12

Глава 1

СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ И ЕЕ АТМОСФЕРЕ

1.1. Основные сведения о планете Земля

Планета Земля представляет одну из планет Солнечной системы. Солнце является звездой средней величины и единственным источником энергии, благодаря которому существует жизнь на Земле.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца называется плоскостью эклиптики.

Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66°33'. Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси по отношению к плоскости эклиптики происходит смена времени года.

В астрономии существуют понятия солнечных и звездных суток. Год содержит 365,25 солнечных суток, т.е. в течение года Земля совершает 365,25 оборота вокруг своей оси при одном обороте вокруг Солнца. Кроме того, пройдя за год всю орбиту, Земля сделает еще один оборот вокруг своей оси по отношению к неподвижным звездам. Поэтому один год равен 365,25 солнечных суток или 366,25 звездных суток. Отсюда одни звездные сутки равны 365,25/366,25 солнечных суток.

Угловая скорость суточного вращения Земли определяется как ско­рость ее вращения по отношению к неподвижным звездам.

Примечание: 1 звездные сутки = 24 час · 3600 сек/час = 86400 сек.

Угловая скорость вращения Земли и продолжительность суток изме­няются в течение года. Амплитуда колебания составляет 5·10^-4 сек^-1. Изме­нения в скорости вращения Земли обусловлены колебаниями в течение года скорости воздушных течений, горизонтальный масштаб которых сравним с размерами материков, океанов и всего полушария.

Совокупность таких воздушных течений носит название общей цирку­ляции атмосферы.

При построении теории атмосферных процессов и явлений угловая скорость вращения Земли принимается постоянной.

Земля имеет форму отличную от сферической. Эта форма называется геоидом (землеподобный).

Из 510 млн. км² земной поверхности – 70.8% занимает водная поверх­ность. В Северном полушарии доля водной поверхности составляет 60.7%,

а в Южном полушарии – 80.9%.

1.2. Общие сведения об атмосфере и принципы деления ее на слои

Общие сведения об атмосфере. Вертикальная протяженность атмо­сферы составляет 60 – 70 тыс. км. Резкой верхней границы атмосферы не су­ществует.

Общая масса атмосферы оценивается в 5,15·10¹⁸ кг, что составляет около одной миллионной части (0,000001) массы Земли. Толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, однако большая часть ее массы сосредоточена в тонком слое.

Примерно 50% всей массы атмосферы заключено в слое до 5 км,

75% – до 10 км,

90% – до 16 км и т.д.

Принципы деления атмосферы на слои. Атмосфера по своим физи­ческим свойствам неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали. Большим изменениям подвержены такие характеристики атмосферы как

состав, температура, давление, плотность, влажность воздуха,

содержание твердых и жидких примесей, скорость ветра.

Наиболее резко характеристики изменяются по вертикали.

Существует четыре принципа деления атмосферы на слои.

К ним относятся:

• термический режим атмосферы;

• состав атмосферы воздуха и наличие заряженных частиц;

• характер взаимодействия атмосферы с земной поверхностью;

• влияние атмосферы на летательные аппараты.

Наиболее отчетливо различие в свойствах слоев атмосферы проявляется в изменении термического режима с высотой.

• По признаку изменения термического режима с высотой атмосфера делится на пять основных слоев (см. рис. 1.1):

• тропосферу;

• стратосферу;

• мезосферу;

• термосферу;

• экзосферу.

Рассмотрим краткую характеристику каждого из этих слоев.

Тропосфера простирается до высоты 11 км. В ней сосредоточено около 80% массы воздуха всей атмосферы. Температура и влажность воздуха в этом слое с высотой понижаются. Тропосфера определяет в значительной мере влаго- и теплообмен, интенсивное вертикальное движение воздуха в виде неупорядоченных вихрей, восходящих и нисходящих струй. Здесь происходя:

- фазовые превращения водяного пара;

- образование облаков;

- выпадение осадков.

Рис.1.1. Основные слои атмосферы по признаку изменения

термического режима с высотой

В свою очередь тропосферу можно разделить на нижнюю, среднюю и верхнюю.

Нижняя тропосфера – пограничный слой до 1 – 2 км (с приземным слоем толщиной 30 – 50 м).

Средняя тропосфера располагается на высоте 1÷6 км. Характеризуется переносом воздушных масс, образованием фронтов, облаков нижнего и среднего яруса.

Верхняя тропосфера – на высоте 6 – 10 км. Температура воздуха –30° и ниже. В этом слое наблюдаются облака верхнего яруса и вершины кучево-дождевых и мощно-кучевых облаков.

Выше тропосферы располагается тропопауза – слой толщиной

1 – 2 км с инверсионным распределением температуры воздуха.

Стратосфера располагается в слое от 11 до 55 км. В этом слое от 11 до 25 км температура воздуха постоянна, а выше – наблюдается рост температуры от –60° до –10°. Плотность и давление воздуха убывает медленно. Возрастает концентрация озона, образующегося из молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения. Озон защищает органическую жизнь от жесткого излучения (солнечной радиации).

Между стратосферой и мезосферой располагается стратопауза.

Мезосфера (55 – 80 км) – температура изменяется от 0° до –75°…

–80°С. Серебристые облака, изредка появляющиеся в этом слое аналогичны перистым облакам верхней тропосферы. Они состоят из ледяных кристаллов. Выше мезосферы располагается мезопауза.

Термосфера (80 – 800 км) – наиболее мощный слой. Характеризуется непрерывным ростом температуры с высотой до +600...800°С. Сильная ионизация этого слоя обуславливает сверхдальнюю связь или затрудняет про­хождение радиоволн.

Между термосферой и экзосферой располагается термопауза.

Экзосфера (более 800 км) – малая плотность воздуха и рост темпера­туры воздуха с высотой, которая характеризует кинетическую энергию движения молекул и атомов.

• По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу и гетеросферу.

Гомосфера располагается от поверхности Земли до высоты 95 км. В этом слое относительный состав газов (азота, кислорода и аргона) и отно­сительная молекулярная масса воздуха с высотой практически не изменя­ются.

Гетеросфера – слой атмосферы выше 95 км. В этом слое наряду с молекулярными азотом и кислородом появляются атомарные кислород и азот. Поэтому относительная молекулярная масса воздуха с высотой уменьшается.

По этому же признаку выделяются:

• озоносфера – слой от 20 до 55 км, в котором сосредоточена основная масса озона;

• ионосфера – слой выше 50 – 60 км. Делится на слои D,E,F₁ и F₂ с максимальной концентрацией ионов. В ионосфере резко увеличивается содержание заряженных частиц (ионов и электронов).

• По принципу взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосфера делится на пограничный слой трения и свободную атмосферу.

Пограничный слой располагается до высоты 1,5 км. На изменение ха­рактеристик атмосферы в этом слое большое влияние оказывает земная по­верхность и силы турбулентного трения.

Внутри пограничного слоя выделяется приземный слой атмосферы толщиной до 50 – 100 м. В этом слое наблюдается резкое изменение температуры и скорости ветра с высотой.

В свободной атмосфере (выше 1 – 1,5 км) силы турбулентного трения практически отсутствуют.