5.Строение атмосферы: основные слои атмосферы и их особенности.

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. 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.

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 вышележащими слоями и ослаблена тем больше, чем ближе к земной поверхности.

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.

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, по-видимому, 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.

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.

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, по крайней мере, в десять раз меньше. Поскольку на движение заряженных частиц здесь оказывает влияние магнитное поле Земли, эта область называется также магнитосферой.