§ 1. Понятие об атмосфере

Атмосфера - это газовая оболочка (воздух), окружающая земной шар и связанная с ним силой тяжести. Она представляет собой смесь газов, водяного пара и примесей (аэрозолей). По составу воздух у поверхности земли содержит 78% азота (N₂) и около 21% кислорода (О₂), т.е. на эти два элемента приходится около 99% объема воздуха. Заметная доля принадлежит аргону (Аr) - 0,9%. Важные составные части атмосферы - озон (О₃), углекислый газ (СО₂), а также водяной пар. Значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности земли и атмосферы.

Углекислый газ является одной из важнейших составных частей питания растений. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов и гниения, расходуется же в процессе усвоения его растениями.

Озон, бульшая часть которого сосредоточена в так называемом озоновом слое (озоновый экран), служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для живых организмов.

Содержание водяного пара в атмосфере колеблется в широких пределах: оно близко к нулю при очень низких температурах и может достигать 4% при высоких температурах.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные взвешенные в нем твердые и жидкие примеси - так называемые аэрозоли. Они имеют естественное и искусственное (антропогенное) происхождение (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы и т.д.).

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание по крайней мере основных газов (N₂, О₂, Ar) с высотой изменяется незначительно. Так, на высоте 65 км в атмосфере содержание азота - 86%, кислорода - 19, аргона - 0,91, а на высоте 95 км - 77, 21,3 и 0,82% соответственно. Постоянство состава атмосферного воздуха как по вертикали, так и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Современный состав воздуха Земли установился по крайней мере несколько сотен миллионов лет назад и оставался неизменным до тех пор, пока резко не возросла производственная деятельность человека. В текущем столетии отмечается увеличение содержания СО₂ по всему земному шару примерно на 10 - 12%.

Рис. IV.1. Строение атмосферы

Тропосфера - нижний слой атмосферы, высота которого изменяется от 8 км над полюсами до 17 км над экватором (в среднем 12 км). В ней сосредоточено до 4/5 всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. В составе воздуха преобладают азот, кислород, аргон и углекислый газ. Воздух тропосферы нагревается от земной поверхности - поверхности воды и суши. В тропосфере воздух постоянно перемешивается. Конденсируются водяные пары, образуются туманы и облака, выпадают дожди, происходят грозы и бури. Температура с высотой убывает в среднем на 0,6С на каждые 100 м, а на верхней границе она составляет -70С в районе экватора и -65С над Северным полюсом.

Стратосфера - второй слой атмосферы, расположенный над тропосферой. Он простирается до высоты 50 км. Газы в стратосфере постоянно перемешиваются, в нижней ее части наблюдаются устойчивые так называемые струйные течения воздуха скоростью до 300 км/ч. Цвет неба в стратосфере кажется не голубым, как в тропосфере, а фиолетовым. Это объясняется разреженностью воздуха, в результате которой солнечные лучи почти не рассеиваются. В стратосфере очень мало водяных паров, нет активных процессов облакообразования и осадков. Изредка в стратосфере на высоте  30 км в высоких широтах возникают тонкие яркие облака, называемые перламутровыми. Именно в стратосфере, примерно на высоте 20-30 км выделяется слой максимальной концентрации озона - озоновый слой (озоновый экран, озоносфера). Благодаря озону температура в стратосфере и на верхней границе оказывается в пределах +50 +55С.

Выше стратосферы располагаются высокие слои атмосферы - мезосфера и термосфера.

Мезосфера - средняя сфера простирается от 40-45 до 80-85 км. Цвет неба в мезосфере кажется черным, днем и ночью видны яркие немерцающие звезды. Температура снижается до 75-90С ниже нуля.

Термосфера простирается от мезосферы и выше. Ее верхнюю границу предполагают на высоте 800 км. Преимущественно состоит из ионов, образовавшихся под влиянием космических лучей, действие которых на молекулы газа приводит к их распаду на заряженные частицы атомов. Слой ионов в термосфере называют ионосферой, для которой характерна высокая наэлектризованность и от которой, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны. В ионосфере возникают полярные сияния - свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц.

Термосфера характеризуется нарастающим повышением температуры: на высоте 150 км она достигает 220-240С; на высоте 500-600 км превышает 1500С.

Выше термосферы (т.е. выше 800 км) расположена внешняя сфера, сфера рассеивания - экзосфера, простирающаяся до нескольких тысяч километров.

Условно считается, что атмосфера простирается до высоты 3000 км.