Строение атмосферы Земли

Атмосфера Земли неоднородна: на разных высотах наблюдаются различная плотность воздуха и давление, меняется температура и газовый состав. На основании поведения температуры окружающего воздуха (т.е. растет температура с высотой или понижается) в ней выделяются следующие слои: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Границы между слоями называются паузами: их насчитывается 4, т.к. верхняя граница экзосферы очень размыта и часто относится к ближнему космосу. С общим строением атмосферы можно ознакомиться на прилагающейся схеме.

рис.1 Строение атмосферы Земли. Credit: gect.ru

Самый нижний атмосферный слой — тропосфера, верхняя граница которой, называемая тропопаузой, в зависимости от географической широты различается и составляет от 8 км. в полярных до 20 км. в тропических широтах. В средних или умеренных широтах её верхняя граница лежит на высотах 10-12 км.. В течении года верхняя граница тропосферы испытывает колебания, зависящие от поступления солнечной радиации. Так в результате зондирования у Южного полюса Земли метеорологической службой США было выявлено, что, с марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, в результате которого на короткий период в августе или сентябре её граница поднимается до 11,5 км. Затем, в период с с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, после которого её высота практически не изменяется до марта. Т.е. наибольшей своей толщины тропосфера достигает летом, а наименьшей зимой.

Стоит отметить, что кроме сезонных существуют и суточные колебания высоты тропопаузы. Также на её положение оказывают влияние циклоны и антициклоны: в первых она опускается, т.к. давление в них ниже чем в окружающем воздухе, во вторых соответственно поднимается.

Тропосфера содержит до 90% всей массы земного воздуха и 9/10 всего водяного пара. Здесь сильно развита турбулентность, особенно в приповерхностных и наиболее высоких слоях, развиваются облака всех ярусов, формируются циклоны и антициклоны. А благодаря накоплению парниковыми газами (углекислый газ, метан, водяной пар) отражённых от поверхности Земли солнечных лучей развивается парниковый эффект.

С парниковым эффектом связано понижение температуры воздуха в тропосфере с высотой (т.к. нагретая Земля больше тепла отдаёт приземным слоям). Средний вертикальный градиент составляет 0,65°/100 м (т.е. температура воздуха понижается на 0,65° C при подъёме на каждые 100 метров). Так если у поверхности Земли в районе экватора среднегодовая температура воздуха составляет +26° то на верхней границе -70°. Температура в районе тропопаузы над северным полюсом в течении года изменяется от -45° летом до -65° зимой.

С ростом высоты падает и давление воздуха, составляя у верхней границы тропосферы лишь 12-20% от приповерхностного.

На границе тропосферы и вышележащего слоя стратосферы лежит слой тропопаузы, толщиной 1-2 км. В качестве нижних границ тропопаузы обычно принимается слой воздуха в котором вертикальный градиент снижается до 0,2°/100 м против 0,65°/100 м в нижележащих районах тропосферы.

В пределах тропопаузы наблюдаются воздушные потоки строго определённого направления, называемые высотные струйные течения либо "реактивные потоки" (jet streams), образующиеся под влиянием вращения Земли вокруг своей оси и нагрева атмосферы при участии солнечной радиации. Наблюдаются течения на границах зон со значительными перепадами температур. Выделяют несколько очагов локализации этих течений, например, арктический, субтропический, субполярный и прочие. Знание локализации jet streams очень важно для метеорологии и авиации: первая использует потоки для более точного прогнозирования погоды, вторая для построения маршрутов полетов самолетов, т.к. на границах потоков существуют сильные турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, называемые из-за отсутствия на этих высотах облачности "турбулентностью ясного неба".

Под влиянием высотных струйных течений в тропопаузе часто образуются разрывы, а временами она вообще исчезает, правда затем образуется заново. Особенно часто это наблюдается в субтропических широтах над которыми господствует мощное субтропическое высотное течение. Кроме того к формированию разрывов приводит различие слоёв тропопаузы по температуре окружающего воздуха. Например, обширный разрыв существует между тёплой и низкой полярной тропопаузой и высокой и холодной тропопаузой тропических широт. В последнее время выделяется и слой тропопаузы умеренных широт, который имеет разрывы с предыдущими двумя слоями: полярным и тропическим.

Вторым слоем земной атмосферы является стратосфера. Стратосферу условно можно разделить на 2 области. Первая из них, лежащая до высот 25 км характеризуется почти постоянными температурами, которые равны температурам верхних слоев тропосферы над конкретной местностью. Вторая область или область инверсии, характеризуется повышением температуры воздуха до высот примерно 40 км. Это происходит за счёт поглощения кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. В верхней части стратосферы благодаря этому прогреву температура часто является положительной или даже сопоставима с температурой приземного воздуха.

Выше области инверсии находится слой постоянных температур, который носит название стратопаузы и является границей между стратосферой и мезосферой. Её толщина достигает 15 км.

В отличии от тропосферы в стратосфере редки турбулентные возмущения, но зато отмечены сильные горизонтальные ветры или струйные течения, дующие в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращённых к полюсам. Положение этих зон непостоянно: они могут смещаться, расширяться или даже вовсе исчезать. Часто струйные течения проникают в верхние слои тропосферы, или же наоборот массы воздуха из тропосферы проникают в нижние слои стратосферы. Особенно характерно подобное перемешивание масс воздуха в районах атмосферных фронтов.

Мало в стратосфере и водяного пара. Воздух здесь очень сух, а потому и облаков образуется мало. Лишь на высотах 20-25 км находясь в высоких широтах можно заметить очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных водяных капелек. Днём эти облака не видны, зато с наступлением темноты они кажутся светящимися из-за освещения их уже севшим за горизонт Солнцем.

На этих же высотах (20-25 км.) в нижней стратосфере существует так называемый озоновый слой — область с наибольшим содержанием озона, который образуется под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения (более подробно об этом процессе вы можете узнать на странице состав атмосферы). Озоновый слой или озоносфера имеет чрезвычайную важность для поддержания жизни всех организмов живущих на суше, поглощая смертельно опасные ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 290 нм. Именно по этой причине выше озонового слоя живые организмы не живут, он является верхней границей распространения жизни на Земле.

Под воздействием озона также изменяются магнитные поля, атомы распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений.

Слой атмосферы лежащий выше стратосферы называется мезосферой. Для него характерно понижение температуры воздуха с высотой со средним вертикальным градиентом 0,25-0,3°/100 м, что приводит к сильной турбулентности. У верхних границ мезосферы в области называемой мезопаузой были отмечены температуры до -138°С, что является абсолютным минимумом для всей атмосферы Земли в целом.

Здесь же в пределах мезопаузы проходит нижняя граница области активного поглощения рентгеновского и коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Подобный энергетический процесс получил название лучистый теплообмен. В результате происходит нагревание и ионизация газа, что обусловливает свечение атмосферы.

На высотах 75-90 км у верхних границ мезосферы были отмечены особые облака, занимающие в полярных регионах планеты обширные площади. Называют эти облака серебристыми из-за их свечения в сумерках, которое обусловлено отражением солнечных лучей от ледяных кристаллов, из которых эти облака состоят.

Давление воздуха в пределах мезопаузы в 200 раз меньше чем у земной поверхности. Это говорит о том, что практически весь воздух атмосферы сосредоточен в её 3 нижних слоях: тропосфере, стратосфере и мезосфере. На вышележащие слои термосферу и экзосферу приходится лишь 0,05% массы всей атмосферы.

Термосфера лежит на высотах от 90 до 800 км над поверхностью Земли.

Для термосферы характерен непрерывный рост температуры воздуха до высот 200-300 км, где она может достигать 2500°C. Рост температуры происходит за счёт поглощения молекулами газа рентгеновского и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца. Выше 300 км над уровнем моря рост температуры прекращается.

Одновременно с ростом температуры снижается давление, и, следовательно, плотность окружающего воздуха. Так если у нижних границ термосферы плотность составляет 1,8×10^-8 г/см³, то у верхних уже 1,8×10^-15 г/см³, что примерно соответствует 10 млн. — 1 млрд. частиц в 1 см³.

Все характеристики термосферы, такие как состав воздуха, его температура, плотность, подвержены сильным колебаниям: в зависимости от географического положения, сезона года и времени суток. Меняется даже расположение верхней границы термосферы.

Самый верхний слой атмосферы называется экзосферой или слоем рассеяния. Его нижняя граница постоянно меняется в очень широких пределах; за среднюю же величину принята высота 690-800 км. Устанавливается она там, где вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, т.е. среднее расстояние, которое преодолеет хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой (т.н. свободный пробег) будет настолько велико, что фактически молекулы с вероятностью близкой к нулю не столкнуться. Слой где имеет место сказываться описанное явление называется термопаузой.

Верхняя граница экзосферы лежит на высотах 2-3 тыс.км. Она сильно размыта и постепенно переходит в ближнекосмический вакуум. Иногда, по этой причине, экзосферу считают частью космического пространства, а за её верхнюю границу принимают высоту 190 тыс.км, на которой влияние давления солнечного излучения на скорости атомов водорода превышает гравитационное притяжение Земли. Это т.н. земная корона, состоящая из атомов водорода. Плотность земной короны очень мала: всего 1000 частиц в кубическом сантиметре, но и это число более чем в 10 раз превышает концентрацию частиц в межпланетном пространстве.

В связи в чрезвычайной разреженностью воздуха экзосферы частицы движутся вокруг Земли по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Некоторые же из них, двигаясь по разомкнутым или гиперболическим траекториям с космическими скоростями (атомы водорода и гелия) покидают пределы атмосферы и уходят в космическое пространство, по причине чего экзосферу называют сферой рассеяния.