Структура земной атмосферы
Современная атмосфера Земли имеет слоистое строение. До высоты 16-18 км над экваториальными и 8-10 км над полярными районами простирается тропосфера. Это наиболее плотный слой атмосферы, содержащий более 80% ее массы. В тропосфере температура понижается с высотой в среднем на 0.6оС, на каждые 100 м. В тропосфере сосредоточена основная часть водяного пара и пыли, а также облаков. Особенностью тропосферы является зависимость температуры воздуха в ее слоях не только от времени года, но и от времени суток. Именно в тропосфере формируется погода и происходит перенос всех веществ, выделяющихся и поступающих на земную поверхность. Именно тропосфера является средой обитания всех наземных форм живой материи, существующих на нашей планете, и ныне наиболее сильно загрязняется человеком.
Над тропосферой находится переходный слой воздуха- тропопауза. Над ней до высоты 50-55 км расположена стратосфера. В отличие от тропосферы, здесь температура воздуха от времени суток практически не зависит, изменяясь лишь при смене времен года. В нижней части стратосферы (до высоты 25 км) уменьшение температуры с высотой продолжается. В верхних ее слоях температура воздуха начинает возрастать на 1-2 градуса на каждый километр. Максимум температуры (+25-36 С) расположен на высоте 50-55 км в слое называемом стратопаузой. Здесь температура может достигать 20-35 градусов по Цельсию. В стратопаузе расположен также максимум скорости звука, поэтому этот слой обладает свойством отражать звуковые волны.
В стратосфере наблюдаются очень сильные горизонтальные движения воздуха, связанные с метеорологическими явлениями, происходящими в тропосфере. В стратосфере атмосферное давление по мере увеличения высоты снижается от 50 до 0.7 мм ртутного столба.
Стратосфера, благодаря особенностям изменения в ней температуры воздуха, имеет ярко выраженное слоистое строение (слово страта означает слой). В ней расположены:
- на высоте 13-17 км слой Юнга, содержащий аэрозоли серной кислоты;
- на высотах 20 – 50 км озоновый слой , а также слои NO, NO2 (с максимумами концентраций на высотах 23- 28 км).
В стратосфере встречаются перламутровые облака, возникающие после крупных извержений вулканов.
Над стратопаузой от 55 до 80 км расположен слой воздуха, называемый мезосферой, в пределах которого температура вновь, как и в тропосфере, начинает понижаться достигая на высоте 90 км -75- -90 градусов С. Атмосферное давление в мезосфере с ростом высоты также снижается от 0.7 до 0.01 мм .ртутного столба. Именно здесь в атмосфере начинаются ее плотные слои. Поэтому на верхней границе мезосферы, как правило, начинают гореть и разрушаться, входящие в нее метеориты и космические аппараты. В верхних слоях мезосферы образуются серебристые облака, возникающие после мощных вспышек на Солнце. В верхней части мезосферы расположен второй озоновый слой, содержащий озон преимущественно в ионизированном состоянии.
Над верхней границей мезосферы (80 км) расположен слой абсолютного минимума температуры воздуха, называемый мезопаузой. В мезопаузе происходит резкое снижение концентрации ионов озона, а кислород присутствует в основном в атомарном состоянии. Поэтому она обладает свойством отражать средние радиоволны.
Выше мезопаузы расположена ионосфера Земли, которую принято делить на два слоя. Внутренний- термосфера, расположен на высотах 80-800 км . Он характеризуется резким возрастанием температуры, достигающей на высотах 500- 600 км +1500 градусов С. В пределах термосферы расположены ионосферные слои , отражающие короткие радиоволны. На высоте 120 км находится слой Е, отражающий ультракороткие и короткие радиоволны. На высоте 180 км- слой F1, а на высоте 300 км- слой F2.
В термосфере на высотах 120-160 км , а также 500-600 км наблюдаются полярные сияния, возникающие в результате излучения света атомами азота и кислорода, под воздействием входящих в земную атмосферу космических элементарных частиц (электронов и протонов).
Плотность воздуха и атмосферное давление в термосфере с высотой резко уменьшаются (с 0.01 до 0.000000001 мм ртутного столба). Поэтому основная часть захватываемой Землей космической пыли сгорает на высотах 100-200 км, в нижней термосфере.
Выше термосферы расположена т.н. “экзосфера”, где частицы газов очень редки, а их температуры достигают +2000 градусов . Ее верхнюю границу условно проводят на высоте 2000 км.
В начале 19 – го века Дальтоном был открыт закон, гласящий, что всякий газ распространяется в пространстве независимо от присутствия или отсутствия других газов. Сразу же вслед за этим возникли представления о том, что азот, кислород , другие газы и водяной пар образуют самостоятельные атмосферы, как бы проникающие одна в другую.
Если газы в атмосфере распределяются независимо, но по одному и тому же закону, то можно было предполагать, что парциальное давление более тяжелых газов (кислорода, углекислоты) с ростом высоты должно убывать быстрее, чем менее тяжелых (водород, гелий).
Этот эффект, называемый эффектом разделения, в реальной атмосфере наблюдается лишь на высотах более 30 км. Ниже для большинства газов (кроме азона) перемешивание сводит его влияние к нулю.