2.2. Склад повітря у земної поверхні і його зміна з висотою

Атмосфера складається з суміші газів, яка називається повітрям. В атмосфері присутні і інші рідкі і тверді частинки, які знаходяться у зваженому стані. Атмосферне повітря у земної поверхні, як правило, вологе. До його складу входить водяна пара, кількість якої постійно змінюється. Це пояснюється тим, що при певних умовах водяна пара може переходити в рідкий і твердий стан і навпаки. Повітря без водяної пари називається сухим. Сухе повітря у нижніх шарах атмосфери на 99 % складається з молекул азоту N₃ (78% по об'єму і 76 % по масі) і кисню 0₂ (21% по об'єму і 23 % по масі). Близько 0,93 % припадає на аргон, 0,03 % складає вуглекислий газ (СО₂). Криптон, ксенон, неон, гелій, водень, озон, радон, метан, аміак і інші гази, які входять до складу повітря, становлять менше за 0,01%. Відсотковий склад сухого повітря у земної поверхні практично не змінюється. Винятком може бути вміст вуглекислого газу, кількість якого може збільшитися до 0,1…0,2% (за рахунок процесів дихання, горіння). При цьому зменшиться відсотковий вміст азоту і кисню.

У нижніх шарах атмосфери (100...120км) повітря знаходиться в постійному русі, добре перемішується, завдяки чому його склад з висотою практично не змінюється і розшарування атмосферних газів по щільності не спостерігається. При умові нерухомості повітря, більш легкі гази розташовувалися б над більш щільними.

Вище 100...120 км починається розшарування газів по щільності. Приблизно до 200 км переважає азот, вище - кисень, причому в атомарному стані. Під дією ультрафіолетової радіації Сонця молекули О₂ розкладаються на заряджені атоми.

На висоті більше 1000 км атмосфера складається головним чином із гелію і водню, причому водень також в атомарному стані.

Водяна пара, яка входить до складу повітря, розміщується в основному у нижніх 10...15 км. В більш високих шарах її дуже мало.

2.3. Загальна маса атмосфери

Знання атмосферного тиску дозволяє розрахувати загальну масу атмосфери. Середній тиск на рівні моря еквівалентний вазі стовпа ртуті висотою 760 мм і становить 1033 г/см². Таким же буде і середня вага стовпа атмосфери над рівнем моря. Знаючи площу земної поверхні можна визначити загальну вагу всієї атмосфери. Підраховано, що загальна вага атмосфери становить 5∙10¹⁵ т, це приблизно в мільйон разів менше маси Земної кулі. Причому 1/2 маси атмосфери знаходиться в нижніх 5км, 3/4 - в 10км і 95% - в 20км.

3. Радіація в атмосфері

3.1. Сонячна радіація

Енергія, яку випромінює Сонце, називається сонячною радіацією. Взагалі ж електромагнітна радіація, або просто електромагнітне випромінювання є особливою формою матерії, що відрізняється від речовини. Окремим її видом є видиме світло, але до радіації відносяться також гама-промені, рентгенівські, ультрафіолетові, інфрачервоні промені, радіохвилі, які не сприймаються людським оком. Практично вся енергія, яку випромінює Сонце у вигляді електромагнітних хвиль поширюється по всім напрямках із швидкістю близько 300000 км/с.

Електромагнітними хвилями називаються коливання, які є результатом руху електричних зарядів у випромінювачі і поширюються в просторі. Як і кожна хвиля, електромагнітні хвилі мають довжину. Довжина електромагнітних хвиль вимірюється у мікрометрах (1 мкм = 10^-6 м). В старій літературі зустрічається така величина, як мікрон (1 мк = 10^-6м), якою користувалися до 1967 року, але рішенням ХІІІ генеральної конференції по мірам довжини і ваги, найменування мікрон було скасовано, а аналогічна одиниця отримала назву  мікрометр.

Весь спектр хвильового випромінювання Сонця поділяється на ряд областей:

гама-промені ( < 10 ^5 мкм );

рентгенівське випромінювання (10 ^5 <  < 10 ^2 мкм );

ультрафіолетова радіація (0,01 <  < 0,39 мкм );

видиме світло ( 0,39 <  < 0,75 мкм );

інфрачервона радіація ( 0,75 <  < 3000 мкм );

радіохвильове випромінювання ( > 0,3 м ).

Більша частина випромінювання Сонця припадає на довжини хвиль від 0,29 до 2,4 мікрометрів. Кількість енергії, яка випромінюється Сонцем, розподіляється між різними ділянками спектра таким чином: ультрафіолетова область ( < 0,39 мкм ) - близько 9%, видима ділянка спектру (0,39 <  < 0,75 мкм) - 47%, інфрачервона область ( > 0,75 мкм)  44%. Світло з довжиною 0,39 мкм  фіолетове, з довжиною 0,75 мкм  червоне. На проміжні довжини хвиль приходиться світло всіх кольорів спектру.

Сонце є головним джерелом тепла для Землі. Променева енергія Сонця, яка надходить до земної поверхні перетворюється в тепло. Всі тіла, які мають температуру вище абсолютного нуля також випромінюють радіацію. В метеорології досліджується, переважно, температурна радіація, яка визначається температурою випромінюючого тіла і його випромінюючою здатністю. Наша планета отримує таку радіацію від Сонця. Земна поверхня і атмосфера в той же час самі випромінюють температурну радіацію, але в інших діапазонах довжин хвиль.

Узагальнюючи викладене відмітимо наступне:

Сонце випромінює енергію в широкому діапазоні хвиль;

більше 99% цієї енергії припадає на ділянку спектра між 0,1 і 4 мкм.

В метеорології прийнято виділяти короткохвильову і довгохвильову радіацію.

Короткохвильовою називають радіацію в діапазоні хвиль від 0,1 до 4,0 мкм, яка включає крім видимого світла ще й найближчі до нього по довжинам хвилі ультрафіолетові та інфрачервоні радіації, тобто більшу частину сонячної радіації.

До довгохвильової радіації відносять радіацію земної поверхні і атмосфери, близько 99% якої припадає на інтервал довжин хвиль від 4 до 120 мкм (інфрачервона радіація ).