Атмосфера Земли. Строение и основные характеристики

Атмосфера Земли (от греческого atmos – пар и сфера) – это воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы составляет около 5,15×10¹⁵ тонн.

Таблица 9

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды и углекислого газа (табл.9). Кроме указанных в табл.9 газов, в атмосфере содержатся и многие другие газы в незначительных количествах.

В нижних 20км атмосферы содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. Углекислота – наиболее важная компонента атмосферного воздуха. Высокая концентрация кислорода, возникшая примерно 2000млн. лет назад, является прямым результатом существования растений. Присутствие кислорода дало возможность сформироваться на высоте 20-25км озонному слою, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения.

Выше 100км растёт доля лёгких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород. Часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (рис.2.1).

Рис.2.1. Строение атмосферы Земли

Атмосфера Земли обладает электрическим полем. По плотности она занимает промежуточное место между Венерой и Марсом. Атмосфера Земли уникальна в том, что обладает обширными запасами жидкой воды.

Сложное взаимодействие между океаном, атмосферой и поверхностью планеты определяют её энергетический баланс и температурный режим. Облачный покров обычно закрывает около 50%, и теплота, остающаяся внутри атмосферы (парниковый эффект), поднимает среднюю температуру более чем на 30°С.

Тропосфера (от греч. tropos – поворот и сфера), нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-10км в полярных, 10-12км в умеренных и 16-18км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность (беспорядочные движения, возникающие в потоке газа), конвекция. В ней сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Все происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете.

С 1910 года по настоящее время средняя температура у поверхности Земли увеличилась примерно на 0,8 градуса (рис.2.2).

Рис.2.2. Изменение средней глобальной температуры атмосферы у поверхности Земли с 1860 по 1996 годы

Таблица 10

Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Тропосфера сверху ограничена тропопаузой, которая соответствует переходу к более устойчивым условиям лежащей выше стратосферы.

Основные параметры тропосферы приведены в табл.10. Данные об атмосфере на высотах от 20 до 120км приведены в табл.11.

Таблица 11

Стратосфера (от латинского stratum – слой и сфера), слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8-10км в высоких широтах и от 16-18км вблизи экватора до 50-55км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40°С до температур, близких к 0°С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с выше- и нижележащими слоями содержанием озона.

Максимум температуры на высотах 50-60км (мезопик или стратопауза) в основном, по-видимому, возникает благодаря поглощению солнечного ультрафиолетового излучения озоном, образующимся в результате диссоциации (разложения) молекул кислорода.

Озон (от греческого ozon – пахнущий), модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом и температурой кипения 112°С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается с взрывом. Образуется из кислорода при электрическом разряде (например, во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя – озоносферы – на высоте от 10 до 50км с максимумом концентрации на высоте 20-25км. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Основная причина появления озона на Земле – молнии. В промышленности озон получают действием на воздух электрического разряда. Используется для обеззараживания воды и воздуха.

Рис.2.3. Шаровая молния (слева) и дыра в озоновом слое над Антарктидой

В 1986г. в озоновом слое над Антарктидой была обнаружена озоновая дыра (рис.2.3) после чего были подписаны международные соглашения по отказу от применения химических веществ, разрушающих озон. Ведущие учёные в США утверждают, что дыра перестала расти. Высказывается надежда, что озоновая дыра полностью затянется в ближайшие 60 лет.

В табл.12 приведены основные характеристики верхних слоёв атмосферы. К верхней атмосфере обычно относят область атмосферы выше 50км от поверхности Земли. Определённой границы между нижней и верхней атмосферой не существует. Основное отличие их в том, что для верхней атмосферы наиболее характерны процессы диссоциации и ионизации молекул и атомов под воздействием электромагнитного и корпускулярного излучения Солнца. Ионизированный слой верхней атмосферы называют ионосферой. Масса атмосферы выше 50км составляет менее 1 грамма над каждым квадратным сантиметром, что не превышает 1/1000 доли от полной массы атмосферы над 1 см².

Таблица 12

Ионосфера, верхние слои атмосферы, начиная от 50-85км до 600км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов.

Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Перемещение заряженных частиц по магнитным силовым линиям к полярным областям на широтах от 60 до 75° приводит к появлению полярных сияний. Верхней границей ионосферы является внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере – разложение молекул атмосферных газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн. Состоит ионосфера из мезосферы и термосферы.

Рис.2.4. Полярное сияние, наблюдаемое с Земли

Полярное сияние (рис.2.4) - это быстро изменяющиеся картины свечения, наблюдаемые время от времени на ночном или вечернем небе, обычно в высокоширотных областях Земли (как на севере, так и на юге). На русском севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Такое название обусловлено тем, что во время полярных сияний небо бывает красным, как при пожаре. Ломоносов образно назвал полярное сияние «пожаром небес».

Причиной полярных сияний являются корпускулярные потоки протонов и электронов, вторгающиеся в атмосферу Земли, главным образом от Солнца. Эти непрерывно идущие от Солнца потоки заряженных частиц называют солнечным ветром. Энергия протонов солнечного ветра составляет несколько сотен эВ (электрон-вольт), а электронов -20-30 тыс.эВ. Плотность электронных потоков при умеренных по интенсивности сияниях составляет около 10⁹см^-2×с^-1, достигая при ярких сияниях 10¹¹см^-2×с^-1. Плотность протонного потока обычно составляет не более 3×10⁸с^-2×с^-1. Поясним эти цифры. Во время полярного сияния на тех высотах, где происходит свечение, через площадку в 1см² каждую секунду проскакивает (или её ударяет) 10⁹ электронов и 3×10⁸ протонов.

Зелёный и красный цвета соответствуют эмиссионным линиям атомов кислорода и молекул азота, которые возбуждаются энергичными частицами, приходящими от Солнца. Полярные сияния происходят на высотах порядка 100км. Во время полярных сияний в ионосфере протекают многочисленные процессы, такие как возмущения геомагнитного поля, электрические ионосферные токи и рентгеновское излучение. Появление полярных сияний связано с солнечным циклом, вращением Солнца, сезонными изменениями и магнитной активностью.

Мезосфера простирается примерно до 80-85км, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85км) серебристые облака (рис.2.5). Здесь температура с высотой уменьшается, достигая -90°С у верхней границы (мезопаузы). Мезосфера является весьма подвижной. Здесь дуют сильнейшие ветры, возникают конвекционные движения, приводящие к быстрым изменениям содержания таких химически и оптически активных компонент как О₃, СО₂, ОН и др. Некоторые фотохимические процессы приводят к свечению газа, наблюдаемому, в частности, как свечение ночного неба.

Серебристые облака очень тонки и рассеивают лишь малую часть падающего на них солнечного света, так что с Земли днём или в начале сумерек их нельзя заметить. Так как они появляются только в летнее время, их невозможно наблюдать в самых высоких широтах, где небо никогда не становится достаточно тёмным. В то же время серебристые облака – явление высокоширотное, так как диапазон широт, в которых они практически наблюдаются, весьма узок (от 50°до 65°).

Рис.2.5. Серебристые облака. Вид из космоса

Облака образуются в присутствие ядер конденсации, на которых вода превращается в лёд. Точно не известно, каковы эти ядра (ионы, возникающие под действием солнечного ультрафиолета или микрометеоритные частицы). Главное условие возникновения серебристых облаков – достаточно низкая температура, которая на высотах 80-90км должна быть около 120°К (-150°С). Имеются наблюдения, позволяющие предположить, что в течение последних десятилетий серебристые облака возникают чаще. Это связано с возрастанием концентрации водяных паров в верхней атмосфере из-за увеличения количества метана. Частота возникновения серебристых облаков изменяется с циклом солнечной активности по обратному закону.

Серебристые облака наблюдали и фотографировали экипажи многих космических кораблей. Лётчик-космонавт В.И.Севастьянов так описывает впечатление от серебристых облаков, наблюдаемых из космоса: «Серебристые облака завораживают. Холодный белый цвет – чуть матовый, иногда перламутровый. Структура либо очень тонкая и яркая на границе абсолютно чёрного неба, либо ячеистая, похожая на крыло лебедя, когда облако проектируется на фон Земли».

Чем объясняется такое внимание к наблюдению за серебристыми облаками? Дело в том, что высотам, где они появляются, соответствует мезопауза – переходный слой между мезосферой и термосферой. Наблюдения за серебристыми облаками, установление зависимости частоты их появления от различных гео- и гелиофизических причин (солнечной активности, свечения атмосферы ночью, состояния ионосферы, метеорных потоков и т. д.) позволяют исследовать процессы, протекающие в мезосфере.

Термосфера, слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90м, температура в котором растёт до высот 200-300км, где достигает порядка 1500°К, после чего остаётся постоянной до больших высот. Повышение температуры в термосфере связано с появлением нового источника теплоты – с поглощением солнечного коротковолнового излучения, а также с теплотой, выделяющейся при объединении атомов кислорода в молекулы. При этом в энергию теплового движения частиц превращается энергия солнечного ультрафиолетового излучения, поглощённая ранее при диссипации молекулы О₂. Выше термосферы в области, называемой термопаузой, температура остаётся практически неизменной. Значительный разогрев атмосферы, особенно в термопаузе, наблюдается во время полярных сияний и магнитных бурь.

Экзосфера (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высот около 400-500км, которые граничат с межпланетной средой. В этих слоях плотность настолько низка, что между атомами происходит очень мало столкновений и атомы, движущиеся с большой скоростью, могут выйти из сферы гравитационного притяжения планеты и улетать (ускользать) в межпланетное пространство. Протяжённую экзосферу Земли, распространяющуюся до высот порядка 100 тыс. км, часто называют геокороной.

И, наконец, на расстоянии более 1000км находится слой холодной плазмы высокой плотности – плазмосфера. Плазмосфера простирается до расстояний в 3-7 земных радиусов. Её верхняя граница (плазмопауза) отмечена резким падением плазменной плотности. Большинство частиц в плазмосфере составляют протоны и электроны, газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть важную роль, а атомы ионизированы больше, чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

На рис.2.6 представлена система метеорологических спутников Земли, осуществляющих оперативное наблюдение за состоянием атмосферы, океанов и суши. Эта система состоит из 8 геостационарных спутников (США, России, Индии, Японии, Китая и Европейского космического агентства) и полярных спутников США и России. Первый европейский спутник GOCE, предназначенный для измерения гравитационного поля Земли и изучения режима циркуляции океана, будет запущен весной 2008 года. Высота его орбиты – около 250км. Недостижимая ранее точность измерений (градиентометр с шестью сверхчувствительными сенсорами, сопряжённый с GPS) даст возможность изучать также глубинные процессы, происходящие в недрах Земли в местах повышенной вулканической и сейсмической активности.

Рис.2.6. Метеорологические спутники Земли

Земную атмосферу непрерывно бомбардируют частицы, движущиеся из мирового пространства со скоростью, близкой к скорости света. Эти частицы получили название космических лучей, подчёркивающее их внеземное происхождение.

Космические лучи состоят из тех же элементарных частиц, что и вещество на Земле, однако их отличают два важных признака. Во-первых, в космических лучах атомы химических элементов полностью лишены электронов, т.е. представлены оголёнными атомными ядрами. Во-вторых, частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями по сравнению с частицами обычного вещества.

Экранирующее действие атмосферы приводит к тому, что подавляющее большинство космических лучей поглощается уже в её верхних слоях. На поверхности Земли космические лучи обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации. Проникая в атмосферу Земли, космические лучи вызывают разветвлённую цепь взаимодействия, в которой участвуют все известные в настоящее время элементарные частицы. Космические лучи дают возможность судить о состоянии межпланетного пространства на больших расстояниях от Земли. Они как бы «прощупывают» Солнечную систему, принося сведения о солнечном ветре и межпланетных магнитных полях.

Исследования верхней атмосферы Земли исключительно важны для освоения космического пространства. Вопросы радиационной безопасности космонавтов, космической радиосвязи и навигации, прогноза изменения орбит спутников вследствие их торможения в атмосфере, использование спутников в качестве обсерваторий, вынесенных за пределы поглощающей атмосферы, проблемы, связанные с изучением Луны, Венеры, Марса и др. тел Солнечной системы, требуют детального знания количественных характеристик околоземного пространства и понимания физической природы происходящих там процессов.

Рефракция

Рефракция – это различные виды и проявления рефракционных электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн.

Различают рефракцию световых волн, включая в неё и рефракцию лучей невидимой (инфракрасной) части спектра, и рефракцию радиоволн, так как искривление лучей тех и других волн зависит от показателя их преломления на пути их распространения в атмосфере, причём сам показатель преломления является функцией длины волны.

Искривление световых лучей вследствие преломления в оптически неоднородной среде с непрерывно изменяющимся от точки к точке показателем преломления называется рефракцией света.

Искривление лучей света от небесных тел при прохождении сквозь атмосферу Земли, обусловленное уменьшением плотности атмосферы (а, следовательно, также её относительной диэлектрической проницаемости и абсолютного показателя преломления) по мере удаления от поверхности Земли называется астрономической рефракцией. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) расположен за пределами земной атмосферы. Он может находиться даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.

Искривление лучей света от удалённых земных источников, происходящее в слое атмосферы, прилегающем к поверхности Земли, называется земной рефракцией. При этом источник наблюдаемых электромагнитных колебаний находится в пределах земной атмосферы.

Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекции этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения называют соответственно вертикальной и горизонтальной (боковой) рефракцией.