Доклад: Атмосфера

Атмосфера — это внешняя газовая оболочка Земли. Нижней границей атмосферы является земная поверхность. Верхняя граница проходит на высоте 3000 км, где плотность воздуха становится равной плотности вещества в Космосе.

Воздух атмосферы удерживается у земной поверхности силой притяжения. Общий вес атмосферы равен 5,136×1015 т (по другим источникам — 5,9×1015 т), что соответствует весу равномерно распределенного по Земле слоя воды в 10 м или слоя ртути толщиной в 76 см. Вес вышележащего столба воздуха определяет величину атмосферного давления, которое у земной поверхности в среднем составляет 760 мм рт. ст., или 1 атм (1013 гПа, или 1013 мбар).

Плотность воздуха на уровне моря при температуре 15°С в среднем составляет 1,2255 кг/м3, или 0,0012 г/см3, на высоте 5 км — 0,735 кг/см3, 10 км — 0,411 кг/см3, 20 км — 0,087 кг/см3. На высоте 300 км плотность воздуха уже в 100 млрд раз меньше, чем у поверхности Земли.

Состав атмосферы.Атмосфера состоит из постоянных и переменных компонентов (табл. 5.2). К постоянным относятся азот (78% по объему), кислород (21%) и инертные газы (0,93%). Постоянство количества активных компонентов азота и кислорода определяется равновесием между процессами выделения свободного кислорода и азота (преимущественно живыми организмами) и их поглощением в ходе химических реакций. Инертные газы не участвуют в реакциях, происходящих в атмосфере. Переменными составляющими являются диоксид углерода, водяной пар, озон, аэрозоли.

Таблица 5.2. Состав атмосферы

Водяной пар задерживает до 60% теплового излучения планеты. Водяной пар выполняет и другую важную функцию, за что его называют «основным топливом» атмосферных процессов. При испарении влаги (а именно таким путем атмосфера пополняется водяным паром) значительная часть энергии (примерно 2500 Дж) переходит в открытую форму, а затем выделяется при конденсации. Обычно это происходит на высоте облачного покрова. В результате таких фазовых переходов большое количество энергии перемещается в пределах географической оболочки, «питая» различные атмосферные процессы, в частности — тропические циклоны.

Содержание диоксида углерода довольно быстро убывает с высотой, понижаясь практически до нуля на верхней границе атмосферы. Углекислый газ задерживает до 18 % теплового излучения Земли. Кроме того, это основной материал для построения зелеными растениями органического вещества.

Водяной пар и диоксид углерода служат природными атмосферными фильтрами, задерживающими длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Благодаря этому возникает парниковый эффект, который определяет общее повышение температуры земной поверхности на 38°С (ее среднее значение +15°С вместо -23°С).

Аэрозольные частицы — это находящиеся во взвешенном состоянии минеральная и вулканическая пыль, продукты горения (дым), кристаллики морских солей, споры и пыльца растений, микроорганизмы. Содержание аэрозолей определяет уровень прозрачности атмосферы. В связи с активной антропогенной деятельностью запыленность атмосферы увеличилась. Как показывают эксперименты, при большой запыленности величина приходящей к Земле солнечной радиации может понижаться, что ведет к изменениям погоды и климата планеты. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации — способствуют превращению водяного пара в водяные капли (облака).

Вертикальное строение атмосферы. Атмосферу подразделяют на пять оболочек (рис. 5.6).

Нижняя часть атмосферы, непосредственно прилегающая к земной поверхности, называется тропосферой. Она простирается над полюсами до высоты 8 км, в умеренных широтах — до 10—11 км, над экватором — до 16—17 км. Здесь сосредоточено около 80% всей массы атмосферы. Наблюдаемое понижение температуры в этом слое (в среднем 0,6°С на 100 м) связано с расширением воздуха под воздействием уменьшения с высотой внешнего давления, а также с переносом теплоты от земной поверхности. При средней для всей Земли годовой температуре воздуха +15°С на уровне моря, на верхней границе тропосферы она понижается до -56°С. Понижение температуры воздуха, так же как и других метеорологических величин, не всегда выдерживается, а в ряде случаев отклоняется от нормального, образуя инверсии. Последние определяются местными географическими причинами.

Рис. 5.6. Строение атмосферы

Физические свойства воздуха тропосферы во многом обусловлены характером взаимодействия с подстилающей поверхностью. Вследствие непрерывного перемешивания воздуха его состав во всей толще тропосферы постоянный. Тропосфера содержит основное количество всей атмосферной влаги.

Вблизи верхней границы тропосферы располагается переходный слой — тропопауза мощностью около 1 км. Выше тропопаузы не поднимаются вертикальные токи воздуха, обусловленные различиями его нагревания и увлажнения от земной поверхности (атмосферная конвекция).

Выше тропосферы, примерно до 50 км, располагается стратосфера. Ранее ее принимали за изотермический слой со средней температурой -56°С. Однако новые данные показали, что изотермия наблюдается только в ее нижней части, приблизительно до 20 км, а у верхней границы температура повышается до 0°С. Стратосфера охвачена мощной горизонтальной циркуляцией с элементами вертикальных движений, что способствует активному перемешиванию воздуха. Антропогенное загрязнение фактически исключено, но сюда проникают продукты интенсивных вулканических выбросов, сохраняющиеся довольно длительное время и влияющие на космическое излучение, включая солнечное.

Особенностью стратосферы является озоновый слой, в формировании которого принимает участие следующий физико-химический механизм. Поскольку атмосфера избирательно пропускает через себя электромагнитное излучение Солнца, солнечная радиация распределяется на земной поверхности неравномерно. Входящий в состав воздуха кислород взаимодействует с коротковолновой ультрафиолетовой (УФ) радиацией, и когда молекула кислорода О2 поглощает УФ свет достаточной энергии, она распадается:

О2 + УФ свет → О + О

Атомарный кислород очень активен и присоединяет молекулу кислорода, образуя молекулу озона:

атомарный кислород (О) + молекулярный кислород (О2) → озон (О3)

Обычно это происходит на высоте примерно 25—28 км от земной поверхности, где и образуется слой озона. Озон сильно адсорбирует ультрафиолетовые лучи, которые губительны для живых организмов.

В последние годы обнаружено сокращение озона в атмосфере, которое получило название «озоновой дыры». Впервые она была обнаружена над Антарктидой, а затем и в других уголках планеты. Установлено, что со временем эти дыры мигрируют и даже пропадают. Возможно, что их образование и исчезновение представляет собой естественный процесс развития географической оболочки и планеты в целом.

Над стратосферой до высоты 80—90 км располагается мезосфера. Температура в этом слое вновь понижается и достигает -107°С. На высоте 75—90 км наблюдаются «серебристые облака», состоящие из кристалликов льда.

До высоты примерно 800—1000 км располагается термосфера. Здесь температура воздуха снова повышается до 220°С на высоте 150 км и 1500°С — на высоте 600 км. Воздух термосферы состоит преимущественно из азота и кислорода, однако выше 90—100 км короткие волны солнечной радиации вызывают распад молекул О2 на атомы и здесь преобладает атомарный кислород. Выше 325 км азот также диссоциирует. Соотношение между азотом и кислородом, характерное для нижних слоев атмосферы (78 и 21%), на высоте 200 км меняется и составляет соответственно 45 и 55%. Под действием ультрафиолетовых и космических лучей частицы воздуха в термосфере электрически заряжены, с чем связано возникновение полярных сияний. Термосфера поглощает рентгеновское излучение солнечной короны и способствует распространению радиоволн.

Следует отметить, что температуру в разреженном воздухе верхней части атмосферы нельзя отождествлять с температурой у земной поверхности. Ее значения рассчитываются по скорости кинетического движения частиц и она не производит в условиях малой плотности воздуха того термического эффекта, который присущ соответствующим величинам у поверхности Земли.

Выше 1000 км располагается экзосфера. Скорость движения атомов и молекул газов достигает здесь третьей космической скорости (11,2 км/с), что позволяет им преодолевать земное притяжение и рассеиваться в космическом пространстве.

Основные черты воздушной циркуляции в тропосфере.Воздушная циркуляция обусловлена неравномерным распределением ат мосферного давления у земной поверхности, следствием чего являются системы ветров — направленных перемещений воздуха из области высокого давления в область низкого (рис. 5.7). Барическое поле слагаемое различными воздушными массами, состоит из отдельных барических систем, среди которых различают циклоны (область низкого давления в центре и движение воздуха против часовой стрелки) и антициклоны (область высокого давления в центре и движение воздуха по часовой стрелке), барические депрессии и гребни ложбины и седловины. Различают постоянные центры действия атмосферы — области высокого или низкого давления, существующие круглый год или в определенный сезон (Исландский и Алеутский минимумы, Азорский, Гавайский, Сибирский максимумы). Преобладающие переносы воздушных масс и их динамика проявляются в пассатных, муссонных, бризовых циркуляциях, в формировании и миграции квазистационарных воздушных фронтов на поверхности Земли (типа внутритропической зоны конвергенции) Особый интерес представляют тропические циклоны, называемые в Атлантическом океане ураганами, в Тихом — тайфунами которые весьма значительно вмешиваются в повседневную жизнь жителей многих прибрежных стран Центральной Америки, Юго-Восточной Азии и других регионов. Основными параметрами барических систем являются траектория, скорость перемещения, радиус действия, атмосферное давление в центре образования. Перемещающиеся циклоны оказывают влияние на подстилающую поверхность, нарушая нормальное распределение гидрометеорологических величин, обусловливая штормы на суше и море.

Воздушные массы и атмосферные фронты.Вследствие различии солнечного тепла на Земле и характера подстилающей поверхности (суша, океан) воздух тропосферы в горизонтальном направлении распадается на отдельные воздушные массы — большие объемы воздуха, обладающие относительно однородными свойствами и движущиеся как единое целое в общей циркуляции атмосферы.

Свойства воздушных масс зависят от географической широты и характера подстилающей поверхности (материки или океаны). Выделяют следующие типы воздушных масс: экваториальный, тропический воздух умеренных широт и арктический (антарктический).

Экваториальный воздух образуется в экваториальной полосе и характеризуется высокой температурой и влажностью. Эти свойства сохраняются не только над сушей, но и над океаном, поэтому его не подразделяют на континентальный и морской. В теплый период экваториальный воздух заходит в субэкваториальный пояс, принося сюда обильные осадки.

Тропический воздух (морской и континентальный) представлен воздушными массами, формирующимися в тропических и субтропических широтах над океанами и материками. В летнее время континентальный тропический воздух образуется над аридными районами умеренных широт (Средняя Азия, Монголия, Северный Китай, Большой бассейн в Северной Америке). Континентальный тропический воздух характеризуется высокой температурой и низкой влажностью. Над засушливыми районами он содержит много аэрозольных частиц и пыли. Морской тропический воздух прохладнее континентального, но содержит больше влаги. Однако из-за высокой температуры он редко достигает состояния насыщения, т.е. имеет низкую относительную влажность. Вследствие этого с поверхности океанов в тропическом поясе происходит сильное испарение.

Рис. 5.7. Распределение среднего атмосферного давления (мбар) на уровне моря и преобладающих ветров в июле (С.Г.Любушкина и К.В.Пашканг, 2002)

Воздух умеренных широт (морской и континентальный) формируется в обоих полушариях и отличается большим разнообразием. Континентальный воздух приобретает свои характерные свойства над материками. В летний период воздух сильно прогревается и становится влажным, приближаясь по своим свойствам к континентальному тропическому воздуху. Зимой континентальный воздух сильно охлаждается и становится сухим из-за небольшого испарения. Морской умеренный воздух формируется над океанами в средних широтах и отличается повышенной влажностью и умеренной температурой. Зимой он приносит оттепели и осадки, летом — прохладную и пасмурную погоду с осадками.

Арктический и антарктический воздух образуется над ледовыми и снежными поверхностями северных и южных полярных регионов, сильно выхолаживающимися в холодный период года. Для него характерны низкие температуры, малое содержание влаги и высокая прозрачность. Различают континентальный арктический (антарктический) воздух, формирующийся над ледниками Гренландии, Антарктиды, островами арктического бассейна, а зимой и над замерзшими участками океанов, и морской арктический (антарктический) воздух, формирующийся над открытыми поверхностями Северного Ледовитого и Южного океанов. Первый — очень холодный и сухой, второй — более теплый и влажный. Вторжение арктического (антарктического) воздуха в умеренные широты всегда приносит похолодание летом и морозы зимой.

Одновременно в тропосфере формируются несколько десятков типов воздушных масс. Эти области контактируют друг с другом в зонах, получивших название атмосферных фронтов — пограничных слоях, ширина которых достигает нескольких десятков километров. Атмосферные фронты — наиболее динамичные части тропосферы. Здесь происходят самые интенсивные движения воздуха, поскольку встречаются воздушные массы, обладающие разными физическими свойствами — температурой, влажностью и плотностью. Схема общей циркуляции в тропосфере показана на рис. 5.8. В действительности все атмосферные процессы происходят гораздо сложнее и определяются множеством причин, в том числе и местными факторами.

Рис. 5.8. Схема общей циркуляции атмосферы (по Г.Флону): Н — низкое давление; В — высокое давление; Е, W — горизонтальные составляющие ветра

Роль атмосферыв географической оболочке исключительно велика. Атмосфера преобразует поступающую солнечную энергию. Она поддерживает жизнь на Земле, защищая земную поверхность от охлаждения и регулирует распределение тепла и влаги. Атмосфера служит щитом против метеоритов (испаряя или сжигая их высоко над Землей) и предохраняет организмы от ультрафиолетовой радиации.

Каждая из составных частей атмосферного воздуха выполняет в географической оболочке свои функции. Кислород участвует в реакции окисления (дыхание, тление, горение). Азот в химических соединениях служит питанием для растений и микроорганизмов.

Современная атмосфера, особенно тропосфера, в значительной степени представляет собой продукт живого вещества биосферы. Полное обновление фотосинтетического кислорода планеты живым веществом происходит за 5200 — 5800 лет.