системном значении биосферы, а именно: жизненный самоподдерживающийся процесс на Земле имеет функциональную нагрузку в Солнечной системе. Здесь идут процессы поддержания и сохранения жизненных форм на Земле на принципах прямой и обратной связи. Озоновый слой — это общебиосферный показатель развития и стабилизации живых форм посредством последовательной фильтрации сигналов.

Озоносфера интерпретируется как одно из передаточных звеньев в солнечно-земных взаимосвязях и может служить интегральным показателем состояния биосферы [Дмитриев и др., 1991].

В стратосфере наблюдаются перламутровые облака, скорости ветра до 80–100 м/сек и струйные течения.

Тонкий переходный слой к мезосфере называется стратопаузой.

Мезосфера — средний слой атмосферы, располагается над стратопаузой до высоты 80–85 км. Характеризуется понижением средней температуры воздуха с высотой от 0° у нижней границы до -90° у верхней.

Термосфера — слой верхней атмосферы, расположенный над мезосферой до высоты 800–1000 км. Характеризуется чрезвычайной разрежённостью воздуха, благодаря чему частицы, под действием ультрафиолетового излучения Солнца, разгоняются, не сталкиваясь, до скоростей, соответствующих в приземном слое очень высоким температурам. В результате температура в термосфере быстро растёт, достигая на высоте 200–300 км величин порядка более 1500°, а в верхней термосфере — около 2000°. Космические аппараты на этих высотах не испытывают соответственного разогрева, потому что из-за ничтожной плотности воздуха суммарное количество ударов частиц на единицу поверхности аппарата ничтожно мало.

Термосферу, или во всяком случае её нижнюю часть, называют ещё ионосферой благодаря высокому содержанию молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Ионизация происходит под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации и придаёт высокую электропроводность этой сильно разрежённой сфере.

Экзосфера — внешний, наиболее разрежённый слой атмосферы, расположенный над термосферой. В отношении верхней границы экзосферы нет единого мнения: одни учёные считают, что верхняя граница экзосферы совпадает с верхней границей атмосферы; другие называют верхнюю часть экзосферы земной короной.

Экзосфера характеризуется постоянством температуры (около 2000°) на всём своём протяжении до высоты 20000 км. Плотность воздуха здесь столь мала, а температура настолько высока, что длина среднего свободного пробега частиц очень велика, и частицы, движущиеся вертикально вверх, могут без столкновения с другими частицами вылетать из атмосферы. Так происходит диссипация (ускользание) наиболее лёгких частиц (атомов водорода и гелия) в мировое пространство.