2. Будова атмосфери. Склад повітря і його зміна з висотою

2.1. Принципи розподілу атмосфери на шари. Будова атмосфери

Атмосфера це повітряна оболонка Землі, розміри якої залежать від висоти поширення повітря. Верхньої чіткої її межі немає і вона постійно змінюється, як у просторі, так і в часі.

Вся атмосфера умовно поділяється на шари, які різняться між собою по температурним і іншим умовам. Розглянемо будову атмосфери. Атмосфера умовно складається з кількох концентричних шарів. У табл. 2.1 подані середні висоти меж цих шарів та назви перехідних шарів.

Таблиця 2.1. Основні та перехідні шари

Шар	Середня висота верхньої та нижньої межі, км	Перехідний шар
Тропосфера	0...15	Тропопауза
Стратосфера	15...50	Стратопауза
Мезосфера	50...90	Мезопауза
Термосфера	90...450	Термопауза
Екзосфера	> 450

Нижня частина атмосфери, до висоти 10...15 км, де зосереджено 4/5 всієї маси повітря, називається - тропосферою. Для неї характерно, що температура в ній з висотою зменшується в середньому на 0,6°/100м. В тропосфері знаходиться майже вся водяна пара атмосфери і виникають майже всі хмари. В ній сильно розвинута турбулентність, особливо поблизу земної поверхні.

Висота до якої простягається тропосфера, в кожному конкретному місці, постійно змінюється. Крім того, висота поширення тропосфери різна, в залежності від географічного положення. В середньому за рік, висота тропосфери над полюсами становить 9 км, в середніх широтах 10...12 км, а над екватором 15...17 км. Тиск повітря на верхній межі тропосфери в 5 - 8 разів менший ніж у земної поверхні, що підтверджує зосередження основної маси повітря в тропосфері. Процеси, які протікають в тропосфері, мають безпосе­реднє і вирішальне значення для формування погоди і клімату у земної поверхні.

Самий нижній шар тропосфери, в декілька метрів, який безпосередньо примикає до земної поверхні, називається приземним шаром. В цьому шарі виявляється більш різка зміна температури на протязі доби, тут температура особливо стрімко падає з висотою вдень і часто росте з висотою ніччю.

Шар від земної поверхні до висоти близько 1000 м носить назву - шар тертя. В цьому шарі швидкість вітру послаблена в порівняні з вище розташованими шарами.

Над тропосферою, до висоти 50...55 км, розташовується стратосфера. Для цього шару атмосфери характерний ріст температури з висотою. Нижня частина тропосфери, до висоти 25 км, більш менш ізотермічна, тобто температура постійна, літом близько - 45°С, а взимку - 65...70°С. Починаючи з висоти 25 км температура швидко росте і досягає +10...+30°С. Внаслідок зростання температури з висотою турбулентність в стратосфері мала. Водяної пари тут дуже мало, хоча інколи на висотах 20...25 км спостерігаються так звані перламутрові хмари. Вони складаються з переохолоджених водяних крапель. Вдень їх не видно, а в ночі вони світяться, так як підсвічуються Сонцем, яке знаходиться за горизонтом.

В стратосфері зосереджена основна маса озону. Максимальний вміст озону спостерігається на висоті 25...30 км. Вище його кількість зменшується і на висоті близько 60 км він практично відсутній. Процес утворення озону з кисню відбувається в шарах від 15 до 60 км при поглинанні киснем ультрафіолетової радіації. Частина двохатомних молекул кисню розкладається на атоми, а атоми приєднуються до молекул, що збереглися, утворюючи молекули озону (О_з). Одночасно відбувається зворотній процес. Загальний об'єм озону незначний. Якби можливо було зібрати весь атмосферний озон під нормальним тиском, він утворив би шар товщиною біля 3мм (приведена товщина шару озону). Незважаючи на малу кількість озон виконує важливу функцію, а саме застерігає живі організми і людину від згубної дії ультрафіолетової радіації. Він повністю поглинає радіацію Сонця з довжинами хвиль 0,15...0,29 мкм (1 мікрон = 0,001 мм) і підвищує температуру тих шарів де він знаходиться. Цим пояснюється ріст температури в стратосфері з висотою. Стратосферу ще називають озоносферою.

Над стратосферою, приблизно до 80 км, розташована мезосфера. В цьому шарі температура з висотою падає (до 80…85°С). Внаслідок швидкого падіння температури у мезосфері розвинута турбулентність. На верхній межі мезосфери тиск повітря в 200 разів менше ніж у земної поверхні. Інколи на висотах близько 75 км спостерігаються так звані сріблясті хмари, які підсвічуються Сонцем в нічні години. Ці хмари складаються з льодяних кристалів.

Верхня частина атмосфери над мезосферою характеризується високими температурами і носить назву термосфера. В ній виділяють дві частини. Нижня частина, яка поширюється до висот порядку 1000 км, називається іоносфера, а над нею розташована зовнішня частина - екзосфера. Повітря в іоносфері дуже розріджене. На висотах 300...750 км його щільність становить 10^8...10^10 г/м³. Це значно менше щільності у земної поверхні, але значно більше щільності речовини в міжпланетному просторі. Іоносфера, як говорить сама назва, характеризується сильною іонізацією повітря. Частина молекул атмосферних газів несе електричні заряди, які називаються іонами. Іонів тут в багато разів більше ніж у нижчих шарах атмосфери. Ці іони являють собою заряджені атоми кисню, молекули окислу азоту і вільні електрони. В іоносфері спостерігаються полярні сяйва. Температура в іоносфері підвищуються з висотою і на висоті близько 800 км вона досягає +1000°С.

В екзосфері, внаслідок сильної розрідженості повітря, швидкості частинок газів досить значні. Окремі частинки можуть досягати швидкості V = 11,2 км/с, достатньої для подолання сили тяжіння Землі і вилиту з атмосфери в світовий простір. Тому екзосферу ще називають сферою розсіювання. Раніше рахували, що екзосфера закінчується на висоті 2000...3000 км. Останні спостереження за допомогою супутників довели, що до висот 20000 км поширюється водень, який є складовою повітря. Таким чином межа атмосфери досягає 20000 км.