Лекция №10 «строение и состав атмосферы»

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки – атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

Толщина воздушной оболочки, которая окружает Земной шар, не меньше тысячи километров – почти в четверть земного радиуса. Масса атмосферы составляет 5 *10¹⁵ (пять квадратильонов) т, что эквивалентно менее чем одной миллионной доле массы Земли. 90% массы атмосферы сосредоточено в самом нижнем слое, толщиной 17 км (признаки атмосферы отчетливо фиксируются и на высоте 20 тыс. км).

Строение атмосферы. Атмосфера имеет сложное строение и подразделяется на несколько оболочек. Непосредственно к земной оболочке примыкает тропосфера. Она простирается до высоты 8 – 10 км над полюсами и 16 – 18 км над экватором. В средних широтах толщина тропосферы составляет 8 – 12 км. В тропосфере идет непрерывное перемешивание воздуха как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к понижению температуры. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6С на 100 м высоты и снижается с +40С до - 50С.

В тропосфере сконцентрировано 75% всей массы атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей. Господствующие в тропосфере процессы (испарение водяного пара и его конденсация) приводят к образованию облаков и осадков в виде дождей. Именно в этом слое в основном происходят явления, которые мы именуем погодой, возникает подавляющее число гроз и штормов.

Термическая структура тропосферы обусловлена нагреванием земной поверхности солнечной радиацией с последующим переносом тепла вверх путем турбулентного перемешивания и конвекции. Температура воздуха у поверхности Земли понижается от экватора (до +26С) к полюсам (до -36С зимой и 0С летом). С высотой разность температур между экватором и полюсами уменьшается.

Верхней границей тропосферы (на высоте 11 км) является тропопауза – область, в которой температура перестает понижаться имеет температуру -53С.

Выше тропопаузы примерно на 50 км простирается стратосфера. Для

нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (-56С) до высоты примерно 25 км. Выше температура начинает повышаться (в среднем на 0,6С на каждые 100 м) и на уровне стратопаузы (45 – 54 км) достигает 0С. В отличие от тропосферы, в которой важную роль играет турбулентный обмен, стратосфера весьма устойчива, содержит мало влаги, в ней отсутствуют погодные явления в обычном смысле слова, а единственным видом облачности являются серебристые облака.

В стратосфере на высоте 30 – 35 км расположен в наибольшей концентрации озон, поэтому эту часть атмосферы часто называют озоновым экраном. Озон играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы и, следовательно, воздушных течений. Озон поглащает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково: больше в высоких широтах, меньше в средних и низких, весной больше, чем осенью. Озоновый слой определяет предел биосферы.

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится следующий слой атмосферы – мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна -70С. Верхний слой мезосферы – мезопауза, где происходит понижение температуры

За мезосферой (более 80 км над земной поверхностью) расположен четвертый слой атмосферы – термосфера, не имеющая определенной верхней границы. На высоте 500 – 600 км температура увеличивается и достигает +1600С. Газы в термосфере (ионосфере) сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом и не могут вызвать нагрева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Воздух по мере высоты становится разреженнее.

Наиболее удалена от Земли экзосфера – 800 – 1600 км, которая простирается на огромное расстояние, переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации (рассеивания) атмосферных газов.

Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется коле­баниями температуры, давления и плотности, имеющими место в тропосфере, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере.

Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Есть основание считать, что первичная атмосфера Земли была богата углекислым газом СО₂ и бедна кислородом О₂. Затем в результате фотодиссоциа-ции воды в атмосфере появился кислород, количество которого начало особенно интенсивно расти в результате биогенных процессов с момента зарождения жизни на Земле (около 4 млрд. лет назад).

Состав атмосферы, который сохраняется до высоты 400 – 600 км представлен в таблице 27. Выше начинает преобладать гелий («гелиевая корона»). Он достигает отметки около 1600 км. Далее преобладает водород.

Таблица 27