Состав и строение атмосферы.

Атмосфера – газообразная (воздушная) оболочка Земли. Масса ее составляет 5·10 ¹⁵ т, что в миллион раз меньше массы литосферы и в 250 раз меньше массы гидросферы. Плотность воздуха быстро убывает с высотой, поэтому основная часть массы атмосферы сосредоточена в нижних слоях.

Земная атмосфера находится в постоянном движении: во вращательном движении ·Земли. В результате этих движений атмосфера Земли представляет собой хорошо перемешанную механическую смесь газов, состоящую (в %): из азота–78, кислорода –21, аргона –0,9, водорода –0,1, а также гелия, озона, метана и др. В состав атмосферы входят в переменных количествах водяной пар (от 0 до 4%), углекислый газ (до 0,03 %), а также мельчайшие частицы неорганического и органического происхождения (космическая пыль и др.) размером от 1 10 ^-7 до 5·10 ^-2 см.

Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха находятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии, т.к. критические температуры, т.е. температуры, при которых они могут находиться в жидком состоянии, много ниже температур, наблюдаемых у поверхности Земли. Исключение составляет углекислый газ. Однако для перехода в жидкое состояние кроме температуры необходимо еще достижение состояния насыщения. В атмосфере углекислого газа немного (0,03%) и он находится в виде отдельных молекул, равномерно распределенных среди молекул других атмосферных газов.

Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсивным перемешиванием нижнего слоя воздуха. Это однородная или гомогенная среда.

В атмосферном воздухе есть еще жидкие, твердые и газообразные частицы естественного и антропогенного происхождения (аэрозоли). Естественные примеси в атмосфере – это продукты извержения вулканов, пыльца растений, пыль с поверхности земли, частицы горных пород, соль с морей и океанов, капли и кристаллы воды, из которых состоят облака, туманы, дымка, органические аэрозоли, которых в атмосфере очень много, и др. Из межпланетного пространства атмосфера получает ежегодно от 2 до 5 млн.т космической пыли. В верхних слоях атмосферы сгорает огромное количество метеоритов, оставляя дым и пыль.

Антропогенные примеси в атмосферном воздухе – это выбросы промышленных предприятий и транспорта.

Состояние воздуха над океанами.

Океан занимает почти три четверти поверхности Земли. Он является мощным постоянно действующим поставщиком аэрозольного вещества в атмосферу. Значительная доля аэрозольных частиц возникает в результате испарения капель морской воды и содержит в основном легкорастворимые гигроскопические морские соли.

Над океанами наблюдаются аэрозоли и минерального происхождения. Это наблюдается при выносе пыли из Сахары в Атлантику, из пустынь Центральной Азии в океан, из Аравийских пустынь в северную часть Индийского океана. Пыли бывает так много, что она значительно ухудшает видимость и создает сложные условия плавания. Такие явления наблюдаются у западных берегов Африки в северной части Атлантики и в других местах.

В воздухе над океанами много водяного пара. Относительная влажность в среднем составляет 80%. В приводном слое воздуха содержатся ионы морских солей, что по медицинским наблюдениям, благоприятно влияет на здоровье человека. Мировой океана, занимающий большую часть нашей планеты и покрытый зелеными водорослями, является поставщиком кислорода для всей планеты. Углекислый газ интенсивно поглощается морскими зелеными водорослями. Над океанами в воздухе в два-три раза меньше углекислого газа, чем в среднем для атмосферы.

С высотой вертикальная неоднородность атмосферы наиболее отчетливо проявляется в характере изменения температуры воздуха. По этому признаку атмосферу принято делить на пять основных слоев (сфер) и четыре переходных слоя (паузы): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу, тропопаузу, стратопаузу, мезопаузу и термопаузу.

Наиболее характерной особенностью тропосферы является в целом падение температуры воздуха с высотой (на верхней границе тропосферы температура падает до –75, –85 "С), хотя здесь могут встречаться небольшие по вертикальной протяженности слои, где температура не меняется (это слои изотермии) или даже растет с высотой (слои инверсии).

Тропосферный воздух нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности Земли. В этом слое содержится почти весь водяной пар, происходит образование туманов и облаков, атмосферных осадков и т. д., т. е. протекают основные процессы погоды.

Тропосфера от стратосферы отделена довольно четко выраженным переходным слоем толщиной 1–2 км – тропопаузой. Высота ее меняется от экватора (до 18 км) к полюсам (до 5–6 км) и от лета (располагается выше) к зиме (высота ее уменьшается). Кроме того, высота тропопаузы испытывает как периодические (сезонные и суточные), так и непериодические колебания, обусловливаемые синоптическими процессами в атмосфере.

Выше тропопаузы располагается стратосфера –50 км слой атмосферы, наиболее характерными свойствами которого являются возрастание общей и относительной концентрации озона (О₃), образующегося из молекулярного кислорода под влиянием ультрафиолетовой радиации, и рост температуры воздуха с высотой (до 0 °С). Роль озона в земной атмосфере исключительно велика, хотя его общее количество ничтожно мало (1 × 10^-6 %). Слой озона сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым защищает органическую жизнь планеты от губительного жесткого излучения.

Выше 55 км располагается мезосфера, которая характеризуется понижением температуры с высотой. К мезопаузе (80– 85 км) температура понижается до – 80 °С.

Над мезопаузой располагается наиболее мощный слой атмосферы – термосфера, характеризующаяся непрерывным ростом температуры с высотой. Термосфера простирается до высот 800– 1000 км, где переходит в экзосферу, также характеризующуюся ростом температуры до значений 1000–3000°К. Столь высокие значения температуры воздуха в верхних слоях атмосферы являются лишь мерой кинетической энергии молекул и атомов газов.

В плане взаимодействия атмосферы и земной поверхности атмосферу делят на планетарный пограничный слой (слой трения) толщиной 1 –1,5 км и свободную атмосферу. Нижняя 30–50-метровая часть планетарного пограничного слоя носит название приводного (приземного) слоя атмосферы. Этот слой характеризуется наибольшими вертикальными градиентами метеорологических полей. Именно в этом слое происходит в основном вся хозяйственная деятельность человека.

По электрическому состоянию атмосферу делят на нейтросферу (до высот 40 км), переходный слой и ионосферу (более 80 км). На высотах 80–100 км все газы почти полностью ионизированы, а концентрация электронов достигает 10 ⁶ в 1 см³ . За счет высокой подвижности электронов проводимость ионосферы в 1012– 1014 раз выше проводимости нейтросферы. В ионосфере выделяют слои D, Е, F\ и Fn, где наблюдаются относительные максимумы концентрации электронов. При распространении радиоволн в атмосфере все эти слои играют определенную роль.

Еще более неоднородна атмосфера (особенно ее нижняя часть – тропосфера) в горизонтальном направлении. Неоднородность обусловливается главным образом неравномерным нагревом атмосферного воздуха, вызывающим неравномерное распределение атмосферного давления. Приземная атмосфера расчленена на отдельные объемы воздуха, имеющие более или менее однородные свойства,– воздушные массы. Воздушные массы, обладающие различными термодинамическими свойствами, разделяются переходными зонами – атмосферными фронтами. На особо обостренных атмосферных фронтах могут зарождаться мезомасштабные вихри – циклоны и антициклоны, способствующие широтному воздухообмену на планете.

В результате воздействия указанных сил атмосфера находится в постоянном и непрерывном движении. Совокупность результирующих горизонтальных и вертикальных движений носит название общей циркуляции атмосферы.

Хотя общая циркуляция атмосферы имеет сложный и постоянно меняющийся характер, основные ее закономерности сохраняются длительное время и служат наряду с другими факторами важными элементами климата обширных районов Земли.