Циркуляция атмосферного воздуха

АТМОсфера. ЕЕ Происхождение и Свойства

Атмосфера и ее происхождение

Атмосферой называют газовую оболочку Земли (аtmos в переводе с греческого обозначает пар).

Согласно общепринятым представлениям первичная атмосфера Земли является продуктом плавления и дегазации вещества мантии.

Первичная земная атмосфера имела восстановительный характер, те есть в ней почти полностью отсутствовал кислород. Она состояла из смеси водорода и гелия с небольшим количеством метана, аммиака, азота и соединений водорода с галогенами.

Это была холодная и тонкая газовая оболочка, в которой горячие газы быстро рассеивались, а пары воды достаточно быстро сгущались в облака. В тоже время выбрасываемый вулканами и выделяющийся при дегазации оксид углерода (СО) вместе с водяными парами обеспечивали усиление действия парникового эффекта, постепенно повышающего температуру Земли. Последнее обстоятельство имело огромное значение для эволюции атмосферы.

В ходе эволюции под влиянием солнечной энергии и земных факторов, к которым прежде всего относится развитие жизни, состав и плотность атмосферы претерпели существенные изменения:

- водород и гелий в основном рассеялись в космосе;

- из воды и аммиака образовался молекулярный кислород;

- кислород стали выделять в процессе своей жизнедеятельности простейшие представители древней флоры Земли.

На сегодняшний день суммарная масса земной атмосферы составляет 5,3^.10¹⁸ кг, а средний газовый состав атмосферного воздуха (по А. Лавуазье):

- азот -75,65 %;

- кислород - 20,29 %;

- водяной пар - 3,12 %;

- аргон - 0,90 %. (ВСЕГО: 99,96 %).

В небольших количествах в атмосфере содержится также:

- углекислый газ (до 0,03 %) и оксид углерода, поступающие при лесных пожарах, извержениях вулканов, от горячих ключей, в результате дыхания и т. п.;

- водород;

- метан, являющийся в основном продуктом жизнедеятельности;

- инертные газы: гелий, неон, криптон, ксенон - продукты естественного радиоактивного распада урана, тория, радона;

- озон, являющийся продуктом соединения молекулярного и атомарного кислорода под воздействием солнечных ультрафиолетовых лучей;

- аэрозоли как в жидком, так и в твердом состоянии.

Строение атмосферы

Атмосфера, окружая Землю, вращается вместе с ней, не рассеиваясь в космическом пространстве благодаря действию гравитационных сил. При этом она по своей структуре неоднородна и условно разделена на слои (рис.5.1).

Рис. 5.1. Структура атмосферы с изменением температуры и давления по высоте.

1.Тропосфера - ближайший к земной поверхности слой атмосферы, физические свойства которого определяются в основном влиянием земной поверхности. Толщина тропосферы колеблется в зависимости от колебания температуры в данном географическом месте поверхности Земли. Ее максимальная толщина (15 - 18 км) наблюдается у экватора, а минимальная - у полюсов (8 - 10 км).

В тропосфере находится около 80 % всего атмосферного воздуха планеты и почти весь ее водяной пар.

Тропопауза - тонкий переходный слой на границе тропосферы.

2.Стратосфера - достаточно объемный слой атмосферы (до 55 км высотой), граничащий с тропосферой (через тропопаузу) и мезосферой (через стратопаузу). Количество массы атмосферного воздуха в стратосфере составляет около 19 %, содержание водяных паров мало и все еще сохраняется перемещение воздуха. В верхних слоях стратосферы расположен так называемый озоновый слой Земли - слой с максимальной концентрацией озона, который:

- поглощает жесткое космическое излучение, пагубно действующее на все живое. Так он отражает до 95 % только ультрафиолетовых лучей;

- играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы, а следовательно, воздушных течений. Он задерживает до 20 % инфракрасных излучений Земли.

Содержание озона неодинаково. Его больше в высоких широтах и меньше - в средних и низких. Весной озона как правило больше, чем осенью.

3. Мезосфера - слой атмосферы толщиной до 80 км, который называют еще хемосферой за наибольшую интенсивность химических реакций, протекающих в ней. Через мезопаузу она соединяется с термосферой.

4. Термосферу часто называют ионосферой, так как газы находятся в ней в ионном состоянии. Мезосфера и термосфера оказывают влияние на распространение радиоволн.

5. Экзосфера - самая верхняя часть атмосферы. Это сфера рассеивания, переходный слой между собственно атмосферой и космическим пространством.

Свойства атмосферы

Циркуляция атмосферного воздуха.

В общем виде под циркуляцией атмосферного воздуха понимают горизонтальное (по отношению к поверхности) перемещение воздушных масс, обусловленное неравномерностью нагревания воздуха над полюсами и экватором, над морями и континентами и т. п., то есть наличием горизонтального градиента давления. Однако в реальных условиях этот процесс более сложен, поскольку на циркуляцию атмосферы влияет много факторов, имеющих различную степень значимости. Последствия действия этих факторов на циркуляцию также различны. Для того, чтобы подробно рассмотреть все факторы, в той или другой степени влияющие на движение воздушных масс выделяют 3 уровня циркуляции атмосферы:

а) Общая циркуляция атмосферного воздухавыглядит следующим образом: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными воздушными потоками, движущимися от полюсов к экватору. Если бы Земля не вращалась, воздух перемещался бы непосредственно из области высокого давления в область низкого, то есть из холодных зон - в теплые.

Вращение Земли изменяет характер движения. При вращении Земли возникает сила Кориолиса. Если смотреть в направлении движения потока воздуха, то эта сила отклоняет поток вправо (на север). Величина силы Кориолиса зависит от широты местности и угловой скорости вращения Земли (она максимальна на полюсах и практически равна нулю на экваторе). В итоге при совместном действии градиента давления и силы Кориолиса воздушный поток будет искривляться.

Потоки воздуха в умеренных широтах Северного полушария переносятся в основном с Запада на Восток, а по обе стороны экватора ( в зоне пассатов) - с Востока на Запад. Между ними находится зона затишья, где преобладают восходящие потоки воздуха.

На горизонтальное (искривленное) движение воздушных масс оказывает серьезное влияние ускорение, которое характерно для районов, расположенных вблизи областей высокого и низкого давления.

В северном полушарии движение воздуха против часовой стрелки вокруг центра низкого давления называют циклоном, а движение по часовой стрелке вокруг центра высокого давления - антициклоном.

Для циклонов характерно медленное, но длительное восходящее движение воздуха на фоне ненастной погоды.

Для антициклонов характерно медленное оседание воздушных масс на фоне хорошей погоды. При антициклонах может возникнуть так называемый инверсионный слой (одинарный или двойной), когда вышележащие слои воздуха нагреты больше, чем нижележащие. Нормальная циркуляция воздуха при этом нарушается.

На движение воздуха вблизи поверхности Земли оказывают влияние силы трения о ее неровности (шероховатости). Пространство, в котором действуют силы трения, называется планетарным пограничным слоем.

б) Сезонная циркуляция атмосферного воздуха обусловлена неодинаковым нагревом поверхности океана и земли летом и зимой и как следствие - устойчивость значительной разности давлений над сушей и океаном. К сезонной циркуляции относят муссоны - ветры, меняющие два раза в год свое направление:

- летом - с океана на сушу;

- зимой - с суши на океан.

в) Местная циркуляция атмосферы, которая оказывает непосредственное влияние на циркуляцию атмосферного воздуха в данном регионе под действием факторов местного масштаба. В соответствии с этими факторами выделяют 6 важнейших типов местных ветров:

- Бризы - ветры, меняющие свое направление между морем и сушей два раза в сутки. Ночью бризы дуют с суши на море, а днем - с моря в сторону суши;

- Ветер гор и долин. В горных долинах в течение дня вследствие нагревания воздуха в приземном слое возникают его восходящие потоки, направленные от дна долины вверх по склонам. Ночью картина меняется на противоположную. Охлажденные в приземном слое воздушные потоки сползают вниз по склонам ко дну долины. Такие ветры очень важны с точки зрения поддержания воздухообмена в горных долинах;

- Фен (горный ветер) возникает при перетекании потоков воздуха через достаточно высокую горную цепь. Воздушные массы с наветренной стороны , огибая препятствие, поднимаются вверх, охлаждаются, из них выпадают осадки, после чего они дальше в долину. Это порывистые и теплые ветры, дующие со стороны горных хребтов в долину;

- Бора (мистраль) - холодный ветер, дующий со склонов низких гор или плоскогорий в направлении теплого моря;

- Шквал - очень сильный порывистый ветер, часто меняющий свое направление. Возникновение шквалов часто связано с возникновением ми передвижением кучевых облаков;

- Локальные вихри (торнадо, смерчи) возникают в случае неустойчивой стратификации (локальном резком понижении или повышении давления) атмосферы.

К дополнительным местным условиям, влияющим на формирование местных ветров относятся также более мелкие особенности рельефа местности типа ущелий, лесозащитных полос и т. п. При этом перед преградой скорость движения ветра ослабляется, а над преградой и с боков – увеличивается. За преградой образуется зона аэродинамической тени, длина которой может достигать 20 - 50 высот преграды.