Атмосфера весьма четко расслаивается на концентрические сферы, отличающиеся друг от друга по своим характеристикам. Рассмотрим строение атмосферы, зависящее от распределения температуры по высоте. Тропосфера. Нижний слой атмосферы, в котором температура в среднем убывает с высотой, называется тропосферой. В тропиках этот слой простирается от земной поверхности до высоты 15-17 км, в умеренных широтах обоих полушарий - до высоты 10-12 км и над полюсами — до 8-9 км. Слово «в среднем» имеет существенное значение, поскольку убывание температуры с высотой в тропосфере характерно именно для средних условий: среднемесячных, среднесезонных и т. д. В каждый данный момент времени убывание температуры во всем слое может прерываться отдельными слоями, где температура может оставаться постоянной (изотермия) или даже расти с высотой (инверсия). В тропосфере среднегодовая температура в экваториальных широтах убывает с высотой от +26°С у земной поверхности до -80°С на вершине тропосферы, в умеренных широтах от +3 до -54 - -58°С (50° с.ш.) и над Северным полюсом от -23 до -60°С зимой и -48°С летом. В среднем величина падения температуры с высотой равна 0,60°С/100 м, хотя эта величина варьирует в широких пределах. В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, в ней содержится почти весь водяной пар атмосферы, и возникают почти все облака. В тропосфере часто развиваются сильная неустойчивость, сильные вертикальные движения и перемешивание. Она испытывает непосредственное влияние подстилающей поверхности: различное нагревание суши и моря, заснеженных и свободных от снега пространств, теплые и холодные морские течения создают температурные различия и в воздухе. В результате взаимодействия с подстилающей поверхностью в тропосфере возникают течения теплого и холодного воздуха. Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день, колеблясь около средних величин, указанных выше. Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 3-10 раз меньше, чем у земной поверхности. Самый нижний тонкий слой тропосферы (50-100 м), непосредственно примыкающий к земной поверхности, носит название приземного слоя. Вследствие близости к земной поверхности он в наибольшей степени испытывает ее влияние. В этом слое особенно резко выражены изменения температуры в течение суток: температура особенно сильно падает с высотой днем и часто растет с высотой ночью. Здесь также наиболее сильно растет с высотой скорость ветра. Слой от земной поверхности до высот 1000-1500 м называют планетарным пограничным слоем, или слоем трения. В этом слое заметно ослаблена скорость вера по сравнению с вьннележащими слоями и ослаблена тем больше, чем ближе к земной поверхности.
Рис. 1. Строение атмосферы Верхняя граница тропосферы, т. е. тонкий переходный слой толщиной 1-2 км, где падение температуры с высотой сменяется ее постоянством (изотермией), называется тропопаузой. Стратосфера. Выше тропопаузы и до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. В нижних слоях стратосферы (от тропопаузы и до 25 км) температура постоянна или весьма медленно растет с высотой (зимой в полярных широтах она даже может слабо падать), но, начиная с 34-36 км, происходит довольно быстрое возрастание температуры с высотой, которое продолжается до 50 км, где расположена верхняя граница стратосферы, называемая стратопаузой. Здесь стратосфера почти такая же теплая, как воздух у поверхности Земли, в среднем 270 К. Возрастание температуры с высотой приводит к большой устойчивости стратосферы: здесь нет неупорядоченных (конвективных) вертикальных движений и активного перемешивания, свойственного тропосфере. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения типа медленного оседания или подъема иногда охватывают слои стратосферы, занимающие огромные пространства. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22-24 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Облака состоят из переохлажденных капель. Состав воздуха стратосферы отличается от тропосферного только примесью озона. С озоном связан рост температуры в стратосфере, поскольку именно озон поглощает солнечную радиацию. С этой точки зрения стратосфера может быть названа озоносферой. Мезосфера. Над стратосферой лежит слой мезосферы, который простирается от стратопаузы до высоты примерно 80-82 км. В мезосфере температура снова понижается с высотой, иногда до -110°С в ее верхней части. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. В верхней части мезосферы образуются так называемые серебристые облака, повидимому, состоящие из кристаллов, форма которых свидетельствует о существовании в мезосфере волн и вихрей. Верхней границей мезосферы является переходный слой - мезопауза, лежащая на высоте около 82 км. На мезопаузе давление воздуха примерно в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере, вместе взятых, до высоты 80 км заключается более чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится всего 0,5% от массы атмосферы. Это составляет 2,578. 1013 т. Термосфера. Верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, называется термосферой. В термосфере температура очень резко возрастет с высотой. В годы активного солнца она превышает 1500°С на высоте 200-250 км. На больших высотах дальнейший рост температуры с высотой уже не наблюдается. Лишь в областях ярких полярных сияний температура ненадолго повышается до 3000°С. Высокие температуры термосферы означают, что молекулы и атомы атмосферных газов движутся в этом слое с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в термосфере так мала, что теплосодержание газов ничтожно. Поэтому любое тело, находящееся здесь (например, летящий спутник), не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Как мы видели, до высоты 100 км воздух атмосферы хорошо перемешан и его состав везде одинаков. Эту сферу иногда называют также турбосферой. Выше 100 км состав воздуха заметно меняется: появляется атомарный кислород, исчезают диоксид углерода и аргон, воздух сильно ионизирован, поэтому эта часть термосферы от мезопаузы до высоты 800-1000 км называется ионосферой. Содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижних слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Экзосфера. Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать землю по эллиптическим орбитам. При этом отдельные частицы могут приобретать скорости, равные второй космической скорости (для незаряженных частиц около 11 000 м/с). Такие особенно быстрые частицы покидают атмосферу и улетают в мировое пространство, двигаясь по параболическим траекториям. Поэтому экзосферу называют также сферой ускользания газов. Как мы уже знаем, ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода и гелия, которые являются господствующими газами в наиболее высоких слоях атмосферы. Магнитосфера. Ранее предполагалось, что экзосфера и с нею вся земная атмосфера кончаются на высотах порядка 2000-3000 км. Наблюдения с помощью ракет и спутников показали, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем на 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр приходится в среднем около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов), по крайней мере, в десять раз меньше. Поскольку на движение заряженных частиц здесь оказывает влияние магнитное поле Земли, эта область называется также магнитосферой. Радиационный пояс. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, движущихся с очень большими скоростями (порядка 400 км/с) и захваченными магнитным полем Земли. Их энергия порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы из земной атмосферы и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации (солнечный ветер) [5].
1 .4. Состав воздуха и роль газов в атмосфере
Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, влажный. Это значит, что в его состав вместе с другими газами входит водяной пар, т.е. газообразная фаза воды Н2О. В отличие от других составных частей воздуха содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах: у земной поверхности оно колеблется между сотыми долями процента и несколькими процентами. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере температурах и давлениях водяной пар может переходить в жидкое (вода) и твердое (лед) состояния и наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности. Поэтому обычно в метеорологии сначала рассматривают отдельно сухой воздух и водяной пар, а затем влажный воздух. Кроме водяного пара существенно меняется в воздухе также содержание углекислого газа и озона. Воздух без водяного пара называют сухим. У земной поверхности сухой воздух содержит 78% по объему (76% по массе) азота и 21% по объему (23% по массе) кислорода, т. е. сухой воздух на 99% состоит из двухатомных молекул азота N2 и кислорода О2. Оставшийся 1% почти целиком приходится на аргон Аг (табл. 1). Всего 0,03% приходится на диоксид углерода (углекислый газ) СО2. Содержание многочисленных других газов, входящих в состав приземного воздуха, составляет тысячные, миллионные и миллиардные доли процента. Это неон Ne, гелий Не, метан СН4, криптон Кr, водород Н2. закись азота N2O, ксенон Хе, озон О, диоксид азота NO2, диоксид серы SO, аммиак NH3, угарный газ СО, йод 12, радон Rn и др. Все перечисленные выше составляющие сухого воздуха всегда сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении не только у земной поверхности, но и в высоких слоях.
Таблица 1 Состав сухого воздуха у земной поверхности, %
Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен. Однако в настоящее время в атмосферу поступает большое количество газов, которых не было в ее составе раньше, например некоторые хлорфторуглеводороды, в том числе фреоны. Особенно важное значение имеет изменение содержания диоксида углерода и озона. Сжигание огромных количеств ископаемого органического топлива привело к систематическому увеличению концентрации СО2. Так, по данным наблюдений глобальное содержание СО2 увеличилось на 30% от 280 ppmv (ррm - миллионная доля) в конце XVIII в. до 358 ppmv в 1994 г. Кроме такого общего фонового возрастания диоксида углерода наблюдаются и локальные увеличения объемного содержания СО2 в промышленных центрах, в воздухе закрытых плохо вентилируемых помещений, в городах со скоплениями автотранспорта, где его содержание может достигать 0,1-0,2%. В связи с этим, конечно, уменьшается, но весьма незначительно, процентное содержание азота и кислорода. Совершенно незначительно изменяется также процентное содержание азота и кислорода под влиянием местных и временных изменений содержания в воздухе аммиака, йода, радона и других газов, попадающих в атмосферу с поверхности почвы и воды [5]. Каждый газ в атмосфере выполняет определенные функции. Наиболее велика роль свободного кислорода - без него невозможно дыхание, горение, окислительные процессы. Азот - важный биогенный элемент, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот, его соединения обеспечивают минеральное питание растений. Углекислый газ пропускает солнечную энергию, но задерживает тепловое излучение, он же используется растениями для построения органического вещества. Помимо биологических процессов, кислород, азот и диоксид углерода активно участвуют и в геохимических процессах, в частности, в химическом выветривании горных пород. Важна и роль озона, который поглощает большую часть ультрафиолетовой радиации Солнца, губительно действующего на живые организмы. В воздухе содержится много мелких твердых частиц, количество которых увеличивается после извержения вулканов, массовых лесных пожаров, пыльных бурь и т. д. Твердые частицы служат ядрами конденсации, вокруг которых образуются осадки [1].