Вертикальное распределение температуры в атмосфере и связанная с этим терминология.

  Происхождение и роль Атмосфера Земли Современная земная Атмосфера Земли имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение геологической истории Земли Атмосфера Земли претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами Атмосфера Земли и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие Атмосфера Земли было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившей в Атмосфера Земли из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из Атмосфера Земли вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли Атмосфера Земли играла большую роль в процессе выветривания. В этом процессе участвовали атмосферные осадки, которые образовывали реки, изменявшие земную поверхность. Не меньшее значение имела деятельность ветра, переносившего мелкие фракции горных пород на большие расстояния. Существенно влияли на разрушение горных пород колебания температуры и другие атмосферные факторы. Наряду с этим Атмосфера Земли защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть которых сгорает при вхождении в плотные слои Атмосфера Земли

; 3 — кучевые облака хорошей погоды; 4 — мощно-кучевые облака; 5 — ливневые (грозовые) облака; 6 — слоисто-дождевые облака; 7 — перистые облака; 8 — самолёт; 9 — слой максимальной концентрации озона; 10 — перламутровые облака; 11 — стратостат; 12 — радиозонд; 1З — метеоры; 14 — серебристые облака; 15 — полярные сияния; 16 — американский самолёт-ракета Х-15; 17, 18, 19 — радиоволны, отражающиеся от ионизованных слоев и возвращающиеся на Землю; 20 — звуковая волна, отражающаяся от тёплого слоя и возвращающаяся на Землю; 21 — первый советский искусственный спутник Земли; 22 — межконтинентальная баллистическая ракета; 23 — геофизические исследовательские ракеты; 24 — метеорологические спутники; 25 — космические корабли «Союз-4» и «Союз-5»; 26 — космические ракеты, уходящие за пределы атмосферы, а также радиоволна, пронизывающая ионизованные слои и уходящая из атмосферы; 27, 28 — диссипация (ускальзывание) атомов Ни Не; 29 — траектория солнечных протонов Р; 30 — проникновение ультрафиолетовых лучей (длина волны l > 2000  и l < 900  ). Атмосфера Земли." alt="Атлас, схема орографии.">

Схема строения атмосферы: 1 — уровень моря; 2 — высшая точка Земли — г. Джомолунгма (Эверест), 8848 м; 3 — кучевые облака хорошей погоды; 4 — мощно-кучевые облака; 5 — ливневые (грозовые) облака; 6 — слоисто-дождевые облака; 7 — перистые облака; 8 — самолёт; 9 — слой максимальной концентрации озона; 10 — перламутровые облака; 11 — стратостат; 12 — радиозонд; 1З — метеоры; 14 — серебристые облака; 15 — полярные сияния; 16 — американский самолёт-ракета Х-15; 17, 18, 19 — радиоволны, отражающиеся от ионизованных слоев и возвращающиеся на Землю; 20 — звуковая волна, отражающаяся от тёплого слоя и возвращающаяся на Землю; 21 — первый советский искусственный спутник Земли; 22 — межконтинентальная баллистическая ракета; 23 — геофизические исследовательские ракеты; 24 — метеорологические спутники; 25 — космические корабли «Союз-4» и «Союз-5»; 26 — космические ракеты, уходящие за пределы атмосферы, а также радиоволна, пронизывающая ионизованные слои и уходящая из атмосферы; 27, 28 — диссипация (ускальзывание) атомов Ни Не; 29 — траектория солнечных протонов Р; 30 — проникновение ультрафиолетовых лучей (длина волны l > 2000  и l < 900  ).

  Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие Атмосфера Земли сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера Земли задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота — в процессе питания растений. Климатические факторы, в особенности термический режим и режим увлажнения, влияют на состояние здоровья и на деятельность человека. Особенно сильно зависит от климатических условий сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека оказывает всё возрастающее влияние на состав Атмосфера Земли и на климатический режим.

  Строение Атмосфера Земли Многочисленные наблюдения показывают, что Атмосфера Земли имеет четко выраженное слоистое строение (см. рис.). Основные черты слоистой структуры Атмосфера Земли определяются в первую очередь особенностями вертикального распределения температуры. В самой нижней части Атмосфера Земли — тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание (см. Турбулентность в атмосфере и гидросфере), температура убывает с увеличением высоты, причём уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км. Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км у экватора. В связи с тем, что плотность воздуха быстро убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено около 80% всей массы Атмосфера Земли Над тропосферой расположен переходный слой — тропопауза с температурой 190—220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остаётся приблизительно постоянной до высоты 25 км — т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать — область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км. Слой Атмосфера Земли, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой — мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Ещё выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство за счёт диссипации и где происходит постепенный переход от Атмосфера Земли к межпланетному пространству. Обычно все слои Атмосфера Земли, находящиеся выше тропосферы, называются верхними, хотя иногда к нижним слоям Атмосфера Земли относят также стратосферу или её нижняя часть.

  Все структурные параметры Атмосфера Земли (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью (широтной, годовой, сезонной, суточной и др.). Поэтому данные рис. отражают лишь среднее состояние Атмосфера Земли

  Слоистая структура Атмосфера Земли имеет и много других разнообразных проявлений. Неоднороден по высоте химический состав Атмосфера Земли Если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание Атмосфера Земли, относительный состав постоянных компонент А. остаётся практически неизменным (вся эта толща Атмосфера Земли получила название гомосферы), то выше 90 км — в гетеросфере — под влиянием диссоциации молекул атмосферных газов ультрафиолетовым излучением Солнца происходит сильное изменение химического состава Атмосфера Земли с высотой. Типичные черты этой части Атмосфера Земли — слои озона и собственное свечение атмосферы. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля — взвешенных в Атмосфера Земли твёрдых частиц земного и космического происхождения. Наиболее часто встречаются аэрозольные слои под тропопаузой и на высоте около 20 км. Слоистым является вертикальное распределение электронов и ионов в Атмосфера Земли, что выражается в существовании D-, Еи F-cлоёв ионосферы.

  Состав Атмосфера Земли В отличие от Атмосфера Земли Юпитера, Сатурна, состоящих главным образом из водорода и гелия, и Атмосфера Земли Марса и Венеры, основного компонента которых — углекислый газ, земная Атмосфера Земли состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты. Относительная объёмная концентрация постоянных газов, а также сведения о средних концентрациях ряда переменных компонентов (углекислый газ, метан, закись азота и некоторые другие), относящихся только к нижним слоям Атмосфера Земли, приведены в табл.

  Наиболее важная переменная составная часть Атмосфера Земли — водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах — у земной поверхности от 3% в тропиках до 2 10^-5% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе Атмосфера Земли в умеренных широтах — около 1,6—1,7 см  «слоя осажденной воды» (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно содержания водяного пара в стратосфере противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2—4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают осадки атмосферные в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20—30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

  Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает озон. Он в основном сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации, являющееся главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23—0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

  Существенная переменная компонента Атмосфера Земли — углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений (процессами фотосинтеза), индустриальными загрязнениями и растворимостью в морской воде (газообменом между океаном и Атмосфера Земли). Обычно изменения содержания углекислого газа невелики, но иногда могут достигать заметных значений. Последние десятилетия наблюдается рост содержания углекислого газа, обусловленный индустриальным загрязнением, что может иметь влияние на климат вследствие создаваемого углекислым газом парникового эффекта. Предполагается, что в среднем концентрация углекислого газа остаётся неизменной во всей толще гомосферы. Выше 100 км начинается его диссоциация под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации с длинами волн короче 1690 .

  Одна из наиболее оптически активных компонент — атмосферная аэрозоль — взвешенные в воздухе частицы размером от нескольких нм до нескольких десятков мкм, образующиеся при конденсации водяного пара и попадающие в Атмосфера Земли с земной поверхности в результате индустриальных загрязнений, вулканических извержений, а также из космоса. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере, так и в верхних слоях Атмосфера Земли Концентрация аэрозоля быстро убывает с высотой, но на этот ход налагаются многочисленные вторичные максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.

  Верхние слои атмосферы. Выше 20—30 км молекулы Атмосфера Земли в результате диссоциации в той или иной степени распадаются на атомы и в Атмосфера Земли появляются свободные атомы и новые более сложные молекулы. Несколько выше становятся существенными ионизационные процессы.

  Наиболее неустойчива область гетеросферы, где процессы ионизации и диссоциации порождают многочисленные фотохимические реакции, определяющие изменение состава воздуха с высотой. Здесь происходит также и гравитационное разделение газов, выражающееся в постепенном обогащении Атмосфера Земли более лёгкими газами по мере увеличения высоты. По данным ракетных измерений, гравитационное разделение нейтральных газов — аргона и азота — наблюдается выше 105—110 км. Основные компоненты Атмосфера Земли в слое 100—210 км — молекулярный азот, молекулярный кислород и атомарный кислород (концентрация последнего на уровне 210 км достигает 77 ± 20% от концентрации молекулярного азота).

  Верхняя часть термосферы состоит главным образом из атомарного кислорода и азота. На высоте 500 км молекулярный кислород практически отсутствует, но молекулярный азот, относительная концентрация которого сильно уменьшается, всё ещё доминирует над атомарным.

  В термосфере важную роль играют приливные движения (см. Приливы и отливы), гравитационные волны, фотохимические процессы, увеличение длины свободного пробега частиц, а также другие факторы. Результаты наблюдений торможения спутников на высотах 200—700 км привели к выводу о наличии взаимосвязи между плотностью, температурой и солнечной активностью, с которой связано существование суточного, полугодового и годового хода структурных параметров. Возможно, что суточные вариации в значительной степени обусловлены атмосферными приливами. В периоды солнечных вспышек температура на высоте 200 км в низких широтах может достигать 1700—1900°C.

  Выше 600 км преобладающей компонентой становится гелий, а ещё выше, на высотах 2—20 тыс. км, простирается водородная корона Земли. На этих высотах Земля окружена оболочкой из заряженных частиц, температура которых достигает нескольких десятков тысяч градусов. Здесь располагаются внутренний и внешний радиационные пояса Земли. Внутренний пояс, заполненный главным образом протонами с энергией в сотни Мэв, ограничен высотами 500—1600 км на широтах от экватора до 35—40°. Внешний пояс состоит из электронов с энергиями порядка сотен кэв. За внешним поясом существует «самый внешний пояс», в котором концентрация и потоки электронов значительно выше. Вторжение солнечного корпускулярного излучения (солнечного ветра) в верхние слои Атмосфера Земли порождает полярные сияния. Под влиянием этой бомбардировки верхней Атмосфера Земли электронами и протонами солнечной короны возбуждается также собственное свечение атмосферы, которое раньше называлось свечением ночного неба. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли создаётся зона, получившая назв. магнитосферы Земли, куда не проникают потоки солнечной плазмы.

Для верхних слоев Атмосфера Земли характерно существование сильных ветров, скорость которых достигает 100—200 м/сек. Скорость и направление ветра в пределах тропосферы, мезосферы и нижней термосферы обладают большой пространственно-временной изменчивостью. Хотя масса верхних слоев Атмосфера Земли незначительна по сравнению с массой нижних слоев и энергия атмосферных процессов в высоких слоях сравнительно невелика, по-видимому, существует некоторое влияние высоких слоев Атмосфера Земли на погоду и климат в тропосфере.

  Радиационный, тепловой и водный балансы Атмосфера Земли Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в Атмосфера Земли, является солнечная радиация. Главная особенность радиационного режима Атмосфера Земли — т. н. парниковый эффект: Атмосфера Земли слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию (большая её часть достигает земной поверхности), но задерживает длинноволновое (целиком инфракрасное) тепловое излучение земной поверхности, что значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космическое пространство и повышает её температуру.

  Приходящая в Атмосфера Земли солнечная радиация частично поглощается в Атмосфера Земли главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями и рассеивается на частицах аэрозоля и на флуктуациях плотности Атмосфера Земли Вследствие рассеяния лучистой энергии Солнца в Атмосфера Земли наблюдается не только прямая солнечная, но и рассеянная радиация, в совокупности они составляют суммарную радиацию. Достигая земной поверхности, суммарная радиация частично отражается от неё. Величина отражённой радиации определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, т. н. альбедо. За счёт поглощённой радиации земная поверхность нагревается и становится источником собственного длинноволнового излучения, направленного к Атмосфера Земли В свою очередь, Атмосфера Земли также излучает длинноволновую радиацию, направленную к земной поверхности (т. н. противоизлучение Атмосфера Земли) ив мировое пространство (т. н. уходящее излучение). Рациональный теплообмен между земной поверхностью и Атмосфера Земли определяется эффективным излучением — разностью между собственным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением Атмосфера Земли Разность между коротковолновой радиацией, поглощённой земной поверхностью, и эффективным излучением называется радиационным балансом.

Преобразования энергии солнечной радиации после её поглощения на земной поверхности и в Атмосфера Земли составляют тепловой баланс Земли. Главный источник тепла для Атмосфера Земли — земная поверхность, поглощающая основную долю солнечной радиации. Поскольку поглощение солнечной радиации в Атмосфера Земли меньше потери тепла из Атмосфера Земли в мировое пространство длинноволновым излучением, то радиационный расход тепла восполняется притоком тепла к Атмосфера Земли от земной поверхности в форме турбулентного теплообмена и приходом тепла в результате конденсации водяного пара в Атмосфера Земли Так как итоговая величина конденсации во всей Атмосфера Земли равна количеству выпадающих осадков, а также величине испарения с земной поверхности, приход конденсационного тепла в Атмосфера Земли численно равен затрате тепла на испарение на поверхности Земли (см. также Водный баланс).

Некоторая часть энергии солнечной радиации затрачивается на поддержание общей циркуляции Атмосфера Земли и на другие атмосферные процессы, однако эта часть незначительна по сравнению с основными составляющими теплового баланса.

  Движение воздуха. Вследствие большой подвижности атмосферного воздуха на всех высотах Атмосфера Земли наблюдаются ветры. Движения воздуха зависят от многих факторов, из которых главный — неравномерность нагрева Атмосфера Земли в разных районах земного шара.

  Особенно большие контрасты температуры у поверхности Земли существуют между экватором и полюсами из-за различия прихода солнечной энергии на разных широтах. Наряду с этим на распределение температуры влияет расположение континентов и океанов. Из-за высоких теплоёмкости и теплопроводности океанических вод океаны значительно ослабляют колебания температуры, которые возникают в результате изменений прихода солнечной радиации в течение года. В связи с этим в умеренных и высоких широтах температура воздуха над океанами летом заметно ниже, чем над континентами, а зимой — выше.

  Неравномерность нагревания Атмосфера Земли способствует развитию системы крупномасштабных воздушных течений — т. н. общей циркуляции атмосферы, которая создаёт горизонт, перенос тепла в Атмосфера Земли, в результате чего различия в нагревании атмосферного воздуха в отдельных районах заметно сглаживаются. Наряду с этим общая циркуляция осуществляет влагооборот в Атмосфера Земли, в ходе которого водяной пар переносится с океанов на сушу и происходит увлажнение континентов. Движение воздуха в системе общей циркуляции тесно связано с распределением атмосферного давления и зависит также от вращения Земли (см. Кориолиса сила). На уровне моря распределение давления характеризуется его понижением у экватора, увеличением в субтропиках (пояса высокого давления) и понижением в умеренных и высоких широтах. При этом над материками внетропических широт давление зимой обычно повышено, а летом понижено.

  С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений, некоторые из них сравнительно устойчивы, а другие постоянно изменяются в пространстве и во времени. К устойчивым воздушным течениям относятся пассаты, которые направлены от субтропических широт обоих полушарий к экватору. Сравнительно устойчивы также муссоны — воздушные течения, возникающие между океаном и материком и имеющие сезонный характер. В умеренных широтах преобладают воздушные течения западных направления (с З. на В.). Эти течения включают крупные вихри — циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи км. Циклоны наблюдаются и в тропических широтах, где они отличаются меньшими размерами, но особенно большими скоростями ветра, часто достигающими силы урагана (т. н. тропические циклоны). В верхней тропосфере и нижней стратосфере встречаются сравнительно узкие (в сотни км шириной) струйные течения, имеющие резко очерченные границы, в пределах которых ветер достигает громадных скоростей — до 100—150 м/сек. Наблюдения показывают, что особенности атмосферные циркуляции в нижней части стратосферы определяются процессами в тропосфере.

  В верхней половине стратосферы, где наблюдается рост температуры с высотой, скорость ветра возрастает с высотой, причём летом доминируют ветры восточных направлений, а зимой — западных. Циркуляция здесь определяется стратосферным источником тепла, существование которого связано с интенсивным поглощением озоном ультрафиолетовой солнечной радиации.

  В нижней части мезосферы в умеренных широтах скорость зимнего западного переноса возрастает до максимальных значений — около 80 м/сек, а летнего восточного переноса — до 60 м/сек на уровне порядка 70 км. Исследования последних лет ясно показали, что особенности поля температуры в мезосфере нельзя объяснить только влиянием радиационных факторов. Главное значение имеют динамические факторы (в частности, разогревание или охлаждение при опускании или подъёме воздуха), а также возможны источники тепла, возникающие в результате фотохимических реакций (например, рекомбинации атомарного кислорода).

  Над холодным слоем мезопаузы (в термосфере) температура воздуха начинает быстро возрастать с высотой. Во многих отношениях эта область Атмосфера Земли подобна нижней половине http://www.047.help-rus-student.ru/text/010.htm