Строение атмосферы.

Нижней границей атмосферы является поверхность Земли.

Верхней грани­цей в международном праве считается 100км. В науке и технике верхней грани­цей условно считают высоты, на которых плотность атмосферных газов приближается к плотности материи в межпланетном про­странстве (межпланетного газа). Эта граница достаточно расплывчата и оценивается значением 1100—3000 км.

По высоте земная атмосфера имеет слоистое строение. В зави­симости от характеристик атмосферы, положенных в основу деле­ния ее на слои (распределение температуры, взаимодействие с земной поверхностью, состав воздуха и др.), применяются различные схемы строения земной атмосферы (фиг. 1.1).

По составу воздуха атмосфера делится на:

- гомосферу (до Н= 90 – 100 км), в ней состав сухого воздуха и его молекулярный вес (28,966 г/моль) практически не меняется с высотой и составляет:

- азота (78,08% объема),

- кислорода (20,95%),

- аргона (0,93%),

- углекислый газ (0,02 – 0,04%),

- примеси в небольших количествах: водород, гелий, неон, криптон, ксенон, озон, метан, закись азота, окись углерода и др. (менее 0,01%);

- гетеросферу (выше 90 – 100 км), состав воздуха изменяется, молекулярный вес уменьшается, т.к. происходит диссоциация молекул под действием солнечного излучения до состояния атомов и ионов. До Н=400-600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, но с Н=110 – 120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии. На больших высотах в атомарное состояние переходит азот, затем относительное количество кислорода и азота уменьшаются и на высотах порядка 1600км в атмосфере преобладает гелий, а на высотах более 3000 км — водород. Для нас важно, что численные значения коэффициентов, используемых в формулах газодинамики в гетеросфере могут изменяться, меняются также законы аэродинамики (а/д разреженных газов).

- выделяется озоносфера — слой озона на Н=20 – 55 км с максимальной концентрацией на Н=20 – 25 км;

- выделяется ионосфера с повышенной концентрацией ионов, состоит из нескольких слоев:

- D на Н=60 км,

- E на Н=90 – 120 км,

- F на Н > 180 км.

По взаимодействию с земной поверхностью атмосфера делится на:

-пограничный слой(от 0 до 1000 – 2000 м), в нем проявляется влияние трения воздушных масс о подстилающую поверхность (механическое влияние и наиболее сильно проявляется тепловое влияние земли на воздух);

-свободная атмосфера, в которой этого влияния нет.

При прогнозировании погоды и условий полета это необходимо учитывать.

По распределение температуры по высотаматмосфера состоит из, пяти основных слоев:

- тропосферы,

- стратосферы,

- мезосферы,

- термосферы,

- экзосферы;

и переходных слоев между ними (соответственно):

- тропопауза,

- стратопауза,

- мезопауза,

- термопауза.

Каждый слой характери­зуется резко выраженными физическими особенностями, обусловленными в основном взаимодействием между частицами газов, образующих атмосферу, и излучением, попадающим в атмосферу извне (солнечным). Схема расположения этих слоев по высоте дана на фиг. 1.1.

Для авиации важны тропосфера и стратосфера с тропопаузой, другие слои непосредственно на вопросы, связанные с авиацией, не влияют. Рассмотрим кратко характеристики нижних слоев атмосферы.

Тропосфера является нижним слоем атмосферы, верхняя граница кото­рого расположена на высоте около 7 – 10 км в полярных широтах, 10—12 км в умеренных и 14—18 км в тропических широтах. В тропосфере находится более 79% всей массы земной атмосферы. С увеличением высоты тем­пература воздуха в тропосфере (см. фиг. 1. 1) быстро понижается, так как тропосфера получает тепло в основном от поверхности земли, нагреваемой Солнцем. Быстрое падение температуры с высотой в тропосфере приводит к интенсивному вертикальному пере­мешиванию слоев воздуха (образованию восходящих и нисходя­щих токов), образованию облаков и туманов, выпадению осадков, развитию грозовой деятельности и др. В тропосфере воздух также интенсивно перемещается в горизонтальном направлении. В этом слое непрерывно изменяются температура, давление, влажность и другие физические параметры воздуха. Тепловое и механическое влияние поверхности Земли наиболее сильно сказывается на высо­тах до 1 – 2 км (пограничный слой).

В тропосфере к воздуху добавляется:

- водяной пар (0 – 4% от объема воздуха, 90% всего пара в атмосфере находится в тропосфере) играющий весьма большую роль в атмосферных явлениях (превращения пара сопровождаются поглощением или выделением больших количеств тепла, конденсация пара создает облака и осадки),

- пыль — твердые частицы разнообразного состава.

Посторонние примеси в воздухе (пыль и влага) влияют на цвет неба. Молекулы воздуха рассеивают преимущественно свет малой длины волны, поэтому освещенный солнцем воздух в большой тол­щине имеет голубой цвет. При наличии в воздухе частиц пыли или воды он рассеивает и длинноволновое излучение. В этом случае небо становится белесоватым. С высотой содержание пыли и влаги в атмо­сфере быстро убывает и интенсивность голубой окраски неба воз­растает. На высотах более 15—20 км небо становится темно-фиолетовым. Цвет неба учитывается при разработке маскировочной окраски для самолетов.

Над тропосферой расположен слой, называемый стратосферой. Переходной слой воздуха от тропосферы к стратосфере толщиной от нескольких сот метров до примерно 2 км носит название тропопаузы.

Нижнюю границу тропопаузы определяют как высоту уменьшения градиента уменьшения температуры воздуха, после которого градиент температуры не увеличивается. Причем это может быть градиент может доходить до 0 (изотермия) или до плюсовых значений (инверсия).

Высота тропопаузы (верхней границы тропосферы) может существенно меняться. При антицикло­не, т. е. над областями с высоким атмосферным давлением, тропо­пауза располагается выше, чем при циклоне, т. е. над областями с низким давлением; весной высота тропопаузы понижается, а осенью — повышается.

Тропопауза начинает препятствовать развитию вертикальных движений — в ней постепенно убывают процессы вертикального перемешивания воздуха, характерные для тропосферы и почти от­сутствующие в стратосфере.

Стратосфера простирается от тропосферы до высот 40 – 50 км. Стратосфера почти всегда безоблачна — в ней находится ничтожное количество водяного пара. Нижний слой стратосферы (до Н = 25 – 30 км) является обычно изотермическим, а над ним располагается инвер­сионный слой с ростом Т почти до 0°С. Поэтому стратосфера более спокойна, чем тропо­сфера. Однако и в стратосфере (особенно в нижних ее слоях) на­блюдается иногда болтанка, а также бывают весьма сильные ветры — со скоростью порядка нескольких сот километров в час.

В стратосфере находится слой максимальной концентрации озона, начинающийся на высотах порядка 20 км и кончающийся около 55 км. Этот слой чрезвычайно интен­сивно поглощает ультрафиолетовое солнечное излучение. В основ­ном благодаря этому на указанных высотах значительно повы­шается температура воздуха (слой инверсии). Вследствие погло­щения озоном ультрафиолетовое излучение Солнца почти не попа­дает в тропосферу.

Не существует четких границ между различными слоями атмо­сферы, а высоты их расположения и характеристики могут значи­тельно изменяться в зависимости от времени года и суток, географической ши­роты места и др. Процессы, происходящие в различных слоях земной атмосферы, взаимосвязаны: поглощение ультрафиолетового излучения слоем озона в стратосфере влияет на свойства тропосферы и т. п.