Раздзел 2 будова атмасферы і хімічны склад паветра

2.1. Будова атмасферы

Атмасфера ўяўляе шматслойную сістэму. Падзел атмасферы на слаі праводзіцца паводле розных прыкмет:

1) размеркаванне тэмпературы з вышынёю;

2) газавы склад і наяўнасць зараджаных часцінак;

3) характар узаемадзеяння з зямной паверхняй;

4) уплыў атмасферы на лятальныя апараты;

5) уплыў магнітнага поля на стан атмасферы.

У залежнасці ад характару змянення тэмпературы з вышынёй зямную атмасферу падзяляюць на пяць слаёў: трапасферу, стратасферу, мезасферу, тэрмасферу і экзасферу (рыс. 2.1). Пераходныя слаі паміж гэтымі сферамі называюць паўзамі.

Рыс. 2.1. Будова атмасферы і змяненне тэмпературы

з вышыней

Ніжні слой атмасферы называецца трапасферай. У гэтым слоі тэмпература з вышынёй памяншаецца, а вертыкальны градыент тэмпературы ў сярэднім складае 0,6 ºС на 100 м змяненні вышыні. Гэта тлумачыцца тым, што трапасфера атрымлівае цяпло ад зямной паверхні шляхам турбулентнага цеплаабмену, інтэнсіўнасць якога з падняццем уверх паступова змяншаецца. Магутнасць трапасферы змяняецца і залежыць ад шыраты, пары году і адцэнтравай сілы вярчэння Зямлі. У тропіках гэты слой мае магутнасць 15 – 17 км, ва ўмераных шыротах 10 – 12 км, над палюсамі – 8 – 9 км.

У трапасферы сярэднегадавая тэмпература ў экватарыяльных шыротах змяншаецца з вышынёй ад +26 ºС каля зямной паверхні да -80 ºС на верхняй мяжы; ва ўмераных шыротах – ад +3 ºС да -54...-58 ºС; над Паўночным полюсам – ад -23 ºС да -60 ºС зімою і да -48 ºС летам.

У трапасферы засяроджана каля 80 % усёй масы атмасфернага паветра. У ёй утрымліваецца амаль уся вадзяная пара, узнікаюць воблакі і ападкі. Тут часта развіваецца моцная няўстойлівасць – канвекцыйныя плыні і турбулентнасць. На трапасферу непасрэдна ўздзейнічае падсцілаючая паверхня--рознае награванне сушы і мора, снег і лёд, цёплыя і халодныя марскія цячэнні. У выніку ўзаемадзеяння з падсцілаючай паверхняй і ў залежнасці ад шыраты ў трапасферы фарміруюцца розныя тыпы паветраных мас, якія складаюць агульную цыркуляцыю атмасферы.

Пераходны слой паміж трапасферай і стратасферай магутнасцю 1 – 2 км называецца трапапаўзай, дзе тэмпература з вышынёй не змяняецца (ізатэрмія). Трапапаўза адыгравае важную ролю ў цыркуляцыйных і тэрмадынамічных працэсах трапасферы і стратасферы. Яна затрымлівае і перашкаджае пераносу аэразолей і вадзяной пары ад зямной паверхні ў стратасферу. Тут фарміруюцца воблакі верхняга ярусу. Трапапаўза абмяжоўвае развіццё кучава-дажджавых воблакаў, іх пранікненне ў стратасферу і надае ім форму накавальні. У межах трапапаўзы ўзнікаюць струйныя струмені. Адначасова трапапаўза з’яўляецца бар’ерам пранікнення азону са стратасферы ў трапасферу.

Трапапаўза з’яўляецца таксама слоем мінімальнай тэмпературы, дзе ўраўнаважваецца паступленне і расход праменнай энергіі. У тропіках трапапаўза высокая і халодная, у напрамку да палюсоў яе вышыня паступова памяншаецца і яна становіцца цяплей.

Вышэй трапапаўзы знаходзіцца стратасфера, якая прасціраецца да вышыні 50 – 55 км і характарызуецца павелічэннем тэмпературы з вышынёй. У ніжніх слаях стратасферы тэмпература павялічваецца павольна, а пачынаючы з сярэдніх слаёў назіраецца хуткі рост тэмпературы, якая на вышынях стратапаўзы дасягае 10 – 15 ºС летам і -10...-15 ºС зімой.

Павелічэнне тэмпературы з вышынёй у стратасферы абумоўлена наяўнасцю азону. Азон інтэнсіўна паглынае жорсткае ўльтрафіялетавае выпраменьванне Сонца, за кошт чаго павышаецца тэмпература ў стратасферы.

Павелічэнне тэмпературы з вышынёю надае стратасферы дынамічную ўстойлівасць. Тут амаль адсутнічаюць турбулентнае перамешванне і канвектыўныя токі паветра. Аднак здараюцца выпадкі запаволенага асядання ці падняцця паветра. Для стратасферы больш характэрны гарызантальны перанос паветраных мас, пераважна заходніх напрамкаў.

У стратасферы, як правіла, воблакі адсутнічаюць. Аднак у рэдкіх выпадках на вышыні 20 – 30 км могуць утварацца тонкія яркія воблакі, якія складаюцца з найдрабнейшых пераахалоджаных кропелек вады ці крышталікаў лёду. Днём яны не бачны, а ўначы адліваюць радужным колерам, за што атрымалі назву – перламутравыя воблакі. Верхні слой стратасферы – стратапаўза – з’яўляецца пераходным слоем ад стратасферы да мезасферы.

Мезасфера мае працяг да вышыні 80–82 км. У гэтым слое назіраецца паніжэнне тэмпературы з вышынёю звычайна да -70 ºС, а бывае да -110 ºС. Паніжэнне тэмпературы ў мезасферы стварае ўмовы для развіцця турбулентнасці, што надае ёй няўстойлівы стан.

У верхняй мезасферы ўтвараюцца святлівыя туманападобныя воблакі. За асаблівае свячэнне, якое нагадвае металічны бляск, гэтыя воблакі атрымалі назву серабрыстых. Мяркуюць, што серабрыстыя воблакі складаюцца з касмічнага пылу, дыяметр часцінак якога не перавышае 0,2 – 0,5 мкм.

Зазначым, што ў трапасферы, стратасферы і мезасферы да вышыні 80–82 км утрымліваецца 99,5 % усёй масы атмасферы. На вышэйляжачыя слаі прыходзіцца толькі 0,5 % ад агульнай масы атмасферы.

Вышэй мезапаўзы да вышыні 800 км прасціраецца тэрмасфера, у якой тэмпература павялічваецца. Тут паветра моцна разрэджана і наэлекрызавана. Гэта сфера паглынае найбольш інтэнсіўную частку сонечнага выпраменьвання – карпускулы, рэнтгенаўскія промні і кароткахвалевую ўльтрафіялетавую радыяцыю. Дзякуючы паглынанню, яе тэмпература павышаецца. На вышынях 200 – 250 км тэмпература можа дасягаць 1000 ºС, а на верхняй мяжы ў тэрмапаўзе –2000 ºС. У гэтых слаях назіраюцца вялікія сутачныя хістанні тэмпературы: дзённая тэмпература перавышае начную на 200 – 300 ºС.

Патрэбна мець на ўвазе, што высокія тэмпературы, характэрныя для тэрмасферы, вызначаюцца па вялікай хуткасці палёту малекул і атамаў. Так як паветра тут вельмі разрэджанае і мае нязначную шчыльнасць, то агульнае ўтрыманне цяпла, якое можа ўздзейнічаць на целы, вельмі малое. Касмічныя апараты ў тэрмасферы не награюцца за кошт цеплаабмена з паветрам.

Паколькі паветра ў тэрмасферы моцна іанізавана, то гэтую сферу яшчэ называюць іонасферай. Яна ўяўляе сабой іанізаваную плазму, якая валодае электраправоднасцю. Тут прысутнічаюць зараджаныя атамы кісларода, гелія і вадарода, а таксама свабодныя электроны. Атамы і малекулы паветра зараджаюцца ў выніку страты электрона, або набыцця свабоднага электрона пад уздзеяннем касмічнага і сонечнага выпрамянення.

Вылучаюць тры слаі з павышанай канцэнтрацыяй іонаў і электронаў:

слой D – на вышынях 60 – 90 км;

слой Е – на вышынях 105 – 160 км;

слой F – вышэй 180 км.

Іонасфера валодае здольнасцю паглынаць, адбіваць і пераламляць радыёхвалі рознай даўжыні. У выніку адбіцця радыёхваляў ад іонасферы магчыма далёкая радыёсувязь на Зямлі.

Знешні слой атмасферы вышэй 800 км называецца экзасферай. У экзасферы адбываецца дыссыпацыя (адток у касмічную прастору) атмасферных газаў (вадарода і гелія). Пры незвычайнай разрэджанасці паветра асобныя атамы і малекулы здольны развіваць велізарныя хуткасці (11 км/с – другая касмічная хуткасць), якія дазваляюць гэтым часцінкам пакідаць зямное прыцяжэнне і ўцякаць у касмічную прастору. Экзасфера прасціраецца да вышыняў 2000 – 3000 км.

На цяперашні час у абагульненым выглядзе атмасферу падзяляюць на ніжнюю атмасферу (трапасфера і стратасфера), сярэднюю (стратасфера, мезасфера і мезапаўза) і верхнюю атмасферу – вышэй мезапаўзы.

Па ступені ўздзеяння зямной паверхні на атмасферу ў яе межах вылучаюць прыземны слой, памежны слой (слой трэння) і свабодную атмасферу. Да памежнага адносяць ніжні слой трапасферы, прылеглы да зямной паверхні, уласцівасці якога вызначаюцца тэрмічным і дынамічным уздзеяннем падсцілаючай паверхні. Магутнасць памежнага слою трэння складае 1-1,5 км і залежыць ад шурпатасці падсцілаючай паверхні і інтэнсіўнасці турбулентнага перамешвання. Унутры памежнага слоя вылучаюць прыземны слой атмасферы, які характарызуецца стракатасцю мікракліматычных умоў, што адлюстроўваюць ландшафтную разнастайнасць тэрыторыі.

Вышэй 1-1,5 км знаходзіцца свабодная атмасфера. З-за малых вертыкальных градыентаў хуткасці ветру трэнне Зямлі ў свабоднай атмасферы амаль не сказваецца.

У сувязі з засваеннем касмічнай прасторы атмасферу падзяляюць на шчыльныя слаі (уласна атмасферу) і каляземную касмічную прастору. Мяжой падзелу гэтых слаёў з’яўляецца вышыня 150 км. Такім чынам, каляземная касмічная прастора пачынаецца ў тэрмасферы, куды ўваходзіць экзасфера. У межах шчыльнай атмасферы касмічныя апараты не могуць лятаць. У той жа час у слаях атмасферы вышэй 150 км штучныя спадарожнікі лятаюць бесперашкодна.

З пункту гледжання ўздзеяння магнітнага поля Зямлі на стан атмасферы прынята выдзяляць магнітасферу, якая ахоплівая знешнюю частку тэрмасферы. У магнітасферы часцінкі газаў (іоны) утрымліваюцца не толькі гравітацыйным, але і магнітным полем Зямлі.