6 лет назад
Нету коментариев

Атмосфера — это внешняя газовая оболочка Земли. Верхняя часть атмосферы, граничащая с космическим пространством, называется экзосферой, или внешней атмосферой. Она простирается до высоты 2—3 тыс. км. В ней происходит рассеивание (диссипация) атомов наиболее легких элементов — водорода и гелия, слагающих этот слой, в космическое пространство.

Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. У земной поверхности плотность воздуха наиболее значительна — на уровне моря она равна 1,275 кг/м3. С высотой плотность его убывает, так как снижается давление. На высоте 5 км она составляет 0,735 кг/м3, 10 км —0,411, 20 км —0,087 кг/м3. На высоте около 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд. раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте около 2—3 тыс. км она становится равной плотности вещества в Космосе.

Вертикальное строение атмосферы. Атмосфера обладает ярусным строением (рис. II. 7). Нижнюю ее часть, непосредственно прилегающую к земной поверхности, называют тропосферой. Ее средняя мощность около 11 км (в полярных широтах 8 км, в экваториальных— 17 км). В тропосфере сосредоточено свыше 80 % всей массы атмосферы. Физические свойства воздуха тропосферы тесно связаны с характером земной поверхности (метеорологи, подчеркивая эту связь, называют поверхность подстилающей). От земной поверхности тропосфера получает тепло. Живые организмы и выветривание горных пород, осадкообразование и другие процессы, происходящие на суше и в океане, формируют газовый состав тропосферы, а через нее — и более высоких слоев атмосферы. В тропосфере наблюдается отчетливо выраженное снижение температуры с высотой. В среднем оно составляет 0,6 °С на 100 м высоты. Снижение температуры связано в основном с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой внешнего давления, а также с переносом тепла от земной поверхности.

Вертикальное строение атмосферы

Вертикальное строение атмосферы

Для тропосферы характерно интенсивное движение воздуха.

В ней происходят вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс. Тропосфера содержит основное количество всей атмосферной влаги в виде водяного пара и капель воды (облака, туман), а также кристаллов льда, града и др. В тропосфере зарождаются и развиваются пассаты и муссоны, ураганы и другие явления.

На верхней границе тропосфера завершается тонким (около 1 км) переходным слоем — тропопаузой. Выше тропопаузы не поднимаются вертикальные токи воздуха, обусловленные различиями его нагревания и увлажнения от земной поверхности (атмосферная конвекция).

Выше тропопаузы находится стратосфера. В стратосфере до высоты около 20 км падения температуры не наблюдается; в изотермическом слое она около —60, —70 °С. Это — нижняя стратосфера. Выше находится слой постепенного повышения температуры, обусловленного преимущественно нагреванием озона за счет коротковолновой радиации (см. гл. I). Этот слой называют верхней стратосферой. Стратосферу также называют озоносферой, так как в ней наблюдается повышенное содержание озона (максимум на высоте около 25 км).

Над стратосферой располагается мезосфера, простирающаяся до высоты около 80 км. В мезосфере температура вновь (как и в тропосфере) снижается и достигает —90 °С. Еще выше находится термосфера, или ионосфера, простирающаяся до высот 800—1000 км. В ней температура воздуха повышается: на высоте около 150 км — до 220 °С, на высоте 600 км — до 1500 °С (температура высоких слоев атмосферы определяется по скорости кинетического движения частиц). Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны.

Выше 1000 км находится экзосфера (внешняя атмосфера). В ней скорость движения атомов и молекул газов достигает второй космической, т. е. 11,2 км/с. Это позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве. Наиболее интенсивно уходят атомы водорода, которые образуют вокруг земной атмосферы корону, заканчивающуюся на высоте 2—3 тыс. км.

Состав атмосферы. Воздух состоит из совокупности постоянных и переменных компонентов. К постоянным компонентам относятся газы, образующие основную массу атмосферы: азот — 78 % по объему, 76 % по массе, кислород — соответственно 21 и 23, аргон — 0,93 %, неон, гелий, криптон, ксенон и др. Постоянство количества азота и кислорода определяется равновесием между процессами выделения свободного кислорода и азота (преимущественно живыми организмами) и их поглощением в процессе химических реакций. Это активные компоненты. Аргон и другие газы инертные. Они не участвуют в реакциях, происходящих в атмосфере и других оболочках Земли.

Переменными компонентами атмосферного воздуха являются диоксид углерода СО2, водяной пар, озон, аэрозоли: Диоксид углерода занимает всего около 0,03 % объема воздуха. Его содержание колеблется по сезонам года, изменяется в многолетнем разрезе и неодинаково в разных районах земного шара. Содержание диоксида углерода зависит от природных процессов и хозяйственной деятельности человечества.

Водяной пар поступает в атмосферу от подстилающей поверхности. Его содержание еще более изменчиво, оно зависит от физико-географических условий подстилающей поверхности, времени года и суток. У земной поверхности содержание водяного пара изменяется от 0,2 % в полярных районах до 2,5 % У экватора, в ряде случаев достигает 4 %. С высотой содержание водяного пара довольно быстро убывает, снижается практически до нуля на верхней границе тропосферы.

Диоксид углерода и водяной пар служат атмосферными фильтрами, задерживающими длинноволновое излучение земной поверхности. Таким образом они обусловливают оранжерейный (парниковый, тепличный) эффект атмосферы, имеющий очень большое значение как термодинамический фактор. Особенности пропускания атмосферой лучистой энергии рассматриваются в гл. III и V учебника.

Концентрация озона исчезающе мала. Он образуется за счет воздействия некоторых излучений на молекулы кислорода.

Аэрозолями называют частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии: вулканическая пыль, продукты горения (дымы), минеральная пыль, споры и пыльца растений, микроорганизмы, кристаллики морских солей; иногда к аэрозолям относят и капельки воды, обычно образующиеся вследствие конденсации водяного пара.

В связи с интенсивным развитием промышленности, распашкой земель и другими хозяйственными мероприятиями резко возрастает запыленность воздуха, увеличивается мутность атмосферы, а это ведет к уменьшению приходящей солнечной радиации.

Большая часть аэрозолей находится в тропосфере. Их концентрация изменчива и в пространственном, и во временном аспектах. Происходит постоянный обмен аэрозолями между атмосферой и земной поверхностью (в частности, в процессе выпадения атмосферных осадков). Некоторая часть аэрозолей находится в стратосфере. Они более устойчивы и могут в среднем находиться там до 2 лет. Накопление аэрозолей в стратосфере (за счет полетов самолетов и ракет) является фактором изменения планетарного климата.

Ту часть атмосферы (примерно до высот 90—100 км), которая имеет постоянный газовый состав (за исключением водяного пара, диоксида углерода и озона, которые концентрируются преимущественно в определенных слоях), называют гомосферой. В более высоких слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца происходит диссоциация молекул газов и гравитационная дифференциация, приводящая к образованию отдельных слоев. Внешний слой атмосферы сложен преимущественно водородом и гелием. Эту часть атмосферы (выше 90—100 км) называют гетеросферой.

Горизонтальная структура тропосферы. Тропосфера делится на воздушные массы, под которыми понимают большие объемы воздуха, соизмеримые со значительными частями материков и океанов, сравнительно однородные по температуре, влажности и другим характеристикам. В тропосфере одновременно существует несколько десятков воздушных масс, которые постоянно перемещаются, изменяют свои физические характеристики — трансформируются и приносят с собой свойственную им погоду: жаркую, сухую, дождливую, холодную и т. д.

Смежные воздушные массы контактируют в зонах атмосферных фронтов, под которыми понимают пограничные слои, разделяющие эти массы. Ширина пограничного переходного слоя составляет обычно несколько десятков километров. На атмосферных фронтах происходят наиболее интенсивные движения воздуха, поскольку в них встречаются воздушные массы, обладающие различными физическими свойствами: температурой, влажностью и, следовательно, плотностью и т. д. На фронтах зарождаются огромные вихревые движения воздуха — циклоны и антициклоны. В зоне фронтов выпадают, как правило, осадки, наблюдаются резкие смены погоды. Таким образом, атмосферные фронты являются наиболее динамичными частями тропосферы.

Воздушные массы можно объединить в следующие географические типы, включающие континентальные и морские разновидности.

Экваториальный воздух (ЭВ) образуется в экваториальной зоне и отличается поэтому высокой температурой и влажностью. Эти свойства экваториального воздуха сохраняются не только над океаном, но и над сушей, поэтому его не разделяют на морской и континентальный. В летнее время экваториальный воздух заходит в субэкваториальный пояс, приносит в эти районы обильные осадки.

Тропический воздух (ТВ) представлен воздушными массами, формирующимися в тропических и субтропических широтах над океанами и сушей (пустыня Сахара, Аравийский полуостров, Мексика, Австралийские пустыни). В летнее время континентальный тропический воздух формируется над аридными районами умеренных широт (Средняя Азия, Монголия, Северный Китай, Большой бассейн в Северной Америке).

Континентальный тропический воздух характеризуется высокой температурой и пониженным влагосодержанием. Над засушливыми районами он содержит значительное количество аэрозольных частиц, и прежде всего минеральной пыли. Морской тропический воздух прохладнее континентального, содержит большое количество влаги. Однако из-за высокой температуры он редко достигает состояния насыщения влагой, т. е. характеризуется низкой относительной влажностью. Благодаря этому с поверхности океана в тропическом поясе происходит сильное испарение.

Воздух умеренных широт (УВ) формируется в умеренных поясах (зимой и в субтропиках) и отличается значительным разнообразием. Континентальный воздух умеренных широт приобретает свои характерные физические свойства над материками. Они резко изменяются по сезонам года: в летнее время воздух сильно прогревается и становится влажным, приближаясь по своим физическим свойствам к континентальному тропическому воздуху. Зимой континентальный воздух сильно охлаждается и становится сухим из-за незначительного испарения. Морской умеренный воздух формируется над океанами в средних широтах и отличается повышенной влажностью и умеренной температурой. Зимой он приносит оттепели и осадки, летом — прохладную, пасмурную с осадками погоду. Летом воздух умеренных широт занимает и субарктический (субантарктический) пояс.

Арктический (антарктический) воздух (АВ, АнтВ) образуется над ледовыми и снежными поверхностями, сильно выхолаживающимися в зимнее время, особенно во время полярной ночи. Для него характерны низкие температуры, малое влагосодержание и большая прозрачность. Различают континентальный арктический воздух, формирующийся над ледниками Гренландии, Антарктиды, островами Арктического бассейна, а зимой и над ледяными полями океана, и морской арктический (антарктический) воздух, формирующийся над открытыми водными поверхностями Северного Ледовитого и Южного океанов. Первый — очень холодный и сухой, второй — более теплый и влажный. Вторжение арктического (антарктического) воздуха в умеренные широты всегда приносит похолодание летом и сильные морозы зимой. В зимнее время арктический и антарктический воздух занимает также субарктический и субантарктический пояса.