5.2. Вертикальное строение атмосферы

До этого момента мы рассматривали атмосферу в изотермическом приближении. Однако это справедливо только для приповерхностного слоя (1–3 км). Выше температура ведет себя довольно причудливо (см. рисунок ниже). Вначале с ростом высоты температура убывает. На высоте около 17 км над тропиками и около 10 км над полюсами во время полярного дня она имеет первый минимум: –75⁰С над тропиками и –55⁰С над полюсами. Область снижения температуры, прилегающую к земной поверхности, называют тропосферой. Уменьшение температуры с высотой в тропосфере связано с падением давления. Солнечное излучение, дошедшее до тропосферы, с атмосферными газами практически не взаимодействует.

После тропопаузы температура начинается повышаться, достигая в максимуме 0⁰С. Это повышение связано с поглощением озоном (трехатомная молекула кислорода) ультрафиолетовой части спектра излучения Солнца, главным образом в диапазоне длин волн от 220 до 290 нм. Ультрафиолетом же озон и генерируется на высотах от 20 до 60 км. Концентрация озона в стратосфере невелика. Если собрать весь стратосферный озон в сферический слой при нормальном давлении, то толщина этого слоя будет равна всего 3 мм. Концентрацию озона измеряют в этой эквивалентной толщине. Единица измерения – 1 Добсон = 0,001 мм эквивалентного слоя. Выше стратосферы озона уже нет – солнечной радиацией он разбивается на осколки О₂ и О.

Несмотря на столь ничтожное количество, озон практически полностью поглощает губительное для основной массы биоты ультрафиолетовое излучение. Озон – неустойчивое химическое соединение, однако процессы его разрушения и образования под действием ультрафиолета в присутствии газов-катализаторов находятся в динамическом равновесии. В настоящее время мониторинг озонового слоя представляет собой одно из важных направлений контроля окружающей среды. Экспериментально доказано, что окислы азота, хлора и другие продукты техногенной деятельности человека выступают в роли катализаторов, способствующих быстрому разрушению озона. Однако говорить об экологической катастрофе пока рано. Это следует из анализа результатов многолетних наблюдений мировой сетью озонометрических станций. В настоящее время успешно и оперативно осуществляется спутниковый мониторинг озонового слоя.

Мезосфера – самая холодная часть земной атмосферы (примерно от 60 до 90 км). Солнечное излучение через нее проходит, практически не поглощаясь. На мезопаузе температура понижается до –85⁰С. Выше простирается термосфера, в которой температура растет и достигает величин 1000–1200 К на высотах 400 км. Рост температуры в термосфере обусловлен тем, что водород и гелий – основные компоненты термосферы – почти полностью поглощают всю коротковолновую часть излучения Солнца (короткий ультрафиолет, рентген и прочее). Если мезосфера находится в частично ионизированном состоянии, то газы термосферы ионизированы практически полностью, так что можно говорить о холодной плазме. Выше 400 км (в экзосфере) температура уже практически не растет. Необходимо заметить, что в очень разреженных газах термодинамический смысл температуры, как степени нагретости тел, как меры хаотичного движения молекул, теряет смысл. Температура разреженных газов – это мера их кинетической энергии.

Все, что представлено выше, прямо относится только к дневной атмосфере. На ночной стороне происходит охлаждение, поэтому практически во всей толще атмосферы температуры к утру перед восходом Солнца самые низкие. Максимумы же суточных температур достигаются перед заходом Солнца. Тем не менее, слоистая структура атмосферы сохраняется и ночью. Полусуток не хватает, чтобы размыть, разрушить пять обозначенных слоев.

Тепловая конвекция охватывает преимущественно тропосферу и нижнюю стратосферу. С высот примерно 20–30 км атмосфера существенно стратифицирована. Например, облака вулканической пыли, выброшенные в стратосферу, не рассеиваются неделями.