Строение атмосферы. Описание слоев

По своим физическим свойствам атмосфера чрезвычайно неоднородна как по горизонтали, так и по вертикали. По физическим свойствам и развитию различных явлений (вертикальное распределение температуры, ветра, давления и влажности воздуха, развитие облачности и осадков, электропроводность и т. д.) атмосфера разделяется на ряд слоев (сфер). В настоящее время (с 1951 г.) общепризнанным является деление атмосферы на следующие слои (табл. 63).

В свою очередь каждый из этих слоев может быть разделен на несколько более мелких слоев (подслоев); особенно это относится к тропосфере. По мере накопления наших знаний разделение атмосферы на слон уточняется.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, физические свойства которого в значительной степени определяются тепло- и влагообменом с поверхностью Земли. Высота тропосферы колеблется в зависимости от широты места, времени года, давления у земной поверхности и других причин, в пределах от 7 км (у полюсов) до 18 км (у экватора). В умеренных широтах средняя высота тропосферы составляет 11 км; зимой она меньше, летом больше. В тропосфере сосредоточено до 80% всей массы воздуха, практически весь водяной пар, твердые и жидкие примеси земного происхождения.

Характерными особенностями тропосферы являются понижение температуры и влажности воздуха с высотой, как результат удаления от земной поверхности, которая является основным непосредственным источником тепла и водяных паров.

Для тропосферы характерны интенсивные вертикальные движения воздуха, которые наблюдаются как в виде неупорядоченных вихревых движений, так и в виде восходящих и нисходящих струй. Здесь происходят процессы конденсации и сублимации водяного пара, образование облаков, выпадение «осадков и развитие всех явлений погоды. Таким образом, тропосфера является самым деятельным слоем атмосферы.

Тропосфера подразделяется на нижнюю, среднюю и верхнюю.

Нижняя тропосфера (пограничный слой, слой трения, возмущения, механического перемешивания) распространяется от земной поверхности до высоты 1—2 км. Над водной поверхностью толщина этого слоя меньше, над сушей — больше.

В пограничном слое особенно резко сказывается влияние подстилающей поверхности. Оно проявляется в воздействии на воздушные течения сил трения о земную поверхность, а также в быстроте тепло- и влагообмена с последней.

В результате воздействия сил трения воздуха о земную поверхность скорость ветра быстро возрастает с высотой. Кроме того, трение о земную поверхность создает завихренность воздушных течений, что способствует переносу тепла и влаги.

Над континентом, где имеются большие суточные изменения температуры земной поверхности (суточный ход), эти изменения с небольшим запаздыванием передаются и в пограничный слой атмосферы, причем их амплитуды с удалением от земной поверхности несколько убывают. С суточными изменениями температуры подстилающей поверхности также связаны суточные изменения влажности и ветра.

Внутри пограничного слоя атмосферы выделяют приземный, или приводный слой, который простирается от поверхности суши (воды) на 30—50 м по вертикали. Этот слой наиболее резко испытывает влияние подстилающей поверхности. В нем наиболее быстро изменяется по высоте температура и влажность воздуха. Ветер в этом слое по направлению практически не изменяется с высотой, зато по скорости изменяется очень быстро. У самой поверхности воды или суши из-за трения скорость ветра практически близка к «нулю.

Средняя тропосфера (средний слой) простирается от 1—2 до 6 км по высоте. Здесь влияние подстилающей поверхности заметно меньше, суточный ход метеоэлементов прослеживается с трудом. В этом слое происходят важнейшие процессы погоды: перенос воздушных масс, образование и размывание атмосферных фронтов, облаков среднего и нижнего ярусов и др.

Верхняя тропосфера (верхний слой) располагается на высотах от 6 км и до верхней границы тропосферы. Влияние подстилающей поверхности незначительное, в ходе метеоэлементов отсутствуют суточные изменения. В этом слое температура воздуха всегда ниже нуля, поэтому облака состоят из ледяных кристаллов; здесь располагаются вершины мощных кучевых облаков и облака верхнего яруса.

Тропопауза — переходный слой между тропосферой и стратосферой толщиной в 1—2 км. Следует отметить, что высота тропопаузы увеличивается от полюсов к экватору не плавно. Там, где имеется резкое изменение температуры по горизонтали, т. е. в так называемых высотных планетарных фронтальных зонах, о которых будет сказано ниже, тропопауза может иметь разрывы. Обычно этим зонам соответствуют относительно узкие слои с большими скоростями ветра, называемые струйными течениями, о которых будет сказано далее более подробно.

Характерным для тропопаузы является постоянство температуры при изменении высоты (изотермия) или даже повышение температуры (инверсия). В отдельных районах (например, в Антарктике) тропопауза может отсутствовать и температура постепенно понижается до высот 25—30 км.

Стратосфера. До 1951 г. за стратосферу принимали слой атмосферы от тропопаузы до высоты 80 км. После 1951 г. по решению конгресса Международного геодезического и геофизического союза стратосферой принято называть только слой от тропопаузы до высоты 35—40 км.

Характерной особенностью стратосферы является повышение температуры по вертикали в среднем от -величин около —60° до —10°. В отдельных случаях в верхней части стратосферы могут наблюдаться температуры 0° и даже положительные. При этом над экватором, где стратосфера начинается с высот 17—18 км, температура воздуха на нижней ее границе составляет —80° и ниже, в умеренных широтах —55° и над полярными областями —50°.

Следовательно, температура нижних слоев стратосферы по мере продвижения от экватора к полюсам повышается, а сама нижняя граница стратосферы понижается. Плотность и давление воздуха в стратосфере убывают с высотой медленнее, чем в тропосфере.

Стратосферу нельзя считать изолированным слоем, поскольку имеет место обмен воздуха между нижними слоями стратосферы и верхней тропосферой. Ветер в стратосфере от ее нижней границы до высоты 20—25 км ослабевает, а затем вновь усиливается. Он также изменчив во времени, как и в тропосфере. В нижней стратосфере преобладают западные ветры, в верхней — восточные.

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный над стратосферой до высоты 80 км. Промежуточный слой между стратосферой и мезосферой принято называть стратопаузой. Поскольку в -верхней части стратосферы и нижней части мезосферы находится основная часть атмосферного озона, то ранее эти слои назывались озоносферой.

В нижних слоях мезосферы температура воздуха повышается и достигает максимального значения (около 0°) на высоте 45—50 км. Рост температуры в этом слое обусловлен концентрацией здесь атмосферного озона, который сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца.

При дальнейшем увеличении высоты температура воздуха быстро падает, достигая на верхней границе мезосферы значений —75ч—80°. Здесь, как и в нижележащих слоях, развивается конвекция и турбулентное перемешивание.

Здесь же наблюдаются так называемые серебристые облака, происхождение которых аналогично происхождению перистых подынверсионных облаков в верхней тропосфере. Плотность воздуха в мезосфере в 10³/10⁵ меньше, чем у Земли. Давление воздуха здесь изменяется от 3,2 мб до 0,01 мб. В нижней мезосфере еще преобладают восточные ветры, а в верхней происходит их смена на западные.

Термосфера. Состав воздуха термосферы имеет ту особенность, что кислород (а возможно, и азот) находится в атомарном состоянии в результате поглощения ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны до 0,24 мк.

Температура воздуха в термосфере довольно быстро повышается с высотой, достигая +600/+800°. При этом она имеет значительные суточные колебания и изменяется с широтой. Высокие температуры воздуха здесь объясняются поглощением воздухом прямой солнечной радиации.

Термосфера характеризуется сильной ионизацией газов, поэтому в радиофизике ее называют ионосферой. Интенсивность ионизации претерпевает как периодические, так и апериодические изменения (возмущения).

Ионизация термосферы сильно сказывается на распространении коротких, средних и длинных радиоволн, обусловливая то сверхдальнюю радиосвязь, то «непрохождение». Последнее связано с возмущениями ионосферы. Условия, распространения радиоволн в ионосфере зависят от частоты радиоволн, от высоты и интенсивности ионизированных слоев, а также от времени суток.

Экзосфера — слой атмосферы над термосферой. Этот слой еще слабо изучен. Плотность воздуха здесь чрезвычайно мала, а температура воздуха растет с высотой. Высокая температура связана здесь с большими скоростями теплового движения молекул и атомов. Достигнув некоторой критической скорости, которая оценивается величиной порядка 11 км/сек, частички газов будут ускользать из атмосферы в межпланетное пространство— рассеиваться.

Наиболее быстро должны рассеиваться более легкие газы — гелий и водород. Наличие рассеивания газовой атмосферы подтверждается тем, что за свою историю земная кора выделила, например, гелия в 12 раз больше того количества, которое содержится в атмосфере. Следовательно, значительная часть его ускользает из атмосферы в межпланетное пространство.

Высота атмосферы. До недавнего времени прямыми исследованиями была охвачена только тропосфера и стратосфера. В последнее время с помощью ракет изучается уже мезосфера и термосфера. Искусственные спутники Земли позволяют изучать всю толщу атмосферы.

Если принять за границу атмосферы уровень, до которого частицы воздуха вовлекаются в суточное вращение Земли, то оказывается, что поверхность этого уровня имеет форму сфероида, сильно сплюснутого у полюсов. Радиус такого сфероида по Смолуховскому равен 28 000 км.

Исследования с помощью искусственных спутников Земли показывают, что граница атмосферы, т. е. область, где атмосфера Земли соприкасается с межпланетным газом, находится на высоте 2000—3000 км.

Газовый хвост Земли. Обработка результатов наблюдений за искусственными спутниками Земли показывает, что в противоположную от Солнца сторону атмосфера оказывается вытянутой, образуя так называемый «газовый хвост» длиной до 100 000 км.

Наличие «газового хвоста» подтверждается наблюдением в точке небосвода, противоположной Солнцу, более светлого пятна, чем общий фон свечения ночного неба. Это явление называют противосиянием. Спектр противосияния указывает, что «газовый хвост» состоит из азота и кислорода.

Межпланетный газ. До недавнего времени предполагали, что за пределами атмосферы Земли и планет находится пустота, в которой встречается космическая пыль. В настоящее время установлено, что там имеется межпланетный газ с концентрацией около 1000 атомов на 1 км³ (столько же примерно, сколько и космической пыли).

Межпланетный газ состоит в основном из водорода и находится в ионизированном состоянии: электронные оболочки у атомов отсутствуют. Плотность этого газа в пространстве неодинакова.

Масса атмосферы. Расчеты показывают, что масса атмосферы составляет примерно 5,27 х 10¹⁵ т; она в 10⁶ раз меньше массы литосферы и в 250 раз меньше массы гидросферы.

Большая часть массы атмосферы сосредоточена в небольшом слое, непосредственно примыкающем к поверхности Земли. При этом около 50% всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое, 75% — в слое до 10 км, 90% — в слое до 16 км, 95% —в слое до 20 км, 99% — в слое до 35 км.

Результаты обработки наблюдений за искусственными спутниками Земли показали, что плотность атмосферы на высоте 226—228 км равна трем десятимиллионным долям грамма на 1 см³, что в 5—10 раз больше принимавшейся до сих пор. Плотность на этой высоте в 10 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли.

По поверхности Земли масса атмосферы распределяется неравномерно: в одних районах воздуха скапливается больше, в других меньше. Обычно эти колебания носят сезонный характер, но, кроме того, внутри каждого сезона также имеют место, хотя и менее значительные по масштабам, перераспределения масс воздуха. В зимнее время над континентами, особенно умеренных и полярных зон, скапливаются избыточные массы воздуха, а над океанами количество воздуха уменьшается. Летом наблюдается обратная картина.

Ввиду того что суша и океаны по земному шару распределены неравномерно, такое явление приводит к изменению угловой скорости вращения Земли и колебанию положения географических полюсов.