18.2. Состав и структура атмосферы Земли.

Атмосфера нашей планеты образована смесью газов, влаги и частиц пыли и простирается до 3000 километров. Разумеется, верхняя граница выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и постепенно переходят в мировое пространство. Сухой воздух у поверхности земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,13% аргона и 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. Относительный состав атмосферы до высот порядка ста километров существенно не меняется. Выше этой границы газы существуют в основном в атомарном состоянии. В самом верхнем слое от 300 до 3000 км присутствуют самые легкие ионы и.

Хотя атмосфера простирается вверх на десятки сотен километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км, а 99% - в слое до 30 км. Важные сведения о физических свойствах атмосфера получены с помощью космических аппаратов и геофизических ракет.

Рис. 18.1

Установлено, что с высотой изменяются не только атмосферное давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах и ее состав.

Атмосфера земли подразделяется на несколько сфер с различными физическими свойствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера (рис. 18.1).

Разделение на сферы производится на основе существующих градиентов температур, что явно прослеживается на выше приведенном рисунке. Обычно в тропосферетемпература падает с увеличением высоты в среднем на 6ºна каждый километр высоты проходит через минимум в тропопаузе, а затем встратосферевозрастает с увеличением высоты и у верхней границы достигает значений, близких к 0º. Область, где температура растет с высотой, называетсяинверсионнойили инверсионным слоем. Холодный воздух более плотный по сравнению с теплым, поэтому инверсионная область оказывается устойчивой к перемешиванию по вертикали. Это в полной мере относится к стратосфере. На интервале высот, называемом стратопаузой, температура проходит через максимум и затемпадает в мезосфере, достигая второго минимума около - 80º С на уровне мезопаузы. На больших высотах втермосфере(80÷800 км) температура вновь растет с высотой, достигая значений 1500-2000на высотах 500÷700 км.

Выше термосферы расположена отделенная от нее термопаузой изотермическая область - экзосфера. Реальный профиль температуры может отличаться от приведенного на рис. 18.1 из-за особенностей места и времени, но в целом «картинка» верно передает характер закономерностей изменения температуры с высотой в атмосфере.

.

18.3. Термофизическая модель атмосферы

Под термофизической моделью будем понимать описание основных механизмов, объясняющих изменение температуры с высотой в атмосфере Земли. Раскрыть эти механизмы можно, опираясь на химический состав атмосферы на разных высотах и спектральный состав падающей от Солнца лучистой энергии.

Прежде всего, очень кратко сформулируем причины характерного изменения температуры в каждой из сфер атмосферы, начиная с самой нижней:

• Постоянство достаточно высокой температуры в нижних слоях тропосферы называется парниковым эффектом. Его природа будет раскрыта ниже.

• Отсутствие парникового эффекта в верхней тропосфере приводит к понижению температуры с высотой в тропосфере в целом.

• Инверсия температуры в стратосфере происходит вследствие экзотермических реакций озонового цикла в верхних слоях стратосферы.

• Уменьшение температуры в мезосфере связано с отсутствием там источников энергии.

• Рост температуры с высотой в термосфере объясняется близостью Солнца. Концентрация частиц в этом слое атмосферы на 5 порядков ниже, чем в тропосфере, поэтому здесь температура является характеристикой средней энергии отдельных частиц, а не макросистемы в целом;

• В экзосфере температура не зависит от высоты, полностью определяется солнечной радиацией и оставляет около 2000^º. Это переходная область между атмосферой Земли и околосолнечным пространством.

Из представленного выше списка разъяснения требуют только две причины и соответственно два механизма: парниковый эффект и реакции озонового цикла.