Будова атмосфери землі
Будова атмосфери Землі
Атмосфера Землі неоднорідна: на різних висотах спостерігаються різна щільність повітря і тиск, змінюється температура і газовий склад. На підставі поведінки температури навколишнього повітря (тобто зростає температура з висотою або знижується) в ній виділяються наступні шари: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосферу і екзосфера. Межі між шарами називаються паузами: їх налічується 4, тому що верхня межа екзосфери дуже розмита і часто відноситься до ближнього космосу. Із загальним будовою атмосфери можна ознайомитися на додається схемою.
Варто відзначити, що крім сезонних існують і добові коливання висоти тропопаузи. Також на її положення впливають циклони і антициклони: в перших вона опускається, тому що тиск в них нижче ніж в навколишньому повітрі, по-друге відповідно піднімається.
Тропосфера містить до 90% всієї маси земної повітря і 9/10 всього водяної пари. Тут сильно розвинена турбулентність, особливо в приповерхневих і найбільш високих шарах, розвиваються хмари всіх ярусів, формуються циклони і антициклони. А завдяки накопиченню парниковими газами (вуглекислий газ, метан, водяна пара) відбитих від поверхні Землі сонячних променів розвивається парниковий ефект.
З парниковим ефектом пов'язано зниження температури повітря в тропосфері з висотою (тому що нагріта Земля більше тепла віддає приземним верствам). Середній вертикальний градієнт становить 0,65 ° / 100 м (тобто температура повітря знижується на 0,65 ° C при підйомі на кожні 100 метрів). Так якщо у поверхні Землі в районі екватора середньорічна температура повітря становить + 26 ° то на верхній межі -70 °. Температура в районі Тропопауза над північним полюсом протягом року змінюється від -45 ° влітку до -65 ° взимку.
З ростом висоти падає і тиск повітря, складаючи біля верхньої межі тропосфери лише 12-20% від приповерхневого.
На кордоні тропосфери і вищого шару стратосфери лежить шар Тропопауза, товщиною 1-2 км. Як нижніх меж Тропопауза зазвичай приймається шар повітря в якому вертикальний градієнт знижується до 0,2 ° / 100 м проти 0,65 ° / 100 м в нижчих районах тропосфери.
В межах Тропопауза спостерігаються повітряні потоки строго певного напрямку, звані висотні струменеві течії або "реактивні потоки" (jet streams), що утворюються під впливом обертання Землі навколо своєї осі і нагрівання атмосфери за участю сонячної радіації. Спостерігаються течії на кордонах зон зі значними перепадами температур. Виділяють кілька вогнищ локалізації цих течій, наприклад, арктичний, субтропічний, субполярний та інші. Знання локалізації jet streams дуже важливо для метеорології і авіації: перша використовує потоки для більш точного прогнозування погоди, друга для побудови маршрутів польотів літаків, тому що на кордонах потоків існують сильні турбулентні вихори, подібні невеликим виру, звані через відсутність на цих висотах хмарності "турбулентністю ясного неба".
Під впливом висотних струменевих течій в тропопаузе часто утворюються розриви, а часом вона взагалі зникає, правда потім утворюється заново. Особливо часто це спостерігається в субтропічних широтах над якими панує потужна субтропічна висотне перебіг. Крім того до формування розривів призводить відмінність шарів тропопаузи по температурі навколишнього повітря. Наприклад, великий розрив існує між теплою і низькою полярної тропопаузою і високою і холодної тропопаузою тропічних широт. Останнім часом виділяється і шар Тропопауза помірних широт, який має розриви з попередніми двома шарами: полярним і тропічним.
Другим шаром земної атмосфери є стратосфера. Стратосферу умовно можна розділити на 2 області. Перша з них, що лежить до висот 25 км характеризується майже постійними температурами, які дорівнюють температур верхніх шарів тропосфери над конкретною місцевістю. Друга область або область інверсії, характеризується підвищенням температури повітря до висот приблизно 40 км. Це відбувається за рахунок поглинання киснем і озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. У верхній частині стратосфери завдяки цьому прогріванню температура часто є позитивною або навіть порівнянна з температурою приземного повітря.
Вище області інверсії знаходиться шар постійних температур, який носить назву стратопауза і є кордоном між стратосферой і мезосферою. Її товщина сягає 15 км.
На відміну від тропосфери в стратосфері рідкісні турбулентні обурення, але зате відзначені сильні горизонтальні вітри або струменеві течії, що дмуть у вузьких зонах вздовж кордонів помірних широт, звернених до полюсів. Положення цих зон постійно: вони можуть зміщуватися, розширюватися або навіть зовсім зникати. Часто струменеві течії проникають у верхні шари тропосфери, або ж навпаки маси повітря з тропосфери проникають в нижні шари стратосфери. Особливо характерно подібне перемішування мас повітря в районах атмосферних фронтів.
Мало в стратосфері і водяної пари. Повітря тут дуже сухий, а тому і хмар утворюється мало. Лише на висотах 20-25 км перебуваючи в високих широтах можна помітити дуже тонкі перламутрові хмари, що складаються з переохолоджених водяних крапельок. Вдень ці хмари не помітні, зате з настанням темряви вони здаються світяться через висвітлення їх вже сів за горизонт Сонцем.
Під впливом озону також змінюються магнітні поля, атоми розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів і інших хімічних сполук.
Шар атмосфери лежить вище стратосфери називається мезосферою. Для нього характерне зниження температури повітря з висотою із середнім вертикальним градієнтом 0,25-0,3 ° / 100 м, що призводить до сильної турбулентності. У верхніх меж мезосфери в області званої мезопауза були відзначені температури до -138 ° С, що є абсолютним мінімумом для всієї атмосфери Землі в цілому.
Тут же в межах мезопаузи проходить нижня межа області активного поглинання рентгенівського і короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. Подібний енергетичний процес отримав назву променистий теплообмін. В результаті відбувається нагрівання і іонізація газу, що обумовлює світіння атмосфери.
На висотах 75-90 км у верхніх меж мезосфери були відзначені особливі хмари, що займають в полярних регіонах планети великі площі. Називають ці хмари сріблястими через їх світіння в сутінках, яке обумовлено відображенням сонячних променів від крижаних кристалів, з яких ці хмари складаються.
Тиск повітря в межах мезопаузи в 200 разів менше ніж у земної поверхні. Це говорить про те, що практично все повітря атмосфери зосереджений в її 3 нижніх шарах: тропосфері, стратосфері і мезосфері. На вищележачі шари термосферу і екзосферу доводиться лише 0,05% маси всієї атмосфери.
Термосфера лежить на висотах від 90 до 800 км над поверхнею Землі.
Для термосфери характерний безперервне зростання температури повітря до висот 200-300 км, де вона може досягає 2500 ° C. Зростання температури відбувається за рахунок поглинання молекулами газу рентгенівського і короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Вище 300 км над рівнем моря зростання температури припиняється.
Одночасно з ростом температури знижується тиск, і, отже, щільність навколишнього повітря. Так якщо у нижніх меж термосфери щільність становить 1,8 × 10 -8 г / см 3. то у верхніх вже 1,8 × 10 -15 г / см 3. що приблизно відповідає 10 млн. - 1 млрд. Частинок в 1 см 3.
Всі характеристики термосфери, такі як склад повітря, його температура, щільність, схильні до сильних коливань: в залежності від географічного положення, пори року і часу доби. Змінюється навіть розташування верхньої межі термосфери.
Самий верхній шар атмосфери називається екзосфери або шаром розсіювання. Його нижня межа постійно змінюється в дуже широких межах; за середню же величину прийнята висота 690-800 км. Встановлюється вона там, де ймовірністю міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна знехтувати, тобто середня відстань, яке подолає хаотично рухається молекула до зіткнення з іншою такою ж молекулою (т.зв. вільний пробіг) буде настільки велике, що фактично молекули з ймовірністю близькою до нуля не зіткнутися. Шар де має місце позначатися описане явище називається термопауза.
Верхня межа екзосфери лежить на висотах 2-3 тис.км. Вона сильно розмита і поступово переходить в бліжнекосміческій вакуум. Іноді, з цієї причини, екзосферу вважають частиною космічного простору, а за її верхню межу приймають висоту 190 тис.км, на якій вплив тиску сонячного випромінювання на швидкості атомів водню перевищує гравітаційне тяжіння Землі. Це т.зв. земна корона, що складається з атомів водню. Щільність земної корони дуже мала: всього 1000 частинок в кубічному сантиметрі, а й це число більш ніж в 10 разів перевищує концентрацію частинок в міжпланетному просторі.
У зв'язку в надзвичайній розрідженістю повітря екзосфери частинки рухаються навколо Землі по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. А деякі з них, рухаючись по розімкненим або гіперболічних траєкторіях з космічними швидкостями (атоми водню і гелію) залишають межі атмосфери і йдуть в космічний простір, у зв'язку з чим екзосферу називають сферою розсіювання.