Атмосфера Земли

Атмосфера Земли (от греч. atmos — пар  и sphaira — шар), газовая оболочка, окружающая Землю. А. принято считать ту область  вокруг Земли, в которой газовая  среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Масса А. составляет около 5,15-1015 т. А. обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

 

  Происхождение  и роль А. Современная земная  А. имеет, по-видимому, вторичное  происхождение и образовалась  из газов, выделенных твёрдой  оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли А. претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами А. и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие А. было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в А. из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из А. вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли А. играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим А. защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои А.

 

  Деятельность  живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие А. сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. А. задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота — в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает всё возрастающее влияние на состав А. и на климатический режим.

 

  Строение  А. Многочисленные наблюдения  показывают, что А. имеет четко  выраженное слоистое строение (см. рис.). Основные черты слоистой структуры А. определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части А. — тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание (см. Турбулентность в атмосфере и гидросфере), температура убывает с увеличением высоты, причём уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы А. Над тропосферой расположен переходный слой — тропопауза с температурой 190—220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остаётся приблизительно постоянной до высоты 25 км — т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать — область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой А., находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой — мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Ещё выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от А. к межпланетному пространству. Обычно все слои А., находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям А. относят также стратосферу или её нижняя часть.

 

  Все  структурные параметры А. (температура,  давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. отражают лишь среднее состояние А.

 

  Слоистая  структура А. имеет и много  других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав А. Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание А., относительный состав постоянных компонент А. остаётся практически неизменным (вся эта толща А. получила название гомосферы), то выше 90 км — в гетеросфере — под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава А. с высотой. Типичные черты этой части А. — слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля — взвешенных в А. твёрдых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в А., что выражается в существовании D-, Е- и F-cлоёв ионосферы.

 

  Состав  А. В отличие от А. Юпитера,  Сатурна, состоящих главным образом  из водорода и гелия, и А.  Марса и Венеры, основного компонента  которых — углекислый газ,  земная А. состоит преимущественно из азота и кислорода. А. Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объёмная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям А., приведены в табл.

   Химический  состав сухого атмосферного воздуха  у земной поверхности< Газ<   

Объемная  концентрация (%) 

Молекулярная  масса

 

Азот

 

Кислород

 

Аргон

 

Углекислый газ

 

Неон

 

Гелий

 

Метан

 

Криптон

 

Водород

 

Закись азота

 

Ксенон

 

Двуокись серы

 

Озон

 

 

 

Двуокись азота

 

Аммиак

 

Окись углерода

 

Иод 

78,084

 

20,9476

 

0,934

 

0,0314

 

0,001818

 

0,000524

 

0,0002

 

0,000114

 

0,00005

 

0,00005

 

0,0000087

 

От 0 до 0,0001

 

От 0 до 0,000007 летом

 

От 0 до 0,000002 зимой

 

От 0 до 0,000002

 

Следы

 

Следы

 

Следы 

28,0134

 

31,9988

 

39,948

 

44,00995

 

20,179

 

4,0026

 

16,04303

 

83,80

 

2,01594

 

44,0128

 

131,30

 

64,0628

 

47,9982

 

 

 

46,0055

 

17,03061

 

28,01055

 

Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,9644

 

 

  Наиболее важная переменная  составная часть А. — водяной  пар. Пространственно-временная  изменчивость его концентрации  колеблется в широких пределах  — у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10-5% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе А. в умеренных широтах — около 1,6—1,7 см  «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2—4 мг/кг.

 

  Изменчивость содержания водяного  пара в тропосфере определяется  взаимодействием процессов испарения,  конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20—30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

 

  Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, являющееся главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23—0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

 

  Существенная переменная компонента  А. — углекислый газ, изменчивость  содержания которого связана  с жизнедеятельностью растений (процессами  фотосинтеза), индустриальными загрязнениями  и растворимостью в морской  воде (газообменом между океаном  и А.). Обычно изменения содержания углекислого газа невелики, но иногда могут достигать заметных значений. Последние десятилетия наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем концентрация углекислого газа остаётся неизменной во всей толще гомосферы. Выше 100 км начинается его диссоциация под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн короче 1690 .

 

  Одна из наиболее оптически  активных компонент — атмосферная  аэрозоль — взвешенные в воздухе  частицы размером от нескольких  нм до нескольких десятков  мкм, образующиеся при конденсации  водяного пара и попадающие  в А. с земной поверхности в результате индустриальных загрязнений, вулканических извержений, а также из космоса. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере, так и в верхних слоях А. Концентрация аэрозоля быстро убывает с высотой, но на этот ход налагаются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

 

  Верхние слои атмосферы.  Выше 20—30 км молекулы А. в результате  диссоциации в той или иной  степени распадаются на атомы  и в А. появляются свободные  атомы и новые более сложные  молекулы. Несколько выше становятся существенными ионизационные процессы.

 

  Наиболее неустойчива область  гетеросферы, где процессы ионизации  и диссоциации порождают многочисленные  фотохимические реакции, определяющие  изменение состава воздуха с  высотой. Здесь происходит также и гравитационное разделение газов, выражающееся в постепенном обогащении А. более лёгкими газами по мере увеличения высоты. По данным ракетных измерений, гравитационное разделение нейтральных газов — аргона и азота — наблюдается выше 105—110 км. Основные компоненты А. в слое 100—210 км — молекулярный азот, молекулярный кислород и атомарный кислород (концентрация последнего на уровне 210 км достигает 77 ± 20% от концентрации молекулярного азота).

 

  Верхняя часть термосферы  состоит главным образом из  атомарного кислорода и азота. На высоте 500 км молекулярный кислород практически отсутствует, но молекулярный азот, относительная концентрация которого сильно уменьшается, всё ещё доминирует над атомарным.

 

  В термосфере важную роль  играют приливные движения (см. Приливы и отливы), гравитационные волны, фотохимические процессы, увеличение длины свободного пробега частиц, а также другие факторы. Результаты наблюдений торможения спутников на высотах 200—700 км привели к выводу о наличии взаимосвязи между плотностью, температурой и солнечной активностью, с которой связано существование суточного, полугодового и годового хода структурных параметров. Возможно, что суточные вариации в значительной степени обусловлены атмосферными приливами. В периоды солнечных вспышек температура на высоте 200 км в низких широтах может достигать 1700—1900°C.

 

  Выше 600 км преобладающей компонентой  становится гелий, а ещё выше, на высотах 2—20 тыс. км, простирается  водородная корона Земли. На  этих высотах Земля окружена  оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов. Здесь располагаются внутренний и внешний радиационные пояса Земли. Внутренний пояс, заполненный главным образом протонами с энергией в сотни Мэв, ограничен высотами 500—1600 км на широтах от экватора до 35—40°. Внешний пояс состоит из электронов с энергиями порядка сотен кэв. За внешним поясом существует «самый внешний пояс», в котором концентрация и потоки электронов значительно выше. Вторжение солнечного корпускулярного излучения (солнечного ветра) в верхние слои А. порождает полярные сияния. Под влиянием этой бомбардировки верхней А. электронами и протонами солнечной короны возбуждается также собственное свечение атмосферы, которое раньше называлось свечением ночного неба. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли создаётся зона, получившая назв. магнитосферы Земли, куда не проникают потоки солнечной плазмы.

 

  Для верхних слоев А. характерно  существование сильных ветров, скорость  которых достигает 100—200 м/сек. Скорость и направление ветра в пределах тропосферы, мезосферы и нижней термосферы обладают большой пространственно-временной изменчивостью. Хотя масса верхних слоев А. незначительна по сравнению с массой нижних слоев и энергия атмосферных процессов в высоких слоях сравнительно невелика, по-видимому, существует некоторое влияние высоких слоев А. на погоду и климат в тропосфере.

 

  Радиационный, тепловой и водный балансы  А. Практически единственным источником  энергии для всех физических  процессов, развивающихся в А., является солнечная радиация. Главная особенность радиационного режима А. — т. н. парниковый эффект: А. слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию (большая её часть достигает земной поверхности), но задерживает длинноволновое (целиком инфракрасное) тепловое излучение земной поверхности, что значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космическое пространство и повышает её температуру.