1. Строение и газовый состав атмосферы

Атмосфера (от греческого atmos-пар, sphaira-шар) – это воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. В общепланетарном масштабе атмосфера является основой жизни (например, только для дыхания одному человеку в сутки требуется около 20 м³ воздуха) и выполняет защитные функции, оберегая живые организмы от губительного воздействия космических лучей, перепадов температур (суточный перепад температур на Луне без атмосферы до 150-200 ^оС).

Масса атмосферы равна примерно 5,51·10¹⁵ т (около миллионной части массы планеты). Наибольшую плотность 1290 г/м³ атмосферный воздух имеет у поверхности земли. С высотой плотность и вес воздуха постепенно уменьшаются до 90 г/м³ на высоте 20 км и 4 г/м³ на высоте 40 км.

Атмосфера имеет чётко выраженное слоистое строение, если рассматривать её в вертикальном разрезе. Различные области и слои атмосферы обладают характерными свойствами. С увеличением высоты меняется состав, плотность, температура и скорость движения воздуха.

Наиболее распространённое деление атмосферы на слои основано на изменении температуры с высотой. По этому признаку атмосферу делят на: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экосферу. Между этими зонами находятся тонкие переходные слои называемые соответствующими паузами.

Тропосфера - самая нижняя часть атмосферы. Тропосфера содержит около 80 % всей массы атмосферного воздуха. Здесь наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание воздуха. Температура воздуха заметно уменьшается с высотой (примерно на 6,45 градусов на 1 км) и имеет положительный градиент. На нижней границе тропосферы (у поверхности земли) температура в среднем принимается 288 К. На верхней границе зоны температура составляет 217 К. Толщина слоя тропосферы колеблется от 8-10 км в полярных широтах до 16-18 км у экватора.

В этой области атмосферы наблюдаются явления инверсии, конвекции. Инверсия температуры наблюдается в том случае, когда воздух у поверхности Земли оказывается холоднее, чем вверху. Чаще всего это происходит в зимнее время (за счет отражения поступающего солнечного излучения снежным покровом) и в ночное время суток. Конвекция возникает в случае движения теплых потоков воздуха от поверхности земли вверх и поступления на смену холодного воздуха из верхних слоев атмосферы. При этом происходит перемешивание атмосферных слоев в вертикальном и горизонтальном направлении.

Тропопауза - является тонким переходным слоем. Температура в тропопаузе достигает первого минимума.

Стратосфера - заключена в пределах 11-55 км. В стратосфере заключено менее 20 % массы всего атмосферного воздуха. В нижней части стратосферы до высоты 25 км температура практически не меняется с высотой и составляет 217 К. Затем начинать возрастать и достигает максимума (около 0 градусов) на верхней границе зоны 273 К. Нижняя часть стратосферы является мощным задерживающим слоем, под которым накапливаются водяной пар, кристаллы льда и другие твердые частицы. В стратосфере расположен озоновый слой, отражающий вредное космическое излучение и ультрафиолетовое излучение солнца. Наибольшая концентрация озона имеется на высоте 15-35 км, где свободный кислород под действием солнечной радиации превращается в озон.

О+О₂+М↔^hυО₃+М+Q

М – какая-либо третья частица, обычно N

Область, где температура растёт с высотой, называется инверсионной или инверсионным слоем. Так как холодный воздух более плотный по сравнению с тёплым, инверсионная область обычно очень устойчива к перемешиванию воздуха по вертикали. Рост температуры с высотой в стратосфере обусловлен протеканием экзотермических процессов образования и разрушения озона.

Стратопауза – тонкий переходный слой, где температура проходит через максимум.

Мезосфера - заключена в интервале высот 50-85 км. На долю мезосферы приходится менее 1 % от всей массы атмосферы. Для этой области характерно понижение температуры с увеличением высоты. На нижней границе мезосферы температура составляет 273 К. С увеличением высоты температура падает и на верхней границе зоны достигает 181 К.

Мезопауза - тонкий переходный слой, где температура проходит через второй минимум.

Термосфера - заключена в интервале высот 85-500 км. На нижней границе зоны температура составляет 181 К и возрастает с увеличением высоты, достигая на верхней границе зоны 1500 К.

Ионосфера – область атмосферы, расположенная выше мезосферы. Для этого слоя характерно значительное содержание атмосферных ионов и свободных электронов. Ионизация происходит под действием ультрафиолета и рентгеновского излучения, которое вызывает разложение молекул атмосферных газов на ионы.