1.1.1 Разделение атмосферы на слои

Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали. В ней изменяются такие физические величины, как температура, давление, плотность, состав и влажность воздуха, содержание твердых и жидких примесей, скорость ветра. Наиболее резко они изменяются по вертикали, вследствие этого при делении атмосферы на слои на первое место выступает неоднородность ее свойств именно по вертикали. По этому признаку атмосфера делится на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезоферу, термоферу и экзосферу. В таблице 1.1 указаны средние высоты границ этих слоев. От этих значений могут наблюдаться отклонения в зависимости от широты, времени года, метеорологической обстановки. Например, высота тропопаузы может меняться от 8 до 18 км.

Тропосфера. Нижняя часть атмосферы толщиной до 10–15 км. В ней сосредоточена основная масса атмосферы (75% в умеренных широтах и 90% в низких). Характерная особенность – падение температуры с высотой в среднем 0,65⁰С / 100 м – адиабатический вертикальный градиент температуры. Уменьшение температуры с высотой обусловлено тем, что тропосфера нагревается от поверхности Земли. В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы, здесь образуются туманы и все, наиболее важные виды облаков, формируются осадки и грозовая деятельность. Здесь сильно развита турбулентность: внизу у земной поверхности и вверху, в струйных течениях. В верхней тропосфере падение температуры с высотой замедляется, а затем переходит в изотермическое распределение.

Слой атмосферы, в котором температура очень медленно падает (<0,2⁰…), постоянна или растет с высотой, носит название стратосферы. Слой переходный от тропосферы к стратосфере называется тропопауза. Среднее значение температуры в этом слое -56,5⁰С . В среднем тропопауза над полюсами располагается на высоте 9 км, над умеренными широтами 10 – 12 км, над экватором 15 – 17 км.

Для тропосферы характерна сложная схема воздухообмена между различными географическими районами и широтами, в том числе с образованием крупномасштабных вихревых возмущений – циклонов и антициклонов, а также воздушных потоков в её верхней части – тропосферных струйных течений в которых скорость ветра превышает 100 км/ч, а иногда может достигать 800-900 км/ч.

В этом слое сосредоточен основной запас атмосферной влаги и основная масса облаков, дающих атмосферные осадки.

Стратосфера. Границы стратосферы в среднем располагаются на высотах 11 и 50 км. Температура в стратосфере умеренных широт в среднем сохраняется до высоты 25 км, а выше этого уровня температура растет, и на высоте примерно 46 – 54 км достигает 0⁰ С (±20⁰). Повышение температуры в этом слое объясняется поглощением УФ солнечной радиации озоном (этот слой даже имеет собственное название – озоносфера). Системы циркуляции воздуха в тропосфере и стратосфере различаются. Для тропосферы характерны вертикальные перемещения воздуха. Для стратосферы – горизонтальные перемещения. Переходный слой между стратосферой и слоем атмосферы лежащим выше называется стратопаузой. (~50 км).

Мезосфера (средняя атмосфера). В этом слое происходит множество сложных фотохимических процессов и температура падает с высотой в среднем на 0,35⁰С / 100 м. Подобно тропосфере, в мезосфере имеют место значительные сезонные изменения температуры в высоких широтах. Мезопауза расположена на высотах 80 –95 км, средняя температура -88⁰С.

Термосфера (верхняя атмосфера). Выше мезопаузы, температура растет с высотой главным образом под влиянием поглощения солнечной радиации (λ < 0,24 мкм) кислородом, который диссоциирует, образуя атомарный кислород. Поглощенная энергия почти не имеет возможности рассеиваться, т.к. частота столкновений очень мала, ~ 1 в сек на высоте 300 км, а средняя длина пробега частицы ~ 1 км. Здесь характерен также процесс диссоциации азота. Протяженность термосферы 90 – 450 км, её параметры сильно зависят от солнечной активности.

Экзосфера располагается выше 450 км. В этой области атомарный О, He, H являются главными компонентами. частота столкновений ~ 1 в мин. Траектории частиц становятся баллистическими, т.е. понятие газа как совокупности хаотически движущихся и непрерывно сталкивающихся частиц теряет смысл. Экзосфера – верхняя оболочка атмосферы. верхняя ее граница четко не определена, т.к. ее положение и свойства зависят от времени суток и изменяются с солнечной активностью больше, чем нижележащие слои. Обычно верхнюю границу экзосферы проводят на 1000 – 1500 км. На этих высотах длина свободного пробега до столкновения огромна ~ 1000 км. газовые законы выше 1000 км не применимы. Частицы движутся по баллистическим траекториям, а водород и гелий интенсивно уходят в космос, происходит диссипация атмосферных газов.

На высотах от 50 до 400-500 км имеются слои повышенной электропроводности, сформированные положительными атомными и молекулярными ионами и свободными электронами: ионизированная плазма. Она формируется за счет влияния космических излучений, рентгеновской и жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца. Под их воздействием происходят различные реакции возбуждения, диссоциации, ионизации газовой среды. Вследствие этого слой, расположенный на этом уровне называется ионосферой. Ионосфера по уровню ионизации, электропроводности и способности поглощать и отражать радиоволны подразделяется на несколько слоев (D, T, F₁, F₂). Положение и интенсивность слоев ионосферы меняется ото дня к ночи и в зависимости от изменений солнечной активности. В ионосфере происходит интенсивное поглощение, отражение и преломление радиоволн различной длины.

По признаку взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой (слой трения) и свободную атмосферу. В пограничном слое (высотой до 1–1,5 км) на характер движения воздуха оказывает большое влияние земная поверхность. В этом слое хорошо выражены суточные изменения метеорологических величин. А внутри пограничного слоя выделяется приземный слой высотой 50 – 100 м, в пределах которого метеовеличины (например, скорость ветра, температура) резко изменяются с высотой.