Подготовлено Meteoweb.ru
Опубликовано 05-01-2008

 
Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущимися вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь.

Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь.

Когда 4,5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с примесями диоксида углерода, азота и других химических веществ из недр молодой планеты. Но атмосфера может содержать в себе ограниченное количество влаги, поэтому ее избыток в результате конденсации дал начало океанам. Но тогда атмосфера была лишена кислорода. Первые живые организмы, зародившиеся и развившиеся в океане, в результате реакции фотосинтеза (H₂O + CO₂ = CH₂O + O₂) стали выделять небольшие порции кислорода, который стал попадать в атмосферу.

Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8 – 30 км. И, тем самым, наша планета приобрела защиту от губительного воздействия ультрафиолетового изучения. Это обстоятельство послужило толчком для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, т.к. в результате усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию жизненных форм в том числе и на суше.

Сегодня наша атмосфера на 78,1% состоит из азота, на 21% из кислорода, на 0,9% из аргона, на 0,04% из диоксида углерода. Совсем малые доли по сравнению с основными газами составляют неон, гелий, метан, криптон.

На частицы газа, содержащиеся в атмосфере, действует сила притяжения Земли. А, учитывая то, что воздух сжимаем, то его плотность с высотой постепенно убывает, переходя в космическое пространство без четкой границы. Половина всей массы земной атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км, девять десятых – в нижних 20 км. 99% массы атмосферы Земли сосредоточено ниже высоты 30 км, а это всего 0,5% экваториального радиуса нашей планеты.

На уровне моря число атомов и молекул на кубический сантиметр воздуха составляет около 2 * 10¹⁹, на высоте 600 км всего 2 * 10⁷. На уровне моря атом или молекула пролетает примерно 7 * 10^-6 см, прежде чем столкнуться с другой частицей. На высоте 600 км это расстояние составляет около 10 км. И на уровне моря каждую секунду происходит около 7 * 10⁹ таких столкновений, на высоте 600 км – всего около одного в минуту!

Но не только давление меняется с высотой. Меняется и температура. Так, например, у подножия высокой горы может быть достаточно жарко, в то время как вершина горы покрыта снегом и температура там в то же время ниже нуля. А стоит подняться на самолете на высоту примерно 10–11 км, как можно услышать сообщение о том, что за бортом –50 градусов, в то время как у поверхности земли градусов на 60–70 теплее…

Изначально ученые предполагали, что температура с высотой убывает до тех пор, пока не достигает абсолютного нуля (-273,16°C). Но это не так.

Атмосфера Земли состоит из четырех слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера). Такое деление на слои принято исходя и из данных об изменении температуры с высотой. Самый нижний слой, где температура воздуха падает с высотой, назвали тропосферой. Слой над тропосферой, где падение температуры прекращается, сменяется изотермией и, наконец, температура начинает повышаться, назвали стратосферой. Слой над стратосферой, в котором температура снова стремительно падает – это мезосфера. И, наконец, тот слой, где снова начинается рост температуры, назвали ионосферой или термосферой.

Тропосфера простирается в среднем в нижних 12 км. Именно в ней происходит формирование нашей погоды. Самые высокие облака (перистые) образуются в самых верхних слоях тропосферы. Температура в тропосфере с высотой понижается адиабатически, т.е. изменение температуры происходит вследствие убывания давления с высотой. Температурный профиль тропосферы во многом обусловлен поступающей к поверхности Земли солнечной радиацией. В результате нагрева поверхности Земли Солнцем формируются конвективные и турбулентные потоки, направленные верх, которые формируют погоду. Стоит заметить, что влияние подстилающей поверхности на нижние слои тропосферы распространяется до высоты примерно 1,5 км. Конечно, исключая горные районы.

Верхней границей тропосферы является тропопауза – изотермический слой. Вспомните характерный вид грозовых облаков, вершина которых представляет собой «выброс» перистых облаков, называемых «наковальней». Эта «наковальня» как раз и «растекается» под тропопаузой, т.к. из-за изотермии восходящие потоки воздуха значительно ослабевают, и облако перестает развиваться по вертикали. Но в особых, редких случаях, вершины кучево-дождевых облаков могут вторгаться в нижние слои стратосферы, преодолевая тропопаузу.

Высота тропопаузы зависит от географической широты. Так, на экваторе она находится на высоте примерно 16 км, и ее температура составляет около –80°C. На полюсах тропопауза расположена ниже – примерно на высоте 8 км. Летом ее температура здесь составляет –40°C, и –60°C зимой. Т.о., несмотря на более высокие температуры у поверхности Земли, тропическая тропопауза намного холоднее, чем у полюсов.

Далее в стратосфере температура с высотой не понижается, а наоборот, растет, пока не достигает в зависимости от сезона и широты -30°C…+20°C на высоте примерно 48 км. Такой рост температуры обусловлен взаимодействием ультрафиолетового излучения с озоновым слоем, который располагается как раз в стратосфере. Кстати, стратосфера также влияет на погоду. В последнее время появились исследования, которые указывают на связь параметров стратосферы с аномалиями приземной температуры. Вероятно, развитие этих исследований позволит ученым разработать более совершенные и точные методы долгосрочного прогноза температурных аномалий у поверхности Земли (на 30–40 суток).

Стоит добавить, что в стратосфере резко уменьшается количество водяного пара, зато растет содержание озона. Т.о., формируется очевидный контраст между влажной и бедной на озон тропосферой и сухой, но зато богатой на озон стратосферой.

Несмотря на сухость стратосферы, в холодное время года в высоких широтах в ней все-таки могут образовываться облака на высотах от 17 до 30 км.

Стратосфера простирается примерно до 48 км над поверхностью нашей планеты и вместе с тропосферой составляет 99,9% нашей атмосферы.

Верхней границей стратосферы является стратопауза.

Над стратопаузой температура снова начинает понижаться. Этот слой называется мезосферой и расположен в средней атмосфере. В верхних слоях мезосферы температура падает до –90°C. В мезосфере рождается такое красивое световое явление в атмосфере, как вспышки метеоров. Поэтому, наблюдая «падающие звезды», помните, что это явление мы видим в мезосфере. Также в верхних слоях мезосферы формируются загадочные серебристые облака, которые в северном полушарии Земли можно наблюдать короткими летними ночами с мая по август над северным горизонтом. Заканчивается мезосфера мезопаузой на высоте примерно 85 км. В высоких широтах температура мезопаузы меняется от –120°C летом до –50° зимой.

В летние месяцы с увеличением вертикальных температурных градиентов в мезосфере над высокими широтами, в т.ч. из-за достижения максимальной температуры стратопаузы вследствие максимального притока солнечной радиации, формируются восходящие потоки, которые приводят к образованию тонких облаков, называемых серебристыми. Серебристые облака формируются в верхней мезосфере на высотах примерно 80 км над поверхностью Земли.

Верхний слой атмосферы называется ионосферой (термосферой). Здесь температура снова начинает расти, причем до значительных значений (до 500–1000°К в зависимости от солнечной активности). Суточные колебания температуры здесь составляют сотни градусов! Но воздух здесь настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем понимании здесь мало что значит.

В ионосфере происходят такие прекрасные природные явления, как полярные сияния.

Высота термопаузы в зависимости от солнечной активности меняется от 200 до 500 км. Выше 500 км определение температуры является очень сложной задачей из-за крайней разреженности этих самых верхних границ земной атмосферы.