Структура атмосферы. Модель однородной атмосферы

Структура атмосферы. Структурой атмосферы называют вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха, а также водяного пара, аэрозолей и других частиц атмосферы.

Основные газы, составляющие атмосферу: азот 78,09% по объему, кислород20,95% и аргон 0,93%; к ним в небольших количествах примешаны углекислый газ, озон, водород, неон, гелий, криптон и ксенон. В атмосфере содержится водяной пар и другие примеси, так называемые аэрозоли — мельчайшие взвешенные твердые и жидкие частицы.

Физическое состояние атмосферы в тот или иной момент характеризуется метеорологическими элементами. К основным из них относят температуру и влажность воздуха, атмосферное давление и др.

По среднегодовым многолетним измерениям метеорологических элементов рассчитана стандартная атмосфера (ГОСТ 4401—64), данными которой пользуются для решения многих практических задач.

За нулевую точку принят уровень моря с давлением воздуха (760 мм рт.ст), температурой воздуха (15°C), весовой плотностью , влажностью .

Изменение с высотой давления описывается барометрическими формулами; температуры — температурными градиентами.

Таблица 1

Градиент влажности в тропосфере , выше тропосферы предполагается, что влажность отсутствует.

Молекулярный вес воздуха до высоты 95 км равен , в слое высот от 95 до 120 км , на высоте 150 км и т. д.

Общее количество водяного пара в столбе атмосферы выражается в сантиметрах и обозначается — высота столба осажденной воды, который получается, если при данном сечении столба атмосферы весь содержащийся в нем водяной пар превратить в воду. Величина числено равна давлению ( ), производимому слоем воды толщиной в см.

Вклад слоя воздуха выше 12—15 км в общее влагосодержание мал. Среднее значение в умеренных широтах 1,6—1,7 см. Однако в конкретных условиях эта величина претерпевает существенные изменения. Для оптических расчетов принимают , что соответствует летнему полудню.

Атмосферные аэрозоли – взвешенные в воздухе частицы твердого или жидкого вещества — имеются практически на всех высотах. Размеры континентальных аэрозолей изменяются в пределах от 0.01 до 40 мкм. Частицы больше 1 мкм встречаются только у поверхности земли.

Аэрозоли — наиболее оптически активные и наименее изученные составляющие атмосферы. На аэрофотографический процесс в основном влияют аэрозоли с размером частиц 0,4 мкм и больше. Частицы размером меньше 0,2 мкм оптически мало активны и влияют в основном на электрические свойства нижней атмосферы.

Распределение аэрозоля по высоте характеризуется следующими данными:
1) концентрация аэрозоля с увеличением высоты уменьшается, всегда имеется слой повышенной концентрации аэрозоля на высотах около 20, 50 и 80—90 км (объемный коэффициент аэрозольного ослабления на высоте около 20 км составляет 0,02 );

2) в дневное время может наблюдаться аэрозольный слой над тропопаузой на высотах 9-11 км;
3) в отдельных случаях образуется аэрозольный слой на высотах около 6 км.

До настоящего времени окончательно не установлены закономерности вертикального распределения аэрозоля, нет общепризнанной аэрозольной модели.

Количество углекислого газа в атмосфере изменяется мало. В среднем считают, что для всей атмосферы содержание составляет около 0,03% по объему; такой концентрации соответствует приведенная к нормальному давлению и температуре толщина слоя углекислого газа, равная 2.4 м.

Содержание озона в атмосфере весьма неравномерно. В приземном слое до высоты 20—25 км концентрация озона незначительна ( %), что соответствует приведенной толщине в несколько миллиметров; максимум концентрации (1,6 см/км) наблюдается на высотах примерно от 25 до 30 км. На высотах 5 и 35 км концентрация озона составляет 10% от максимального значения, а на высоте 50—60 км практически равна нулю. Общее содержание озона в атмосфере считается равным 0,33—0,35 см.