Атмосфера. Ее состав, строение и граница

 Атмосфера. Ее состав, строение и граница

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом, в которой находятся  во взвешенном состоянии жидкие и  твердые частички. Общая масса  последних незначительна в сравнении со всей массой атмосферы. Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, является влажным. Это значит, что в его состав, вместе с другими газами, входит водяной пар, т.е. вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха: у земной поверхности оно колеблется между сотыми долями процента и несколькими процентами. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У земной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оба эти газа входят в состав воздуха у земной поверхности в виде двухатомных молекул (N2 и О2).Оставшийся 1 % приходится почти целиком на аргон (Аr). Всего 0,08% остается на углекислый газ (СО2). Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллионных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др.Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно меняться может только содержание углекислого газа. В результате процессов дыхания и горения его объемное содержание в воздухе закрытых, плохо вентилируемых помещений, а также промышленных центров может возрастать в несколько раз — до 0,1—0,2%. Совершенно незначительно меняется процентное содержание азота и кислорода. Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4. Часть молекул атмосферных газов и частиц атмосферного аэрозоля — капелек, пылинок, кристаллов — несет электрические заряды. Эти заряженные частички называются ионами.

Молекулы  воздуха заряжаются вследствие потери электрона или присоединения  свободного электрона. К заряженной молекуле присоединяются другие молекулы, в которых происходит путем индукции разделение зарядов. Так возникает  электрически заряженный комплекс молекул, называемый легким ионом. Заряженные молекулы могут также присоединяться к  ядрам конденсации или пылинкам, взвешенным в воздухе, вследствие чего возникают более крупные тяжелые  ионы с массами в тысячи раз  большими, чем у легких ионов.

.Капельки  и кристаллы облаков и осадков,  возникая на ионах как на  ядрах конденсации, присоединяя  их в дальнейшем, а также, получая  электрические заряды другими  способами, также могут стать  носителями электрических зарядов.  Заряды капелек и кристаллов  гораздо больше, чем заряды ионов:  они могут достигать многих  миллионов элементарных зарядов  (зарядов электрона). Кроме того, значительная часть ионов в  высоких слоях представляет собой  свободные электроны. Содержание  ионов здесь измеряется сотнями  тысяч и миллионами на один  кубический сантиметр воздуха.  Так же как и незаряженные  частички, ионы в атмосфере постоянно  перемещаются. Именно благодаря этому атмосфера обладает электропроводностью, в нижних слоях малой, в высших — значительной., в воздух местами могут проникать другие газы, особенно соединения, возникающие при сгорании топлива (окислы серы, углерода, фосфора и др.). Наиболее заражается такими примесями воздух больших городов и промышленных районов.В состав атмосферы входят также твердые и жидкие частички, взвешенные в атмосферном воздухе. Кроме водяных капелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхождения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топлива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения (обычно, в силу своей гигроскопичности, это не твердые частички, а мельчайшие капельки насыщенного раствора соли в воде); микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере. Особое место среди атмосферных примесей занимают продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб. Аэрозольные примеси к воздуху могут легко переноситься воздушными течениями на большие расстояния. Песчаная пыль, попадающая в воздух над пустынями Африки и Передней Азии, неоднократно выпадала в больших количествах на территории Южной и Средней Европы. Дым лесных пожаров в Канаде переносился сильными воздушными течениями на высотах 8-13 км через Атлантику к берегам Европы, еще сохраняя достаточную концентрацию. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялись в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь Земной шар

Электрическое поле атмосферы

Итак, в атмосфере всегда существуют подвижные  электрические заряды, связанные  с ионами, а также с элементами облаков и осадков. Заряды эти  — обоих знаков, причем преобладают  положительные, так что суммарный  заряд атмосферы — положительный. При этом с высотой он растет. В результате атмосфера обладает электростатическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что  электрический заряд, помещенный в  любой точке атмосферы, будет  испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальном к поверхности  равного потенциала, проходящей через  эту точку. Эту силу на единицу  положительного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии облаков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу  расстояния, т. е. в вольтах на метр (в/м).В приземном слое атмосферы напряженность поля, в среднем для всего Земного шара, около 100 в/м.. В промышленных районах с сильно загрязненным воздухом она значительно больше. В общем, перенос электричества (ток проводимости) должен происходить от положительно заряженной атмосферы к отрицательно заряженной земной поверхности. Несмотря на это, отрицательный заряд земной поверхности с течением времени не убывает. Причина состоит, по-видимому, в грозах.Напряженность поля между облаком и землей может даже изменить свое направление, т. е. получить направление вверх. В связи с указанными огромными разностями потенциалов в атмосфере возникают искровые электрические разряды, молнии, как в облаках, так и между облаками и землей. При напряженности поля, направленной вверх, молнии могут переносить к земной поверхности очень большие отрицательные заряды, которые и компенсируют потерю отрицательного заряда земной поверхностью в спокойную погоду.

6. Взаимодействие атмосферы с  другими геосферами 

Тропосфера

Атмосфера состоит из нескольких концентрических  слоев, отличающихся один от другого  по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит  название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой  падает в среднем на 0,6°/100 м (в  отдельных случаях распределение  температуры по вертикали варьирует  в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар  атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы.

Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под  разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10—12 км и над экватором до 15—17 км. Средняя годовая температура  воздуха у земной поверхности  около +26° на экваторе и около  —23° на северном полюсе. На верхней  границе тропосферы над экватором  средняя температура около —70°, над северным полюсом зимой около  —65°, а летом около —45°.

Давление  воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5—8 раз  меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата  у земной поверхности.

Самый нижний, тонкий слой тропосферы, в несколько  метров (или десятков метров) высотой, непосредственно примыкающий к  земной поверхности, носит название приземного слоя. Вследствие близости к земной поверхности физические процессы в этом слое отличаются известным  своеобразием. Здесь особенно резко  выражены изменения температуры  в течение суток: в этом слое температура  особенно сильно падает с высотой  днем и часто растет с высотой  ночью.

Слой  от земной поверхности до высоты порядка 1000 м носит название слоя трения. В этом слое скорость ветра ослаблена  в сравнении с вышележащими слоями; ослаблена тем больше, чем ближе  к земной поверхности. Подробнее  об этих слоях будет сказано в  дальнейшем.

Стратосфера и мезосфера

Над тропосферой до высоты 50—55 км лежит  стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в  среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1—2 км) носит название тропопаузы.

Выше  были приведены данные о температуре  на верхней границе тропосферы. Эти  температуры характерны и для  нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.

Нижняя  стратосфера более или менее  изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой (рис. 7), достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.

Водяного  пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20—25 км наблюдаются  иногда в высоких широтах очень  тонкие, так называемые перламутровые  облака. Днем они не видны, а ночью  кажутся светящимися, так как  освещаются солнцем, находящимся под  горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще  тем, что преимущественно в ней  содержится атмосферный озон, о чем  было сказано выше (параграф 5). С  этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура  с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля (рис. 2.7). Вследствие быстрого падения температуры с  высотой в мезосфере сильно развита  турбулентность. На высотах, близких  к верхней границе мезосферы (75—90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем  в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят  из ледяных кристаллов.На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха. Ионосфера

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит  название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка  тысячи километров, и лежащая над  нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону.

Воздух  в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали в параграфе 13, что на высотах 300—750 км его средняя  плотность порядка 10-8—10-10 г/м3. Но и  при такой малой плотности  каждый кубический сантиметр воздуха  на высоте 300 км еще содержит около  одного миллиарда (109) молекул или  атомов, а на высоте 600 км — свыше 10 миллионов (107). Это на несколько  порядков больше, чем содержание газов  в межпланетном пространстве.

Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Как уже говорилось в параграфе 8, содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км — порядка 1015—106 на кубический сантиметр.В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100— 120 км (слой Е) и 200—400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

От  степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере  электропроводность воздуха в общем в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70— 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями.Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования.В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба — постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля — ионосферные магнитные бури.Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности (см. главу первую, параграф 6). С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений.Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.