3.1 Атмосфера-состав, строение, свойства, атмосферы.

АТМОСФЕРА (от греческого слова «атмос» - пар и «сфера» - шар), газовая оболочка Земли, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород Химический состав атмосферы у поверхности Земли в нормальных условиях примерно следующий: азот — 78%, кислород — 21%, углекислый газ — 0,03%, аргон — 0,93%, неон, гелий, водород, озон, метан и другие газы — сотые доли процента.

По объему и составу образующих газов атмосфера Земли существенно отличается от газовых оболочек других планет солнечной системы. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5*10¹⁵ т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м² (1,1 кг/см²).

Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство (подробнее см. ниже).

Атмосфера защищает растительный и животный мир Земли от пагубного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы, проходя через атмосферу, рассеиваются, и поверхности Земли достигает лишь их ничтожная часть. Без атмосферы наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна. Солнечные лучи раскаляли бы освещенную сторону Земли, а на неосвещённой был бы ледяной холод. Атмосфера окутывает Землю, словно одеялом, и сохраняет основное тепло, получаемое ею от Солнца.

Наука, которая изучает явления и процессы в атмосфере, причины их зарождения и развития, называется физикой атмосферы или метеорологией. Она решает важные для человечества задачи, и главные из них - прогноз погоды и искусственное воздействие на атмосферные процессы с целью улучшения погоды и климата.

Наиболее заметные успехи метеорология сделала в 40-60-х годах прошлого столетия благодаря новой технике - радиозондам, метеорологическим ракетам, радиометеорологическим приборам, установленным на искусственных спутниках Земли. С развитием космических технологий началось активное изучение атмосферных параметров: температуры, давления, ветра, влажности и т.д. не только приземного слоя воздуха, но и других, более высоких уровней.

Пробы воздуха, взятые автоматическими приборами на различных высотах, показали, что до высоты 100 км состав атмосферы существенно не меняется. Непрерывное турбулентное или хаотическое движение воздуха и большие скорости ветра препятствуют разделению газов в соответствии с их удельным весом. Выше 90-100 км состав атмосферы также почти постоянен. Она состоит главным образом из азота и кислорода. Но под действием ультрафиолетовой солнечной радиации молекулы кислорода здесь расщепляются на атомы, и, начиная со 110-120 км кислород почти весь атомарный. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии.

От других газов, входящих в атмосферу, отличается водяной пар, который попадает в атмосферу в результате испарений с Земли. Большая его часть (90%) сосредоточена в самом нижнем пятикилометровом слое атмосферы и с высотой его количество быстро уменьшается, так как количество водяного пара зависит от температуры воздуха: чем она ниже, тем пара меньше, а с высотой температура воздуха понижается.

В силу специфического взаимодействия между атомами газов атмосферы, влияния солнечной радиации, гравитации Земли и др. факторов атмосфера Земли представляет собой сложную слоевую структуру, главными элементами которой являются: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера (ТСМТЭ).

Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренных широтах – около 10 км) и времени года. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, оказывающие существенное влияние на температурный фон у поверхности Земли в зависимости от времени года, т.е. именно в тропосфере, в основном, формируется погода, которая определяет условия существования человека на Земле.

Стратосфера – слой, располагающийся выше тропосферы на высоте от 11 до 50 км.. Этот слой характеризуется незначительными изменениями температуры в слое 11-25 км. (эти слои стратосферы охлаждаются до минус 56,5С.) Верхние же слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Установлено, что в слое 25-40 км. температура меняется от минус 56,5С до 0,8С, достигая на высоте 40 км. около 0С., которая остается практически постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой

Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80–85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом, достигающее минус –110 С. Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.

Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором температура непрерывно повышается до высот 200-300 км, достигая значений порядка 1200-1250С (1500К) после чего остается практически постоянной. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха, проявляющаяся как «полярное сияние». Мощность слоя может достигать 600-800 км.и в значительной степени определяется текущей активностью солнца

Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство.

На высоте 2000-3500 км. экзосфера постепенно переходит в ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода.