1.2. Будова атмосфери

Атмосферу за рядом особливостей прийнято умовно поділяти на ряд концентричних шарів різної товщини, кожному з яких притаманні деякі спільні риси. Шари відрізняються один від другого температурою, вологістю, циркуляцією повітря та іншими елементами. У 1962 р. Всесвітньою метеорологічною організацією прийнято такі назви шарів атмосфери: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера (рис. 1.1).

Тропосфера − нижній і найщільніший шар атмосфери. У цьому шарі, який безпосередньо прилягає до Землі, зосереджено близько 80% усієї маси повітря. Над полюсами його товщина дорівнює 8 км, над екватором – 16 км, в середньому – 11 км. Такий неоднаковий розподіл товщини зумовлений термічними особливостями різних широт та обертанням Землі навколо вісі. Температура від земної поверхні знижується з висотою в середньому на 0,6° кожні 100 м. При середній для всієї Землі річній температурі повітря +14°С на верхній межі тропосфери вона опускається до -56°С. Для тропосфери характерне горизонтальне й вертикальне переміщення повітряних мас, що зумовлює сталість її хімічного складу. Постійний рух повітря в тропосфері часто супроводжується утворенням хмар і опадами.

Рис. 1.1. Будова атмосфери

1 – сріблясті хмари; 2 – полярні сяйва в нижньому шарі термосфери; 3 – полярні сяйва у верхньому іонізованому шарі термосфери; 4 – температурна крива; 5 – шар поширення озону; 6 – шар найбільшої концентрації, озону

Пил і водяна пара зосереджені переважно в нижній частині атмосфери. Кількість водяної пари з висотою зменшується, бо знижується температура. Тому більша частина хмар утворюється в нижніх шарах тропосфери. Висота звичайних зливових хмар коливається від 3 до 8 км, а в тропічних областях вони можуть перебувати значно вище.

Стратосфера знаходиться безпосередньо над тропосферою і має висоту від 11 до 50…55 км. Нижня стратосфера ізотермічна: її температура постійна і становить -56°С. Але починаючи з висоти 25 км температура в стратосфері швидко зростає, досягаючи на висоті 50 км позитивних значень – від +1 до +5°С. В стратосфері мають місце сильні горизонтальні рухи типу струминних течій. Вони характеризуються постійністю і дуже високими швидкостями. Вертикальні переміщення повітря в стратосфері слабо розвинені, але вони сприяють перемішуванню повітря. Склад повітря такий, як і в тропосфері.

У стратосфері дуже мало завислих частинок. Інколи на висоті 20…30 км утворюються перламутрові хмари, що складаються з кристаликів льоду. Крізь стратосферу безперервно проходить метеоритний пил, а час від часу сюди потрапляє вулканічний попіл. Дуже дрібні частинки вулканічного пилу, що надзвичайно повільно осідають, поступово розносяться вітрами над усією планетою, забарвлюючи в яскраві кольори сходи і заходи Сонця протягом кількох місяців після виверження. Наявність великої маси вулканічного попелу в атмосфері знижує кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі. Вважають, що надлишок вулканічного попелу в повітрі може бути причиною похолодання клімату і навіть сприяти утворенню льодовиків.

Важливою специфічною ознакою стратосфери є наявність в ній шару озону. Найбільша концентрація цього газу виявлена на висотах 23…27 км. Озон поглинає ультрафіолетові промені: на межі атмосфери вони становлять близько 7% загального потоку сонячної радіації, а до земної поверхні доходять лише соті долі відсотка.

Мезосфера знаходиться на висоті від 50…55 км до 80…85 км. Для неї характерне дуже швидке зниження температури з висотою. За допомогою метеорологічних супутників і ракет в мезосфері зареєстровано абсолютний мінімум для атмосфери – -143°С. Поблизу верхньої межі температура знижується до -70…90°С. Внаслідок швидкого падіння температури з висотою тут дуже розвинена турбулентність. Вітер у мезосфері відзначається частою змінністю. Взимку переважають західні вітри з максимальними швидкостями близько 100 м/с, а влітку – східні.

На висотах, які близькі до верхньої межі (82…85 км) мезосфери, утворюються видимі з Землі продовгуваті, блискучі, тонкі сріблясті хмари, природу яких ще не вивчено; можливо, вони складаються з дуже дрібних і розсіяних льодових кристаликів.

Термосфера (іоносфера) – величезна за об’ємом, хоч і мізерна за масою (0,5%) та складна за будовою частина атмосфери. Вона охоплює простір у межах від 80…85 до 800…1000 км. Складається переважно з азоту і кисню, які знаходяться в іонізованому стані. Під впливом ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань Сонця порушується будова їх молекул та атомів. З електронних оболонок атомів відриваються деякі електрони. При втраті одного з електронів атом набуває позитивного заряду. Самі ж електрони є носіями від’ємних зарядів. Так в іоносфері утворюються шари заряджених частинок. Найщільніший з них знаходиться на висотах від 300 до 400 км. З висотою відбувається істотна зміна в процентному співвідношенні азоту і кисню на користь останнього. Так, на висоті 200 км вміст азоту близько 45%, кисню – 55%. Вище за 600 км термосфера складається переважно з атомарного кисню.

В термосфері на висоті 80…90 км є холодний (-107°С) ізотермічний шар. Далі до 250 км температура зростає, а ще вище залишається практично незмінною.

Тонізоване повітря термосфери відіграє значну роль у природі та має велике практичне значення. Іоносфера поглинає рентгенівське проміння Сонця, що згубно впливає на все живе на Землі. Вона відбиває радіохвилі, чим забезпечується навколоземний радіозв’язок. У термосфері виникають полярні сяйва і близькі до них за природою світіння нічного неба – постійна люмінесценція атмосферного повітря, а також різкі коливання магнітного поля – іоносферні магнітні бурі.

Над термосферою розташована екзосфера – зовнішня частина земної атмосфери. Цю оболонку ще називають шаром розсіювання газів, бо окремі легкі елементи, які його складають – водень і гелій, долаючи сили земного тяжіння і магнітного поля, назавжди відлітають у космос. Температура в екзосфері з висотою зростає до 2000°С. Гази тут настільки розріджені, що частинки їх рухаються з величезними швидкостями, пролітають сотні кілометрів без зіткнень. Екзосфера поступово і непомітно переходить у міжпланетний простір.

Між кожними двома сусідніми оболонками виділяють перехідні зони або паузи. Так, тропосфера відокремлена від стратосфери тропопаузою, стратосфера від мезосфери – стратопаузою, а мезосфера від термосфери – мезопаузою. Це дуже тонкі перехідні шари з ознаками властивостей суміжних газових оболонок.

Не так давно вважалося, що атмосфера закінчується на висотах порядку 2000…3000 км. Але нові дані досліджень, одержані за допомогою супутників та ракет, дають підстави твердити, що навколо Землі існує ще так звана земна корона, яка складається з водню. Вона простягається більше ніж на 20 000 км.

Отже, атмосфера має шарувату будову. Нижні шари – головні для живих організмів. Але для біосфери Землі важливе значення мають і ті процеси, що відбуваються на верхніх “поверхах” повітряної оболонки.