2. Состав и строение атмосферы

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли. Ее вертикальная протяженность составляет около 20 км., а масса 5,27 * 10¹⁵т, т.е. менее одной миллионной массы Земли. Около 99% всей массы атмосферы сосредоточено в слое, расположенном от земной поверхности до высоты 30 – 35км.

Атмосфера состоит из механической смеси азота, кислорода, аргона, к которым постоянно примешаны в большом количестве углекислый газ, водород, гелий, неон, криптон и ксенон. Процентное содержание воздуха иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1. Состав сухого воздуха (по объему)

Газ	Хим. формула	Содержание %	Молекулярный вес
Азот	N2	78,09	28,016
Кислород	O2	20,95	32,000
Аргон	Ar	0,93	39,944
Углекислый газ	CO2	0,03	44,010
Неон	Ne	1,8*10-3	20,183
Гелий	He	5,24*10-4	4,003
Криптон	Kr	1,0*10-4	83,7
Ксенон	Xe	8,0*10-6	131,3
Водород	H2	5,0*10-5	2,016
Озон	O3	1,0*10-6	48,000

В атмосфере, кроме того, всегда присутствует в переменных количествах водяной пар (от 0 до 4%) и различные примеси (пыль, продукты конденсации и кристаллизации, продукты горения, частицы морской соли).

Водяной пар и примеси играют существенную роль в процессе облакообразования и теплообмена.

Принцип деления атмосферы на слои.

Атмосферу по вертикали условно разделяют на слои (Рис. 1)

В основу такого деления положены различия в составе воздуха, характер взаимодействия атмосферы с земной поверхностью и распределение температуры воздуха с высотой.

По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу и гетеросферу.

Слой гомосферы распространяется до высоты 90 – 100км. и, в связи с турбулентным перемешиванием, отличается постоянством состава сухого воздуха и его молекулярного веса.

Рис.1 Строение атмосферы

В гетеросфере (слой выше 90-100км.) под действием диссоциации молекул ( обратное разложение молекул на атомы) и диффузного разделения

газов состав воздуха изменяется. Постепенно увеличивается содержание кислорода и уменьшается молекулярный вес воздуха. Часть атомов и молекул газов при этом получают электрический заряд.

По этому же принципу в атмосфере выделяют озоносферу ( слой максимальной концентрации озона на высоте 20-25км. ионосферу. Ионосфера состоит из нескольких слоев ( D – на высоте более 180км.) с повышенной концентрацией ионов. Именно в этих слоях происходит отражение и поглощение длинных и коротких радиоволн.

По признаку взаимодействия с земной поверхностью атмосферу делят на:

- пограничный слой (слой трения);

- свободную атмосферу.

В пограничном слое толщиной 1000-1500м. хорошо выражено влияние подстилающей поверхности на суточные изменения метеорологических элементов.

В свободной атмосфере трение практически отсутствует, и влияния подстилающей поверхности почти нет.

По характеру распределения температуры воздуха по вертикали атмосфера делится на следующие основные и переходные слои:

Таблица 2. Слои атмосферы

Основные слои	Средняя высота км.	Переходные слои
Тропосфера	0-11	Тропопауза
Стратосфера	11-50	Стратопауза
Мезосфера	50-80	Мезопауза
Термосфера	80-800	Термопауза
Экзосфера	Выше 800	-

В зависимости от географической широты, времени года и синоптических процессов границы этих слоев могут иметь значительные отклонения от приведенных средних их значений.

Рассмотрим некоторые характеристики этих слоев:

Тропосфера – нижний, наиболее плотный слой атмосферы, простирающийся до 7-10км. в полярных, 10-12км. в умеренных и 16-18км. в тропических широтах.

Физические свойства этого слоя в значительной степени зависят от свойств подстилающей поверхности. Здесь сосредоточено 90% всего количества водяного пара, находящегося в атмосфере, и различных примесей земного и производственного происхождения. Эти примеси вызывают сильное загрязнение атмосферы, которое называется аэрозольным загрязнением. Наиболее ярко оно проявляется в крупных городах и промышленных центрах и приводит к образованию смогов.

Температура воздуха в тропосфере падает с высотой в среднем на 0,65⁰С на каждые 100м. (γ = ). здесь наблюдается наибольшие изменения метеорологических элементов как по вертикали так и по горизонтали. В тропосфере возникают такие опасные явления погоды как грозы, шквалы, пыльные и песчаные бури, метели, низкая облачность и туманы и т.д.

Тропосфера получает тепло, главным образом, от поверхности Земли, нагреваемой солнечными лучами. Поэтому прилегающие к поверхности Земли слои тропосферы значительно теплее, чем более высокие. Вследствие неравномерного распределения тепла тропосфера оказывается неустойчивой – в ней происходит непрерывное движение воздуха как в горизонтальном так и в вертикальном направлениях. Более теплый воздух поднимается вверх, расширяется и охлаждается – это способствует при достаточной влажности воздуха образованию облаков, а более холодный воздух, опускается вниз, сжимается и нагревается – это приводит к размыванию облаков.

В тропосфере, особенно в нижнем слое, ночью и утром, часто наблюдаются рост температуры с высотой. Такие слои называются инверсиями и являются задерживающими, так как препятствуют развитию вертикальных движений. Под этими слоями сосредотачиваются различные атмосферные примеси, особенно в промышленных городах, которые приводят к увеличению концентрации загрязняющих веществ до значений, превышающих предельно-допустимые, ухудшают видимость, способствуют образованию смога, туманов или слоистообразных облаков.

Зимой инверсии могут сохраняться круглые сутки. Летом, днем, они с прогревом подстилающей поверхности разрушаются.

Условно тропосферу делят на 3 слоя. Нижний слой располагается от подстилающей поверхности до высоты 3км. Самая нижняя его часть называется слоем трения или возмущения. Слой трения простирающийся до высоты 1,0-1,5км. называется планетарным пограничным слоем. На него оказывает сильное тепловое и механическое влияние земная поверхность. Здесь образуются все виды туманов, облака нижнего яруса. Условия погоды наиболее сложные для движения автотранспорта и полетов летательных аппаратов.

Над слоем трения до высоты 6км. располагается средний слой, в нем наблюдаются облака верхнего яруса. Верхний слой простирается до тропопаузы. В нем располагаются облака верхнего яруса и вершины кучево-дождевых облаков.

Стратосфера – слой атмосферы, простирающийся от тропопаузы до высоты 50км. Здесь температура до высоты 20-25км. остается постоянной – минус 50-60⁰С, затем растет за счет озонового слоя и на верхней границе стратосферы приближается 0⁰С. На высотах 20-22км. образуются тонкие перламутровые облака.

Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80км. Для этого слоя характерно повышение температуры с высотой, вызванное поглощением коротковолновой части лучистой энергии Солнца при распаде молекул кислорода и азота на атомы. Во всем слое термосферы температура положительная и на ее верхней границе составляет в среднем 1000-1200⁰К.

Экзосфера – внешний слой атмосферы, расположенный выше 800км. Этот слой атмосферы называют также слой рассеяния, так как в нем наблюдается диссипация (уход) газов из земной атмосферы.