Состав, строение и значение атмосферы

Атмосфера является средой обитания наземных живых организмов (человека, животных и растений), поэтому ее физическое состояние и происходящие процессы и явления оказывают огромное влияние на земную жизнь и формирование условий среды. Атмосферные явления также оказывают большое воздействие на процессы, протекающие в других средах – воде, почве, и существенно влияют на физические условия в них.

Атмосфера не имеет резко выраженной верхней границы. С высотой плотность воздуха плавно уменьшается, и атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство. В связи с этим высоту атмосферы устанавливают весьма условно. Наблюдениями с использованием космической техники обнаружено наличие атмосферных газов (в основном водорода) на высотаолее 20 тыс. км. Хотя плотность газа на этих высотах ничтожно мала, все же она во много раз больше, чем плотность вещества (преимущественно протонов и электронов) в межпланетном пространстве. У земной поверхности плотность воздуха составляет примерно 2,7*10¹⁹ молекул/см³.

Масса всей атмосферы оценивается приближенно от 5,15 до 5,9*10¹⁵ т, что примерно в миллион раз меньше массы Земли. Почти вся атмосфера сосредоточена в сравнительно тонком слое, прилегающем к земной поверхности: примерно половины массы – в слое до 5 км, 75 % – в слое до высоты 10 км и около 99 % – в слое до высоты 30 км. Воздух представляет собой механическую смесь множества газов, в которой во взвешенном состоянии находятся разнообразные жидкие и твердые частицы (атмосферные аэрозоли). В нижних слоях атмосферы в переменных количествах обязательно содержится водяной пар. Содержание газов в воздухе принято выражать в процентах к объему чистого и сухого воздуха. В составе воздуха у земной поверхности основными газами являются молекулярный азот (N₂) – 78,08 %, кислород (O₂) – 20,95 % и аргон (Ar) – 0,93 %. В сравнительно небольшом количестве содержатся в воздухе углекислый газ (CO₂) – 0,033 %. Многие другие газы входят в состав воздуха в очень малых количествах (от тысячных до миллионных и менее долей процента). Это, например, гелий (He), неон (Ne), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn), водород (H₂), озон (O₃), метан (CH₄), аммиак(NH₃), перекись водорода (H₂O₂), оксиды азота (N_XO_X), оксиды серы (SO₂ и SO₃), и др. Процентное содержание основных газов в сухом воздухе у земной поверхности практически одинаково повсюду на земном шаре и примерно до высоты 100 км почти не изменяется (в связи с чем слои атмосферы до этой высоты называют гомосферой, хотя плотность массы всех атмосферных газов быстро убывает с высотой. Такое постоянство состава атмосферного воздуха, как по горизонтали, так и по вертикали обеспечивается интенсивным его перемешиванием.

По своим физическим свойствам атмосфера очень неоднородна в горизонтальном и, особенно, в вертикальном направлении. В частности, изменяются такие физические свойства, как температура, влажность, плотность, давление и состав воздуха, содержание в нем аэрозолей и др.

По вертикали атмосферу разделяют на ряд слоев, существенно различающихся по тому или иному признаку: характеру изменения температуры воздуха с высотой, степени ионизации воздуха, его составу, взаимодействию атмосферы с земной поверхностью и др. Существует несколько классификаций вертикального строения атмосферы. Разные классификации используются в зависимости от конкретной цели. Наиболее часто используют классификацию атмосферных слоев по характеру изменения температуры с высотой. По этому признаку атмосферу делят на пять основных слоев (сфер): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Строение атмосферы

Основные атмосферные слои разделяются переходными слоями относительно небольшой вертикальной протяженности: тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза. Самым нижним слоем атмосферы является тропосфера. Отличительный признак ее – понижение температуры с увеличением высоты со средним градиентом 0,65^оС на каждые 100 м высоты (в отдельных случаях распределение температуры в тропосфере может характеризоваться значительно большими и меньшими градиентами, а иногда может наблюдаться и повышение температуры с высотой).

Высота, до которой простирается тропосфера, изменяется в широких пределах в зависимости от широты места, сезона года и иных причин. В среднем в умеренных широтах она равна 11 км. Наименьшие высоты наблюдаются в полярных районах (около 9 км), наибольшие – над экватором (до 18 км). На протяжении года наибольшие высоты отмечаются летом, наименьшие – зимой. Средняя годовая температура по верхней границе тропосферы составляет примерно -55^оС в умеренных широтах, -75^оС – над экватором, -65^оС – над Северным полюсом зимой и -45^оС – летом, в среднем по земному шару она равна -56,5^оС (35). В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы и почти весь водяной пар. В ней интенсивно развиты процессы перемешивания воздуха – перемещения его в горизонтальном и вертикальном направлениях; тепло- и влагооборота, а также взаимодействия атмосферы с земной поверхностью. Процессы, происходящие в тропосфере, оказывают решающее влияние на формирование погоды и климата, а значит, и на формирование условий среды для живых организмов.

Над тропосферой до высоты около 50 км простирается стратосфера, характеризующаяся иным характером изменения температуры с высотой. Начиная с тропопаузы (мощность ее до 1 – 2 км) падения температур с высотой замедляется. В нижней части стратосферы до высоты около 25 км температура с высотой не изменяется (изотермия) или даже слабо растет (инверсия). Выше этого уровня температура с увеличением высоты быстро растет и на верхней границе стратосферы близка к 0^оС. Прекращение понижения, а затем и повышение температуры с высотой в стратосфере объясняется повышенным содержанием в этом слое озона и поглощением им ультрафиолетовой радиации Солнца.

Выше стратосферы, до высоты приблизительно 90 км, лежит мезосфера, для которой характерны быстрое понижение температуры с высотой (с градиентом в среднем 0,35^оС/100 м) и очень низкие температуры воздуха вблизи верхней границы (от -85^оС до -90^оС).

В вышележащем слое – в термосфере вновь наблюдается рост температуры с высотой, который происходит главным образом за счет поглощения некоторой части ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом.

Термосфера простирается до высоты 450 км и отличается очень высокими температурами – до 1000^оС и более (особенно в годы активного Солнца). Высокие температуры в данном случае характеризуют только очень большие скорости и большую кинетическую энергию движущихся частиц газов. Однако воздух на высоте термосферы настолько разряжен, что посторонние тела, находящиеся в нем (космические корабли, спутники и др.), не нагреваются путем теплообмена с воздухом. Температурный режим их определяется соотношением поглощения солнечной радиации и излучения собственной радиации данными телами.

Внешний слой атмосферы – экзосфера простирается до верхней границы атмосферы, где постепенно переходит в космическое пространство. Этот слой выделяется по признаку рассеивания газов (в основном атомов водорода), а не по температурному признаку. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Как и в термосфере, в экзосфере очень высокие температуры воздуха и еще большее разряжение. Отдельные частицы газов движутся с громадными скоростями и проходят большие расстояния, не сталкиваясь друг с другом. Некоторые, из этих частиц двигаясь со скоростью более второй космической, могут преодолевать земное притяжение и ускользать в межпланетное пространство. Наблюдается и обратный процесс – поступление частиц газов из межпланетного пространства в атмосферу земли.

По степени ионизации воздуха слой атмосферы, характеризующийся относительно высокой концентрацией молекулярных и атомных ионов и свободных электронов, называется ионосферой. Этот слой начинается с высоты 50 – 60 км и простирается до высоты порядка тысячи километров. Причинами ионизации воздуха являются ультрафиолетовая и рентгеновская радиация Солнца, а также корпускулярное (поток протонов и электронов высоких энергий) космическое и солнечное излучения.

Ионосфера обладает значительной электропроводностью, ней наблюдаются полярные сияния, возникающие при взаимодействии корпускулярного излучения с частицами воздуха в верхней атмосфере. При этом протоны и электроны высоких энергий сталкиваются с молекулами и атомами воздуха (кислорода и азота) и ионизируют их, вызывая свечение. Очень большую роль играет ионосфера в распространении радиоволн, отражая их. В периоды высокой активности Солнца в ионосфере могут наблюдаться резкое увеличения степени ионизации (ионосферные бури), сопровождаемые магнитными бурями, что ведет к изменению отражающих свойств ионосферы и, как следствие, к ослаблению или прекращению радиосвязи.

По характеру взаимодействия с земной поверхностью выделяют пограничный слой или слой трения до высоты 1,0 – 1,5 км и свободную атмосферу. В слое трения на движение воздуха оказывает влияние сила трения о земную поверхность, и физические свойства воздуха определяются в основном взаимодействием его с земной поверхностью. Нижняя часть пограничного слоя до высоты 50 – 100 м называют приземным слоем.

Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, она способствует перераспределению тепла по земному шару. Лучистая энергия Солнца - практически единственный источник теплоты для поверхности Земли. Она определяет и световой режим Земли. Лучистая энергия Солнца частично поглощается атмосферой. Достигшая поверхности Земли энергия частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу.

Нетрудно представить себе, каким был бы температурный режим Земли, если бы не было атмосферы: ночью и зимой она бы сильно охлаждалась за счет собственного охлаждения, а летом и днем перегревалась за счет солнечной радиации. Так происходит, например, на Луне, где нет атмосферы.

Значение атмосферы этим не исчерпывается. Газовая оболочка – это "одеяло" Земли, предохраняющее ее от чрезмерного остывания и нагревания. Благодаря этому на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре и обратно.

Атмосфера защищает нас и от "звездных осколков". Размеры метеоритов в подавляющем большинстве не превышают величины горошины. С огромной скоростью (от 11 до 64 км/с) они под влиянием земного притяжения врезаются в атмосферу планеты, раскаляются за счет трения о воздух и на высоте около 60 – 70 км большей частью сгорают. Если бы отсутствовала атмосфера, на Землю падали бы и крупные космические осколки.

Велико значение атмосферы и в распределении света. Воздух атмосферы разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому привык человек. Атмосфера является той средой, где распространяются звуки. Без воздуха на Земле царила бы тишина. Долгое время считали, что воздух не имеет массы. Только в ХVII веке было доказано, что масса 1 м3 сухого воздуха, если его взвесить на уровне моря при температуре 0 0С, равна 1293 г, а на каждый квадратный сантиметр земной поверхности приходиться 1033 г воздуха. Ладонь человека испытывает давление воздуха силой около 1471 Н, а на все тело человека воздух давит с силой более 1471*10³ Н. Мы не замечаем этой огромной тяжести лишь потому, что все ткани нашего тела также насыщены воздухом, уравновешивающим внешнее давление. Как только это равновесие нарушается, наше самочувствие ухудшается: учащается пульс, появляется вялость.

Все процессы, развивающиеся в атмосфере, осуществляются за счет энергии, получаемой Землей от Солнца. Благодаря ей ежегодно с поверхности Земли испаряются многие миллиарды тонн воды. Атмосфера выполняет чрезвычайно важную роль перераспределителя влаги на земном шаре. Поступившая в атмосферу в виде пара вода переносится на огромные расcтояния и затем снова выпадает на Землю.