Строение атмосферы

Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и постепенно переходят в мировое пространство. По вертикали атмосфера неоднородна.

С высотой изменяется не только давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах — и ее состав. По характеру изменения температуры с высотой атмосферу делят на несколько сфер с различными физическими свойствами, а также выделяют несколько переходных слоев между сферами.

Тропосфера в умеренных и высоких широтах простирается от поверхности Земли до высоты 8— 12 км, а в тропической и экваториальной зонах — до 16—17 км. Высота верхней границы тропосферы во внетропических широтах изменяется по сезонам: летом она несколько выше, чем зимой. Высота ее колеблется также и ежедневно (от 7—8 до 12— 14 км) в зависимости от характера атмосферных процессов, и главным образом от изменения температуры.

Основная масса атмосферы сосредоточена в довольно тонком слое. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. Поэтому 1 м³ воздуха на уровне моря весит f033 г, а на высоте 40 км — всего 4 г.

Характерная особенность тропосферы — понижение температуры с высотой в среднем на 6° на каждый километр поднятия. Объясняется это тем, что для солнечных лучей тропосферный воздух почти прозрачен и нагревается и охлаждается он главным образом от поверхности Земли. Там, где приток солнечной радиации больше, температура воздуха выше. Поэтому в экваториальной и тропической зонах приземная температура в течение года колеблется около 26—28°, а в Центральной Арктике она равна —34—36° зимой и около 0° летом. В Антарктиде еще холоднее: в центре ее ледяного плато средняя температура воздуха зимой достигает —40° и ниже, а летом не выше —15—20°.

В соответствии с таким распределением тепла на земном шаре горизонтальный градиент температуры в тропосфере в течение всего года направлен из низких широт к высоким; преобладает западный горизонтальный перенос воздуха. Иначе говоря, между тропиками и высокими широтами Земли преобладают западные ветры. Чем выше над Землей, тем ярче они выражены. Наибольшей скорости, как правило, они достигают на высоте 9—12 км. Здесь западные ветры при определенных условиях могут стать сверхураганными — скорость их более 300 км/ч. Горизонтальный перенос воздуха сопровождается вертикальными, а также турбулентными движениями воздуха, поэтому он непрерывно перемешивается. А так как поднимаются и опускаются большие объемы воздуха, то образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются атмосферные осадки.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололед и т. д.

Слой воздуха, отделяющий тропосферу от стратосферы, называют тропопаузой. Это сравнительно тонкий слой атмосферы, измеряемый десятками и сотнями метров.

Выше тропопаузы обычно температура поднимается с высотой (повышение температуры с высотой называется инверсией), поэтому активное перемешивание воздуха между тропосферой и стратосферой затруднено.

Стратосфера лежит между высотами 8—17 и 50—55 км. На этих высотах в ближайшем будущем будут пролегать межконтинентальные авиатрассы.

Чтобы обеспечить безопасность полетов сверхзвуковой авиации и космических кораблей, необходимы точные сведения о метеорологическом режиме стратосферы. Этому вопросу метеорологи все больше уделяют внимания.

Стратосфера очень бедна водяным паром, поэтому в ней нет бурных процессов образования облаков и осадков. Температура в стратосфере повышается с высотой, и в отличие от тропосферы воздух здесь нагревается непосредственно от солнечных лучей. На высоте около 30 км в стратосфере иногда образуются необычные облака — с ярким блеском и радужной окраской. Их называют перламутровыми. Предполагают, что они состоят из сконденсированного водяного пара, который скапливается под слоем инверсии при определенных атмосферных процессах.

Еще не так давно существовало предположение, что стратосфера — сравнительно спокойная среда, в которой газы разделены по слоям в соответствии с их удельными весами. Отсюда, собственно, и ее название: по-латыни «стратус»—слоистый. Новые данные, полученные с помощью радиозондов, достигающих высот 30—35 км, и специальных метеорологических ракет, запускаемых до высот 60— 80 км, установили, что в стратосфере, как и в тропосфере, воздух неодинаково нагрет в зависимости от широты. Это порождает интенсивную циркуляцию, скорости воздушных течений измеряются сотнями километров в час и сопровождаются вертикальными и турбулентными движениями воздуха.

Во всем слое стратосферы содержится озон, образующийся под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. Озона в атмосфере немного: если бы можно было собрать его в один слой, то толщина его не превысила бы 2—3 мм. Наиболее всего он сконцентрирован в слое от 20 до 30 км. Однако именно озон во многом формирует сезонный режим температуры и ветра в стратосфере. Поглощая ультрафиолетовую радиацию Солнца, он вызывает нагревание воздуха, поэтому выше тропопаузы температура с высотой повышается и на верхней границе стратосферы достигает 0° и даже 10° тепла.

В полярных районах Земли летом, в условиях полярного дня, воздух в стратосфере нагревается, а зимой, в условиях полярной ночи, вследствие излучения тепла, наоборот, охлаждается. В низких же широтах температура воздуха почти не меняется, поэтому летом над Арктикой и Антарктикой давление воздуха выше, чем над умеренными и низкими широтами. При этом градиент давления направлен из высоких широт в сторону экваториальной зоны, и поэтому в стратосфере выше 18—20 км возникают восточные ветры, достигающие наибольших скоростей на высоте 55—60 км (около 250 км/ч). Зимой, наоборот, градиент давления направлен из низких широт к высоким и во всей стратосфере преобладают западные ветры, скорость которых на высоте 55—60 км достигает 400 км/ч.

Выше стратосферы лежит мезосфера. Переходный слой между ними называют стратопаузой. В мезосфере с высотой температура падает и у верхней границы (80 км) достигает —70, —80°. Понижение температуры прекращается у верхней границы мезосферы (80 км), а выше снова начинается ее повышение. Здесь, под инверсионным слоем, иногда (чаще летом) возникают блестящие тонкие облака, освещенные Солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака названы серебристыми. Природа их еще недостаточно изучена. Предполагается, что они состоят из частиц пыли.

Термосфера расположена между высотами 80 и 800 км. На высоте около 100 км температура переходит через 0°, в слое 150—200 км она доходит до 500°, а на высоте 500—600 км превышает 1500°. По данным искусственных спутников Земли, в верхней термосфере температура достигает почти 2000° и в течение суток значительно колеблется. Такая высокая температура объясняется большими скоростями движения молекул и атомов. В нижней, наиболее плотной среде атмосферы эти молекулы и атомы при движении непрерывно сталкиваются и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию, поэтому в плотной среде кинетическая энергия в среднем одна и та же. В термосфере, где плотность среды очень мала, частицы сталкиваются реже.

О термосфере мы знаем еще очень мало. Известно лишь, что здесь происходят значительные суточные колебания температуры и что в верхних ее слоях они достигают 100°. На температуру в термосфере сильно влияет радиация Солнца. Наиболее интересная особенность термосферы — ионизация, за что ее иначе называют ионосферой. Газы находятся в ней большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, от нейтральных атомов и молекул воздуха отщепляются электроны. Атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, приобретают положительный заряд, а свободный электрон может снова присоединиться к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом.

АТМОСФЕРА. 1 —максимальная высота гор. 2 — облака слоистые. 3—облака кучевые. 4— облака перистые. 5 — облака перламутровые. 6 — облака серебристые. 7 — стратостат «Осоавиахим». 8 — радиозонд. 9 — метеоракета. 10 — геофизическая ракета. 11 — метеоспутник. 12 — звуковые волны. 13—средние волны. 14 — короткие волны. 15 — полярные сияния. 16 — полярные сияния в верхней ионосфере. 17 — метеоры. 18 — слой озона.

При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения — корпускулы — под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния — в виде красивых многокрасочных полос, дуг, занавесей, загорающихся в ночном небе, преимущественно в высоких широтах Земли. Если полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями, их можно увидеть в умеренной зоне и даже в субтропиках и тропиках. Обычно полярные сияния бывают на высоте около 100 км, но нередко достигают нескольких сотен километров.

Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные слои отражают средние и короткие радиоволны. Последние вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Такой путь короткие радиоволны совершают несколько раз, отчего и возможна дальняя радиосвязь. Однако при хромосферных вспышках на Солнце и усилении его ультрафиолетового излучения происходят сильные возмущения ионосферы и магнитного поля Земли. Во время таких магнитных бурь радиосвязь нарушается, так как ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос.

В некоторых слоях ионосферы концентрация свободных электронов достигает несколько большей величины. Известны четыре таких слоя на высотах 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км. Их обозначают буквами D, Е, F₁ и F₂.

Экзосфера — самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы — сфера рассеяния. Температура в ней возрастает предположительно до 2000°. Важные сведения о высоких слоях атмосферы получены с помощью советских спутников серии «Космос» и геофизических ракет. Ценны и непосредственные наблюдения космонавтов, проведенные с борта космических кораблей.

Околоземное пространство за пределами атмосферы, как показали исследования, заполнено заряженными частицами. Там существуют внутренняя и внешняя зоны радиации. Их границы изменяются в зависимости от солнечной активности. При ее усилении, т. е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, возрастает поток космических частиц, которые и питают радиационные зоны Земли. Эти зоны опасны для людей, поэтому перед полетом в космос определяется положение в этих зонах, а орбита космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне этих областей.