Склад і властивості атмосфери
Слово атмосфера походить від грецьких слів atmos, що означає водяна пара, і sphaira, що означає - сфера, куля. Тепер цим терміном називають газову оболонку, що оточує земну кулю.
Повітря або речовину, що складає атмосферу. є механічною сумішшю різних газів. Проба чистого і сухого повітря містить близько 78% (за обсягом) азоту, 21% кисню і близько 1% аргону. Крім того, в ній міститься близько 0,03% вуглекислоти.
Азот, кисень, аргон і вуглекислота складають 99,99% сухого і чистого повітря. Що залишається 0,01% містить сліди газів: неону, криптону, гелію, озону, ксенону і водню. Вони знаходяться в повітрі в таких незначних кількостях, що не мають практичного значення при дослідженнях явищ погоди.
Кількість вуглекислоти не цілком постійно. Вона безперервно поглинається рослинністю і також безперервно виробляється тваринами і утворюється при згоранні палива, вулканічною діяльністю і при процесах розкладання в грунті. Хоча всі ці процеси не завжди врівноважені між собою, кількість вуглекислоти в атмосфері залишається майже постійним, так як океани, розчиняючи надлишок вуглекислоти, ефективно регулюють її кількість.
Кількість озону в нижніх шарах атмосфери невелика. Воно досягає максимуму на висотах між 10 і 25 км. Тут кількість його піддається значним коливанням.
За винятком зазначених змін змісту вуглекислоти і озону, склад атмосфери дуже постійний як за розподілом вздовж земної поверхні, так і при піднятті вгору, у всякому разі, до висот, досягнутих приладами.
Повітря містить в собі також водяна пара, що знаходиться в ньому в змінних кількостях. Багато в чому водяна пара є найважливішою складовою частиною атмосфери.
Кількість водяної пари, що знаходиться в повітрі, цілком залежить від його температури. Чим вище температура повітря, тим більшу кількість водяної пари може в ньому міститися. Повітря вважається насиченим тоді, коли кількість водяної пари досягає в ньому можливого при цій температурі максимуму. Якщо повітря охолоне настільки, що його температура виявиться нижче температури насичення його водяною парою, то відбувається конденсація останнього, яка полягає в перетворенні бульбашок водяної пари в водяні крапельки, або-при температурі нижче нуля-в крижані кристали.
Дрібні водяні краплі і кристали підтримуються в повітрі висхідними повітряними потоками. При особливих умовах, які будуть описані нижче, ці дрібні краплі або крижані кристали з'єднуються і утворюють великі краплі або пластівці снігу. Якщо вони досягають таких розмірів, що висхідні потоки вже не можуть утримати їх в повітрі, то вони падають вниз у вигляді дощу або снігу.
Крім названих складових частин, повітря містить в собі також змінну кількість домішок. До їх числа відносяться: пил, сажа, сіль.
Головним джерелом пилу є посушливі райони, наприклад, пустелі і степи. Більші частинки, що піднімаються вітрами вгору, ніколи не несуться далеко від місця свого походження, але дрібні частинки пилу несуться далеко і розсіюються по всій нижній частині атмосфери. Повітряні маси. минулі над субтропічними континентами, зазвичай містять значну кількість пилу. Полярні повітряні маси відносно чисті.
Промислові райони, діючі вулкани і виникають іноді лісові пожежі є головні джерела сажі. Якщо паливо згорає при високій температурі, то водень і кисень з'єднуються і дають водяний пару а вуглець і кисень при з'єднанні утворюють вуглекислий газ; і той і інший є нормальними складовими частинами атмосфери.
Якщо ж згоряння палива відбувається при низькій температурі, оксид вуглецю і кисню ускладнюється, в повному обсязі згорілі частинки вугілля несуться вгору піднімається повітрям і згущуються в сажу.
Спостереження виявляють, що в повітрі зазвичай міститься значна кількість солі. Під дією вітру бризки з - поверхні океанів несуться вгору; тут вода поступово випаровується, і в повітрі у вигляді найдрібніших частинок залишається сіль.
Частинки, що забруднюють повітря і тим самим призводять до його помутніння, настільки дрібні, що вони не видимі неозброєним оком, але, викликане ними, погіршення видимості і зміна забарвлення віддалених предметів добре помітно. Крізь помутніння віддалені об'єкти, якщо вони темні (гори), видно, як через тонку вуаль світло-блакитного кольору. Якщо ж вони білі (наприклад, покриті снігом гори або хмари на обрії), то вуаль набуває жовтувате забарвлення. На деякій відстані, що залежить від ступеня помутніння, всі деталі зникають, і об'єкти вимальовуються на тлі неба у вигляді силуетів. Чим сильніше помутніння, тим коротше відстань, па якому зникають всі деталі об'єкта.
Присутність пилу в атмосфері впливає не тільки на видимість предметів: при відсутності в повітрі пилу він був би абсолютно чистий і в ньому не відбувалося б помітною конденсації водяної пари. Остання відбувається при охолодженні повітря до температури насичення на певних активних (гігроскопічних) ядрах. Найбільш активними ядрами конденсації є частинки солі з океанів і продукти горіння. Спостереження показують, що такі частинки постійно знаходяться в атмосфері у великій кількості.
структура атмосфери
Повітря надзвичайно рухливий і стискаємо. Хоча він дуже легкий, але все ж має певною вагою. При нормальному тиску і температурі вага обсягу повітря, взятого у земної поверхні, становить близько 1/800 ваги такого ж обсягу води. 1 куб. метр повітря важить близько 1,3 кілограма.
Стовп повітря від земної поверхні до кордону атмосфери надає на земну поверхню тиск, еквівалентну вазі стовпа води висотою приблизно в 10 м або вазі стовпа ртуті висотою всього в 76 см. Тому для вимірювання тиску атмосфери застосовуються ртутні барометри.
Атмосферний тиск зменшується зі збільшенням висоти. Якщо виміряти вагу повітряного стовпа між двома точками, що знаходяться на одній вертикалі, то, знаючи температуру і тиску в цих точках, можна обчислити різницю висот між ними. При нормальному розподілі температури тиск стає простою функцією висоти, і його співвідношення дозволило сконструювати для визначення висоти спеціальні барометри-висотоміри (альтиметр), на шкалі яких замість тиску прямо вказана висота. Такі прилади тепер широко застосовуються в авіації.
Так як атмосферний тиск дорівнює вазі повітряного стовпа, то зі збільшенням висоти воно повинно поступово зменшуватися і наближатиметься до нуля. Також буде змінюватися і щільність повітря. Однак, атмосфера не має різкої верхньої межі, вона поступово переходить у безповітряний простір.
Незважаючи на те що атмосфера досягає великих висот, тільки її нижня частина впливає на погоду. Найбільш високі хмари рідко спостерігаються вище 10 км над земною поверхнею. 50% загальної ваги атмосфери і близько 90% загального вмісту вологи залишаються в межах нижніх 5 км.
стратифікація атмосфери
Як з'ясовано, що температура повітря зменшується з висотою до 11 км, а потім залишається постійною. Величина зменшення температури з висотою називається вертикальним температурним градієнтом. Нижня частина атмосфери, яка характеризується значною величиною температурного градієнта, називається тропосферою. Більш висока частина атмосфери, що відрізняється майже повною незмінністю температури, називається стратосферой. Перехідний шар, що відокремлює стратосферу від тропосфери, називається тропопаузою.
Висота тропопаузи над земною поверхнею залежить від широти місця і пори року. Вона також змінюється в зв'язку з характером погоди: над областями з низьким тиском (циклонами) тропопауза, як правило, нижче, над областями з високим тиском (антициклонами) - вище. На рис. 2 показана звичайна висота тропопаузи і середній розподіл температури в нижній частині атмосфери. Слід зазначити, що температура стратосфери від полюсів до екватора зменшується.
Найбільша висота, якої досягли метеорологічні прилади, дорівнює приблизно 36 км. Безпосередні спостереження, зроблені нижче 36 км, новітні дослідження радіації, метеорів, полярних сяйв, поширення звуку, радіохвиль і т. П. Дозволяють зробити деякі висновки про структуру верхніх шарів атмосфери. Наші сучасні знання про стратифікації атмосфери можна коротко резюмувати наступним чином.
У тропосфері температура знижується з висотою приблизно на 0,6 градуса на кожні 100 м. Тропосфера щодо нестійка, в ній часто утворюються вертикальні течії, що призводять до конденсації водяної пари і появі хмар і опадів. Всі звичайні явища погоди розвиваються всередині тропосфери і головним чином в її нижній половині.
Вище тропопаузи температура залишається постійною або навіть зростає з висотою. Це встановлено, по крайней мере, до тих висот, які були досягнуті метеорологічними приладами. Над тропопаузою ми зустрічаємо шар, особливо багате на озон. Новітні дослідження Добсона (Dobson) та інших виявили помітну зв'язок між кількістю озону над тропопаузою і погодою в земної поверхні. Стратосфера зазвичай безхмарна, хоча іноді, в зв'язку з наявністю озону, там спостерігається особливий тип хмар (перламутрові хмари). Простір між тропопаузою і шаром озону завжди безхмарно; а так як повітря всередині цього шару надзвичайно стійкий, то в нижній стратосфері льотні умови найбільше наближаються до ідеальних.
Статистичні дослідження показують, що метеори зникають переважно на висоті від 80 до 40 кілометрів над земною поверхнею. Цей факт разом з результатами дослідження звукових хвиль, по видимому, вказує на те, що температура шару між 40 і 80 км дуже висока (60-70 ° С).
На висоті близько 60 км знаходиться шар, який має тенденцію поглинати радіохвилі. Так як цей шар утворюється під дією сонячних променів, то вночі радіус чутності радіостанцій, особливо-короткохвильових, збільшується.
Вище 80 км знаходиться так звана іоносфера. У нижній її частині зрідка зустрічаються світяться хмари. Іоносфера характеризується наявністю декількох електропровідних шарів, з яких найбільш важливий шар Коннеллі-Хевісайда (Kemielly-Heaviside), або £ -шар. Він відбиває радіохвилі назад до земної поверхні, і саме цим пояснюється великий радіус дії радіостанцій. Шар Кеннелл-Хевисайда дуже чіткий і в нормальних умовах знаходиться між 90 і 130 км. Вище нього лежить так званий шар Аппльтона (Appleton) або F-шар. Він виявляється слабше, і висота його непостійна; іноді він розпадається на кілька розпливчастих шарів.
Полярні сяйва і споріднені з ними явища часто спостерігаються в нижній частині іоносфери. Новітні вимірювання Штермер (Stormer) показали, що полярні сяйва зустрічаються до 1200 км над земною поверхнею. Це свідчить про наявність атмосфери у вимірних кількостях навіть на таких великих висотах.