Склад, фізичний стан і будова атмосфери

Склад атмосфери. Атмосфера складається з суміші декількох газів, званої повітрям, в якому знаходяться в підвішеному стані рідкі і тверді частинки. Основними газами сухого повітря є азот (понад 78% за обсягом) і кисень (близько 21%), помітна частка належить аргону (близько 1%) і вуглекислого газу (близько 0,03%). Крім того, в атмосфері містяться в незначних кількостях криптон, ксенон, неон, гелій, водень, озон, йод, радон, метан, аміак, перекис водню, закис азоту та інші гази. В атмосфері є змінне кількість водяної пари в межах від майже 0 до 4%.

Первинна атмосфера Землі складалася головним чином з водяної пари, водню і аміаку. Під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця водяні пари розкладалися на водень і кисень. Водень в значній частині йшов в космічний простір, кисень вступав в реакцію з аміаком і утворювалися азот і вода. На ранньому етапі геологічної історії Землі в атмосфері переважав вуглекислий газ, який надходив з надр при інтенсивних вулканічних виверженнях. З появою в кінці палеозою зелених рослин кисень почав надходити в атмосферу в результаті розкладання вуглекислого газу при фотосинтезі, і склад атмосфери прийняв сучасний вид.

Зважені частинки в атмосфері називаються аерозолями. До них відносяться водяні краплі і кристали, пил мінерального і органічного походження, дим і попіл від лісових пожеж, згоряння палива і вулканічних вивержень, частинки морської солі, мікроорганізми, космічний пил і продукти радіоактивного розпаду, що виникають при випробувальних вибухів атомних і термоядерних бомб. Аерозолі утримуються головним чином в самих нижніх шарах атмосфери. Багато з них служать ядрами, на яких починається конденсація водяної пари при утворенні хмар і туману.

Фізичний стан атмосфери. Розглянемо основні характеристики фізичного стану атмосфери, від яких в першу чергу залежить її будова і роль у розвитку географічної оболонки. До цих характеристик відносяться температура, тиск і щільність повітря і похідне від них рух повітря.

Тиск, щільність і температура пов'язані між собою рівнянням стану газів

де Р - тиск, # 961; - щільність, Т - температура по абсолютній шкалі, R - газова постійна, що залежить від природи газу. З достатнім наближенням це рівняння можна застосувати і для атмосфери. З рівняння випливає, що щільність і температура пропорційні тиску. Отже, якщо з висотою тиск зменшується, то повинні зменшуватися щільність і температура.

Середньорічна температура повітря в земної поверхні 14 °. Вона варіює в широких межах: її крайні значення від + 58 ° (в тропічних пустелях) до -88 ° (в Антарктиді). З висотою температура, як правило, знижується по складному закону.

Тиск, який чиниться атмосферою на земну поверхню, становить на рівні моря в середньому 1013 мб. Найвища тиск, наведене до рівня моря, зареєстровано в Азії (1080 мб), найнижче - в Тихому океані (887 мб). З висотою тиск зменшується приблизно в геометричній прогресії, коли висота зростає в арифметичній прогресії. На рівні 5 км тиск майже вдвічі нижче, ніж на рівні моря, на рівні 10 км - в 4 рази, на рівні 20 км - в 18 разів нижче.

Щільність повітря зменшується з висотою менше, ніж тиск. У поверхні землі щільність в середньому дорівнює 1250 г / ж 3. на висоті 5 км - 735 г / м 3, 10 км - 411 г / м 3. 20 км - 87 г / м 3.

У зв'язку зі зміною тиску повітря постійно переміщається в горизонтальному і вертикальному напрямках, що призводить до обміну тепла і вологи на земній поверхні і в нижньому шарі атмосфери. Горизонтальне переміщення повітря відбувається із середньою швидкістю в земної поверхні 5-10 м / сек, максимальної понад 50 м / сек. У високих шарах атмосфери спостерігаються швидкості 100 м / сек і більше. Вертикальне переміщення повітря відбувається зі швидкістю від декількох метрів до 10-20 м / сек.

Будова атмосфери. У вертикальному напрямку атмосферу можна уявити що складається з декількох концентричних шарів, порівняно різко відрізняються за своїми фізичними властивостями. Тиск і щільність атмосфери знижуються з висотою поступово і не можуть бути причиною стрибкоподібного зміни властивостей атмосфери. Зміна ж температури, пов'язане з тиском і щільністю рівнянням стану газів, знижується поступово лише до певної висоти. Далі в хід температури втручається ультрафіолетове і корпускулярне

випромінювання Сонця, де тиск і щільність вже малі. Ультрафіолетове випромінювання призводить до утворення шару озону, в зв'язку з чим зниження температури з висотою спочатку врівноважується, а потім температура підвищується. На висотах, де вплив озону перестає позначатися, температура знову починає знижуватися. На висотах понад 80 км під дією ультрафіолетового і корпускулярного випромінювання Сонця відбувається утворення іонів в атмосфері, що знову призводить до підвищення температури (рис. 10). Таким чином, основною причиною концентричного будови атмосфери є ультрафіолетове і корпускулярне випромінювання Сонця.

Над тропосферою до висоти близько 55 км розташована стратосфера. У ній виділяється шар озону з максимальною концентрацією його на висоті від 25 до 30 км. Нижня стратосфера має більш-менш постійну температуру близько -70 ° над екватором і від -45 до -65 ° над північним полюсом. З висоти 25 км температура починає зростати і у верхньої межі стратосфери досягає 10-30 °. Розподіл температури в стратосфері є причиною панування горизонтального переносу повітря, що призводить, зокрема, до обміну повітряних мас між широтами.

На висотах порядку від 55 до 80 км розташована мезосфера. Тут температура падає з висотою до кількох десятків градусів біля верхньої межі і тому переважає вертикальне рух повітря.

Над мезосферою до висоти близько 1200 км розташована іоносфера (термосфера). Температура в ній з висотою підвищується до 1000 °, а можливо і більше. Фізичні властивості іоносфери залежать головним чином від магнітосфери Землі, сонячної активності і їх коливань. Це призводить, зокрема, до утворення постійних і тимчасових шарів і хмар з підвищеною щільністю іонізованого газу. Сильна мінливість властивостей іоносфери побічно впливає і на стан нижніх шарів атмосфери, а отже, на погоду і клімат.

Над іоносферою розташована протоносфера, що складається в основному з іонів водню (протонів). Вона поширюється до верхньої межі магнітосфери.