3.2.2. Поділ атмосфери на шари за складом повітря

На основі цієї ознаки атмосферу поділяють на 1) гомосферу та 2) гетеросферу.

У першому шарі (гомосфері), який простягається від поверхні Землі до висоти 95 км, відносний склад основних газів (азоту, кисню та аргону), а також відносна молекулярна маса повітря практично не змінюється з висотою (молекулярна маса сухого повітря біля рівня моря дорівнює 28,9644 кг/кмоль).

У гетеросфері - шарі атмосфери, розташованому вище 95 км - склад атмосферного повітря значно змінюється внаслідок дисоціації газових молекул ультрафіолетовим випромінюванням Сонця. Так. поряд з молекулярним азотом (N₂) і молекулярним киснем (О₂) з'являються атомарний азот (N) та атомарний кисень (О). З цієї причини молярна маса повітря в гетеросфері зменшується з висотою за лінійним законом: на кожний 1 км підняття вгору - на 0,1511 кг/кмоль.

3.2. Поділ атмосфери на шари

Мета: вивчити поділ атмосфери на шари за характером фізико-хімічних процесів, горизонтальну неоднорідність атмосферного повітря, основні терміни.

План:

1.Поділ атмосфери на шари за характером фізико-хімічних процесів.

2.Поділ атмосфери на шари за взаємодією з підстильною поверхнею.

3.Поділ атмосфери на шари за виявленим впливом її на літаючі апарати.

4.Горизонтальна неоднорідність атмосферного повітря.

5.Поняття про повітряні маси.

6.Поняття про атмосферні фронти.

3.2.3. Поділ атмосфери на шари за характером фізико-хімічних процесів

Дослідження показали, що характер фізико-хімічних процесів у різних шарах атмосфери з тих чи інших причин не однаковий. Внаслідок цього в атмосфері Землі виділяють: а) озоносферу, б) іоносферу, в) нейтросферу та г) хемосферу.

До озоносфери відносять шар атмосфери з підвищеною концентрацією озону (О₃). Він простягається переважно від 20 до 55 км над поверхнею Землі, але наявність озону фіксується також у шарах атмосфери від поверхні Землі до рівня 70 км. Озон - це триатомний кисень (О₃), який відіграє важливу роль як у фізико-хімічних процесах в атмосфері й мезосфері, так і в біологічних процесах на Землі.

Річ у тім, що озон добре поглинає ультрафіолетову радіацію. При цьому коефіцієнти поглинання озону в ультрафіолетовій ділянці спектра настільки значні, що енергія сонячних променів цього діапазону довжин хвиль повністю поглинається вже у найвищій частині шару озону (на висотах приблизно 45 - 50 км), завдяки чому повітря сильно розігрівається, досягаючи на вказаних висотах 0°С.

Відомо також, що ультрафіолетові промені володіють високою біологічною активністю вбивають бактерії багатьох видів, викликають засмагу та навіть опіки людського тіла, сприяють утворенню в організмі людини вітаміну D і т.д. Але корисні лише невеликі дози ультрафіолетової радіації. Якщо б уся ультрафіолетова радіація Сонця досягла земної поверхні, то біологічно активні ультрафіолетові промені вкрай змінили б усі біологічні процеси та, можливо, і все органічне життя на Землі. Отже, шар підвищеної концентрації озону - озоносфера - це захисний екран Для усього живого нашої планети.

Однак загальна кількість озону у вертикальному стовпі повітря незначна. Якщо його привести до нормального тиску (1013,2 гПа) при температурі 0°С, то шар озону на земній поверхні коливався б від 1 до 6 мм (це приведена товща шару озону). Дослідження показують, що приведена товща шару озону має значні коливання як у просторі, так і в часі. Так, у високих широтах північної півкулі, особливо в межах 70 - 75° північної широти товща цього шару значна, а в зоні від 35° північної широти до 35° південної широти приведена товща шару озону порівняно менша. На південь від цієї зони товща шару озону знову зростає, досягаючи максимуму в поясі від 50° до 60° південної широти.

Що стосується зміни приведеної товщі шару озону на протязі року, то коливання її розміру найбільше виявляються у високих широтах земної кулі, а в середніх та низьких широтах річна амплітуда коливань незначна.

Якісно пояснити річний хід приведеної товщі шару озону на різних широтах Землі можна наступним чином.

Фізичні та хімічні процеси, під впливом яких утворюється озон в атмосфері, мають складну природу, при цьому в атмосфері відбуваються одночасно процеси як утворення, так і руйнування озону. Під впливом поглинання ультрафіолетової радіації відбувається розпад молекули кисню на два атоми, які володіють великим запасом енергії в порівнянні з нормальним станом. З цієї причини молекула озону може утворитися лише при потрійному зіткненні: молекули кисню (О₂), збудженого атома кисню (О^/) та молекули азоту (N₂) або якого-небудь іншого газу (М), який поглинає надлишок енергії, що виділяється при утворенні молекули озону. Руйнується озон також внаслідок впливу на нього кванта сонячної енергії. При цьому швидкість руйнування озону істотно залежить від температури - чим вища температура, тим швидкість руйнування більша. Отже, рівноважна концентрація озону, тобто густина шару озону, що встановилася, виявляється при інших однакових умовах залежною від температури: чим нижче температура, тим вище рівноважна концентрація озону, і навпаки. З цієї причини у високих широтах восени та взимку через відсутність притоку сонячної радіації вміст озону малий, але повністю озон у полярних зонах не зникає, тому що має місце обмін повітрям між низькими та високими широтами. Навесні, коли тільки починає надходити в полярну область сонячна радіація, кількість озону при дуже низьких температурах, які затримують процес його розпаду, швидко зростає, але потім з підвищенням температури вміст озону починає зменшуватись.

Великою несподіванкою на початку 80-х років виявилось різке зменшення над Антарктидою густини озонового шару, у результаті чого в цьому регіоні сформувалась "озонова дірка", її площа в 1984 - 1985 р.р. становила кілька мільйонів квадратних кілометрів. На даний час висловлено кілька гіпотез, які пояснюють утворення "озонової дірки", однак кожна з них так чи інакше не узгоджується з фактичними результатами спостережень.

Над стратосферою на висотах від 50 - 60 до 400 км від поверхні Землі розташовуються шари атмосфери під загальною назвою іоносфера, які характеризуються відносно високою концентрацією додатних молекулярних та атомарних іонів і вільних електронів, а також великою електропровідністю. В іоносфері за часом запізнювання відображених радіосигналів були відкриті такі шари: 1) шар "D" на висоті 60 - 90 км; 2) шар "Е" на висоті 90 - 160 км; 3) шар "F₁" на висоті 160-200км, та 4) шар "F₂" на висоті понад 200км. Найстійкішими є шари Е та F₂, які простягаються над усією земною кулею. Шари іоносфери D та F₁ регулярно з'являються лише в певний час доби та року.

Цікаво, що в іоносфері електропровідність у трильйон разів більша, ніж біля поверхні Землі. Радіохвилі в різних шарах іоносфери в залежності від їх довжини можуть заломлюватися, відбиватися чи поглинатися. Внаслідок відображення коротких радіохвиль від шару F₂, який добре відбиває радіохвилі саме цих частот, можливий дальній радіозв'язок, оскільки багаторазове їх відображення від іоносфери та земної поверхні дозволяє коротким радіохвилям зигзагоподібне поширюватись на великі відстані, огинаючи поверхню земної кулі. Однак положення іоносферних шарів і концентрація іонів та електронів у них постійно змінюється, через що змінюються й умови розповсюдження радіохвиль на далекі відстані. Найінтенсивніші збудження, які відбуваються в іоносферних шарах, називають магнітними бурями. Магнітні бурі особливо сильно впливають на поширення радіохвиль та якість радіозв'язку на коротких хвилях.

В іоносферних шарах атмосфери Землі спостерігаються найбільш вражаючі геофізичні явища полярні сяйва. Вони відмічаються переважно у високих широтах, а найінтенсивніші - у помірних та навіть у низьких широтах. Середня висота нижньої границі полярних сяйв коливається від 115 до 65 - 70 км, при цьому чим більша їх інтенсивність, тим менша висота їх нижньої границі. Більшість полярних сяйв кольорові.

Якщо інтенсивність полярного сяйва менша тієї, яка потрібна для кольорового зору, то воно здається незабарвленим.

Полярні сяйва - це світло, яке випромінюють збуджені атоми атмосферних газів при довільному переході їх орбітальних електронів із метастабільних на основні енергетичні рівні. Збудження атомів відбувається при зіткненні з протонами та електронами, що вторглися в атмосферу Землі. На даний час прийнято вважати основним механізмом виникнення полярних сяйв вторгнення в земну атмосферу сонячних корпускулярних потоків протонів з енергією порядку десятків кілоелектронвольт, а також потоків електронів, які утворюються в шлейфі магнітосфери Землі. Дослідження показали, що існує чітко виражений зв'язок між активністю полярних сяйв, магнітними бурями та сонячною активністю. Встановлено, що полярні сяйва, як і магнітні бурі, мають тенденцію повторюватись кожних 27 днів, що відповідає одному оберту Сонця відносно Землі. Крім того, їх інтенсивність та частота повторюваності виявляють одинадцятирічну циклічність. Полярні сяйва та магнітні бурі часто з'являються одночасно. Максимум магнітних збуджень припадає на той же час, що й максимум полярних сяйв та ін. Сказане дає можливість стверджувати, що полярні сяйва та магнітні бурі зумовлені одними й тими ж процесами на Сонці.

Такою є іоносфера та фізико-хімічні процеси в ній.

На відміну від іоносфери, у шарі атмосфери від поверхні Землі до висот 70 - 90 км кількість незаряджених частинок значно переважає кількість заряджених (іонів). Цей шар атмосфери називають нейтросферою.

Нарешті, область верхньої атмосфери від стратосфери до термосфери, інакше кажучи, той шар атмосфери, де проходять активні фотохімічні реакції за участю кисню, озону, азоту, гідроксиду натрію та ін., виділяють в особливий шар за характером фізико-хімічних процесів під назвою хемосфера.