АТМОСФЕРА Земли - газовая оболочка, окружающая Землю. Масса А. составляет ок. 5*1015 т. Cp. давление А. у поверхности Земли равно 1013 гПа (760 мм рт. ст.). С высотой давление убывает по закону, близкому к экспоненциальному. На высотах в десятки км и выше плотность А. сравнительно незначительна. Строение атмосферы. По вертикали А. имеет слоистое строение, к-рое определяется в первую очередь особенностями распределения температуры (рис.). В самой нижней части А.- тропосфере темп-pa убывает с высотой в ср. на 6 К 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 ок. 80% всей массы А.
Над тропосферой расположен переходный слой - тропопауза -с температурой 190-220 К, выше к-рой начинается стратосфера. В ниж. части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и темп-pa остаётся прибл. постоянной до высоты 20 км - т. н. изотермич. область (ниж. стратосфера); выше темп-pa начинает возрастать - область инверсии (верхняя стратосфера). Темп-pa достигает максимума 270 К на уровне стратопаузы, расположенной на высоте ок. 55 км. Слой А., находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, наз. мезосферой. Над ней находится переходный слой - мезопауза, выше к-рой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 К).
Вертикальное распределение температуры
в атмосфере.
Ещё выше (на высотах 1000 км и более)
находится экзосфера, откуда атм. газы рассеиваются в мировое пространство за
счёт диссипации и где происходит постепенный переход от А. к межпланетному пространству.
Состав атмосферы. Земная А. состоит
преим. из азота и кислорода, а также содержит малые кол-ва аргона, углекислого
газа, неона и др. постоянных и переменных компонентов (см. табл.).
Химический состав сухого воздуха
у земной поверхности
Газ |
Объёмная концентрация, % |
Газ |
Объёмная концентрация, % |
Азот N2 |
78,08 |
Гелий Не |
5*10-4 |
Кислород О2 |
20,95 |
Метан CH4 |
2*10-4 |
Аргон Ar |
0,93 |
Криптон Kr |
1,1*10-4 |
Углекислый газ СО2 |
3,5*10-2 |
Водород Н2 |
5*10-5 |
Неон Ne |
1,8*10-3 |
|
|
Кроме этого, А. содержит небольшие количества
ксенона, озона, окислов азота, двуокиси серы и нек-рых др. газов. Хим. состав
сухого воздуха сравнительно мало изменяется до высоты ок. 100 км.
Наиб. важная переменная компонента А.-
водяной пар, концентрация к-рого колеблется у земной поверхности от 3% в тропиках
до 2*10-5% в Антарктиде. Осн. масса водяного пара сосредоточена в
тропосфере. Cp. содержание его в вертикальном столбе А. в умеренных широтах
составляет ок. 1,6-1,7 см "слоя осаждённой воды". Изменчивость содержания
водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения,
конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации происходит
образование облаков и выпадение атм. осадков в виде дождя, града, снега. Процессы
фазовых превращений воды протекают пре-им. в тропосфере.
Важное влияние на атм. процессы оказывает
озон, сосредоточенный в осн. в стратосфере и обеспечивающий поглощение солнечной
УФ-радиации. Cp. месячные значения общего содержания O3 изменяются
в зависимости от широты и времени года в пределах 0,23- 0,52
см (толщина слоя озона при наземном давлении и температуре). Наблюдаются увеличение
содержания O3 от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью
и максимумом весной. Существ. переменной компонентой А. является углекислый
газ, изменчивость содержания к-рого связана с жизнедеятельностью растений, индустриальными
загрязнениями и растворимостью в морской воде (газообмен между океаном и А.).
Одной из наиболее оптически активных
компонент является атм. аэрозоль - взвешенные в воздухе твердые и жидкие частицы
размерами от неск. нм до неск. десятков мкм. Аэрозоль наблюдается как в тропосфере,
так и в верхних слоях А., попадая в неё с земной поверхности в результате индустриальных
загрязнений, вулканич. извержений, а также из космоса. Концентрация аэрозоля
быстро убывает с высотой, причём на этот ход накладываются многочисленные вторичные
максимумы, связанные с существованием аэрозольных слоев.
Радиационный, тепловой и водный балансы
атмосферы. Практически единств. источником энергии для всех физ. процессов,
развивающихся в А., является солнечная радиация. Гл. особенность радиац. режима
А.- т. н. парниковый эффект: А. слабо поглощает солнечную КВ-радиацию, к-рая
б. ч. достигает земной поверхности, но задерживает тепловое ДВ-излучение земной
поверхности, значительно уменьшая теплоотдачу Земли в космич. пространство и
повышая её температуру.
Приходящая солнечная радиация частично
поглощается в А. гл. обр. водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями,
а также рассеивается на частицах аэрозоля и на флуктуациях плотности А. Прямая
и рассеянная солнечная радиация составляет суммарную радиацию, к-рая, достигая
земной поверхности, частично отражается от неё. Величина отражённой радиации
определяется отражат. способностью подстилающей поверхности, т. н. альбедо. За счёт поглощённой радиации земная поверхность нагревается и становится
источником собств. ДВ-излучения, направленного к А. В свою очередь, А. также
излучает ДВ-радиацию, направленную к земной поверхности (т. н. противоизлучение
А.) и в мировое пространство. Радиац. теплообмен между земной поверхностью и
А. определяется эфф. излучением - разностью между собственным излучением поверхности
Земли и поглощённым ею противоизлучением А. Разность между КВ-радиацией, поглощённой
земной поверхностью, и эфф. излучением ваз. радиационным балансом.
Преобразования энергии солнечной радиации
после её поглощения земной поверхностью и А. составляют тепловой баланс Земли.
Гл. источник теплоты для А.- земная поверхность, поглощающая осн. долю солнечной
радиации. Поскольку поглощение солнечной радиации в А. меньше потери теплоты
из А. в мировое пространство ДВ-излучением, радиац. расход теплоты восполняется
её притоком к А. от земной поверхности в форме турбулентного теплообмена и приходом
в результате конденсации водяного пара в А. T. к. итоговая величина конденсация
во всей А. равна кол-ву выпадающих осадков, а также величине испарения с земной
поверхности, приход конденсац. теплоты в А. численно равен её затрате на испарение
с поверхности Земли. Поток солнечной энергии за единицу времени через площадку
единичного размера, перпендикулярную солнечным лучам и расположенную вне А.
на ср. расстоянии Земли от Солнца (т.н. солнечная постоянная), по совр. данным,
равен 1367 Вт/м2. Значение солнечной радиации, поглощённой Землёй
как планетой, равно 237 Вт/м2. Из этого кол-ва 157 Вт/м2
поглощается земной поверхностью, 80 Вт/м2- А. Радиац. баланс земной
поверхности равен 105 Вт/м2, эфф. излучение с земной поверхности,
соответствующее разности поглощённой радиации и радиац. баланса, составляет
52 Вт/м2.
Энергия радиац. баланса расходуется
на испарение воды (88 Вт/м2) и турбулентный теплообмен земной поверхности
с А. (17 Вт/м2). А. получает тепловую энергию из трёх источников:
поглощённой КВ-радиации (80 Вт/м2), прихода теплоты от конденсации
водяного пара (88 Вт/м2), турбулентного потока теплоты от земной
поверхности (17 Вт/м2). Сумма этих значений равна потере теплоты
А. на ДВ-излучение в мировое пространство (185 Вт/м2). Нек-рая часть
энергии солнечной радиации затрачивается на поддержание общей циркуляции А.
и на др. атм. процессы, однако эта часть незначительна по сравнению с осн. составляющими
теплового баланса.
Водный баланс А. в целом соответствует
равенству кол-ва осадков, выпадающих на земную поверхность, и кол-ва влаги,
испарившейся с поверхности Земли. Каждая из этих величин равна 113 см/год. А.
над континентами ежегодно теряет кол-во воды, выпадающей в виде осадков, равное
80 см/год, и получает образованный испарением водяной пар в кол-ве 48,5 см/год.
А. над океанами соотв. теряет 127 см/год и получает 140 см/год. Избыток водяного
пара, образованный испарением с океанов, переносится с океанов на континенты
воздушными течениями. Величина его равна для поверхности континентов 31,5 см/год,
для поверхности океана - 13 см/год. Перенос водяного пара в А. с океанов на
континенты численно равен значению стока рек, впадающих в океаны.
Движение воздуха. Нагревание А. в разных
частях Земли неодинаково. 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 океанич.
вод океаны значительно ослабляют колебания температуры, к-рые возникают в результате
изменений прихода солнечной радиации в течение года. В связи с этим в средних
и высоких широтах температура воздуха над океанами летом заметно ниже, чем над континентами,
а зимой - выше.
Неодинаковое нагревание А. способствует
развитию общей циркуляции атмосферы, тесно связанной с распределением
атм. давления. На уровне моря распределение давления характеризуется относительно
низким значением вблизи экватора, увеличением в субтропиках (пояса высокого
давления) и понижением в средних и высоких широтах. При этом над материками
внетропич. широт давление зимой обычно повышено, а летом понижено. Под действием
градиента давления воздух испытывает ускорение, направленное от высокого давления
к низкому. Одноврем. с возникновением движения воздуха на него начинают действовать
отклоняющая сила вращения Земли (Кориолиса сила ),сила трения, к-рая
убывает с высотой, а при криволинейных траекториях и центробежная сила.
С планетарным распределением давления
связана сложная система воздушных течений. Нек-рые из них сравнительно устойчивы,
а другие постоянно изменяются в пространстве и во времени. К устойчивым воздушным
течениям относятся пассаты, к-рые направлены от субтропич. широт обоих полушарий
к экватору. Сравнительно устойчивы также муссоны - возд. течения, возникающие
между океаном и материком и имеющие сезонный характер. В ср. широтах преобладают
возд. течения зап. направления (с 3. на В.), в к-рых возникают крупные вихри
- циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи км. Циклоны
наблюдаются и в тропич. широтах, где они отличаются меньшими размерами, но особенно
большими скоростями ветра, часто достигающими силы урагана (т. н. тропич. циклоны).
В верх. тропосфере и ниж. стратосфере часто возникают сравнительно узкие (в
сотни км шириной) струйные течения, с резко очерченными границами, в
пределах к-рых ветер достигает больших скоростей - до 100-150 м/с.
Климат и погода. Различия в кол-ве солнечной
радиации, приходящей на разные широты земной поверхности, и сложность её строения,
включая распределение океанов, континентов и горных систем, определяют разнообразие
климатов Земли. Климат тропич. широт характеризуется высокими температурами воздуха
у земной поверхности (в ср. 25-30 0C), к-рые мало меняются в течение
года. В экваториальном поясе обычно выпадает большое кол-во осадков, что создаёт
там условия избыточного увлажнения. В тропиках, за пределами экваториального
пояса, кол-во осадков уменьшается и в ряде областей субтропич. пояса высокого
давления становится очень малым. Здесь расположены обширные пустыни Земли.
В субтропиках и средних широтах темп-pa
воздуха значительно меняется в годовом ходе, причём разница между температурой зимы
и лета особенно велика в удалённых от океанов районах континентов. Так, в нек-рых
областях Вост. Сибири ср. темп-pa наиб. холодного месяца на 65 0C
ниже температуры наиб. тёплого. Условия увлажнения в указанных широтах очень разнообразны
и в осн. зависят от режима общей циркуляции А.
В полярных широтах, при наличии заметных
сезонных изменений температуры, она остаётся низкой в течение всего года, что способствует
широкому распространению ледяного покрова на суше и океанах.
На фоне сравнительно устойчивого климата
происходит постоянное изменение погоды, определяемой в осн. циркуляцией А. Погода
наиб. устойчива в тропич. странах и наиб. изменчива в средних широтах и околополярных
областях, в частности на севере Атлантич. и Тихого океанов, где часто возникают
и развиваются циклоны. Методы прогноза погоды на сутки опираются на построение
ежедневных приземных и высотных синоптич. карт погоды, к анализу к-рых применяются
общие физ. закономерности атм. процессов. При прогнозировании на 3-5 сут и более
применяются разл. статистич. приёмы. При суточных прогнозах погоды всё более
широкое распространение приобретают численные методы прогноза, основанные на
решении гидроди-намич. и термодинамич. ур-ний, описывающих движение А.
Оптические, акустические и электрические
явления в А. При распространении эл--магн. излучения в А. в результате рефракции,
поглощения и рассеяния света воздухом и разл. частицами (аэрозоль, облачные
частицы, капли дождя) возникают разл. оптич. явления: радуга, венцы, гало, мираж.
Рассеяние света обусловливает видимую сплюснутость небесного свода и голубой
цвет неба. Оптич. нестабильность А. ограничивает возможность астр. наблюдений.
Условия распространения света в А. определяют видимость предметов. От прозрачности
А. на разл. длинах волн зависит дальность распространения излучения лазеров,
что важно с точки зрения применения лазеров для связи. Ослабление А. ИК-излучения
влияет на функционирование разл. устройств и приборов ИК-техники. Для исследований
оптич. неоднородностей стратосферы и мезосферы важное значение имеет явление
сумерек. Напр., фотографирование сумерек с космич. кораблей позволяет обнаруживать
аэрозольные слои. Все эти вопросы, а также многие другие изучает атмосферная
оптика. Рефракция и рассеяние радиоволн обусловливают возможности радиоприёма
(см. Распространение радиоволн).
Распространение звука в А., зависящее
от пространственного распределения температуры и скорости ветра, представляет интерес
для разработки косвенных методов зондирования верхних слоев А. Так, наблюдения
зон слышимости звука при искусств. взрыве позволили обнаружить увеличение температуры
с высотой в атмосфере. Применение ракетного акустич. метода дало возможность
получить богатую информацию о ветрах в стратосфере и мезосфере (см. Атмосферная
акустика).
Фундам. проблема в исследованиях атмосферного
электричества - наличие отрицат. заряда Земли и обусловленного им электрич.
поля А. Важная роль в этой проблеме принадлежит образованию облаков и грозового
электричества. Частое возникновение грозовых разрядов вызвало необходимость
разработки методов грозозащиты зданий, сооружений, линий электропередач и связи.
Особую опасность это явление представляет для авиации. Грозовые разряды вызывают
атм. радиопомехи, получившие назв. атмосфериков .В периоды резкого увеличения
напряжённости электрич. поля наблюдаются светящиеся разряды, возникающие на
остриях и острых углах предметов, выступающих над земной поверхностью, на отд.
вершинах в горах и др. (т. н. Эльма огни). Под влиянием процессов ионизации
разл. происхождения А. всегда ионизована и содержит сильно изменяющиеся в зависимости
от конкретных условий кол-ва лёгких и тяжёлых ионов, к-рые обусловливают электрич.
проводимость А. Гл. ионизаторы земной поверхности - излучения радиоакт. веществ,
содержащихся в земной коре и в А., а также космич. лучи.
Эволюция атмосферы. Совр. земная А.
имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных
твёрдой оболочкой Земли (литосферой) после сформирования планеты. В течение
геол. истории Земли А. претерпела значит. изменения под влиянием ряда факторов:
диссипации (улетучивания) атм. газов в космич. пространство; выделения газов
из литосферы в результате вулканич. деятельности; диссоциации (расщепления)
молекул под влиянием солнечного УФ-излучения; хим. реакций между компонентами
А. и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды
(напр., метеорного вещества). Развитие А. было тесно связано с геол. и геохим.
процессами, а также с деятельностью живых организмов. Значит. часть газов, составляющих
совр. А. (азот, углекислый газ, водяной пар), возникла в ходе вулканич. и интрузивной
деятельности, выносившей их из глубин нашей планеты. Кислород появился в более
или менее значит. кол-ве ок. 2 млрд. лет тому назад как результат деятельности
фотосинтезирующих растений.
По данным о хим. составе карбонатных
отложений получены оценки кол-ва CO2 и O2 в А. геологич.
прошлого. На протяжении фанерозоя (последние 570 млн. лет истории Земли) кол-во
CO2 в А. изменялось в широких пределах в соответствии с уровнем вулканич.
активности. Как правило, концентрация CO2 в это время была значительно
выше современной (до 10-15 раз). Кол-во O2 в А. в фанерозое изменялось
прибл. в 5 раз, причём преобладала тенденция к увеличению кол-ва O2.
В А. докембрия масса CO2 была, как правило, более высокой, а масса
O2 - более низкой по сравнению с А. в фанерозое. Колебания кол-ва
CO2 оказывали существ. влияние на климат в прошлом, усиливая парниковый
эффект при росте концентрации CO2, в связи с чем климат на протяжении
осн. части фанерозоя был более тёплым по сравнению с нашей эпохой.
Атмосфера и жизнь. А. обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества. Наибольшее значение из атм. газов для жизнедеятельности организмов имеют кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. При поглощении CO2 фотосинтезирующими растениями создаётся органич. вещество, используемое как источник энергии подавляющим большинством живых существ, включая человека. Кислород необходим для существования аэробных организмов, для к-рых приток энергии обеспечивается реакциями окисления органич. вещества.
Азот, усваиваемый нек-рыми микроорганизмами
(азотофиксаторами), необходим для минерального питания растений. Озоновый экран
значительно ослабляет приток поступающей
от Солнца опасной для многих организмов УФ-радиации. Конденсация водяного пара
в А. является источником жидкой воды, без к-рой невозможны никакие формы жизни.
Жизнедеятельность организмов в гидросфере во многом определяется кол-вом и хим.
составом атм. газов, растворённых в воде. T. к. хим. состав А. существенно зависит
от деятельности организмов, организмы и А. можно рассматривать как единую систему,
эволюция к-рой имела большое значение для изменений состава А. в геологич. прошлом.
Влияние человека на атмосферу. В течение
последнего столетия происходил рост концентрации CO2 в А., обусловленный
гл. обр. сжиганием всё возрастающих кол-в угля, нефти и др. видов углеродного
топлива. Предполагается, что за это столетие кол-во CO2 возросло
на 20-25% от его исходного значения. Такое изменение хим. состава А. привело
к нек-рому усилению парникового эффекта и к небольшому повышению ср. температуры
нижнего слоя воздуха. Наряду с CO2, под влиянием хоз. деятельности
в А. возрастает кол-во фреонов, окислов азота и ряда др. газов, к-рые являются
малыми но объёму примесями к атм. воздуху. Все эти примеси аналогично влиянию
CO2 способствуют изменению климата в сторону потепления.
Большое значение стало придаваться разработке
методов активного воздействия на атм. процессы. В частности, в СССР широко применяется
защита сельскохозяйств. растений от градобитий путём рассеивания в грозовых
облаках спец. реагентов. Разрабатываются методы рассеяния туманов, защиты растений
от заморозков, ведутся эксперим. работы по воздействию на облака для увеличения
кол-ва осадков.
Изучение атмосферы. Сведения о физ.
процессах в А. получают из метеорологич. наблюдений, к-рые проводятся мировой
сетью постоянно действующих метеорологич. станций и постов, расположенных на
всех континентах и на мн. островах. Ежедневные наблюдения дают сведения о температуре
и влажности воздуха, атм. осадках, облачности, ветре, давлении и др. метеорологич.
элементах. Наблюдения за солнечной радиацией и её преобразовании проводятся
на актинометрич. станциях. Существенное значение для изучения А. имеют данные
аэрологич. сети станций, где при помощи радиозондов выполняются наблюдения за
метеорологич. режимом в свободной А. до высоты 30-40 км. На ряде станций проводятся
наблюдения за атм. озоном, элементами атм. электричества, хим. составом воздуха.
Материалы наземных метеорологич. станций
дополняются наблюдениями на океанах, где действуют корабли погоды, постоянно
находящиеся в определ. районах Мирового океана, а также метеорологич. сведениями,
получаемыми с кораблей разл. назначения во время их рейсов.
Для изучения стратосферы на высотах
в неск. десятков км применяются метеорологич. ракеты, к-рые позволили получить
представление о движениях воздуха и колебаниях термич. режима в стратосфере,
выяснить связь физ. процессов, происходящих в стратосфере, с процессами в тропосфере
и т. д. Получить информацию, относящуюся не только к отд. районам, но я ко всей
А., позволяют метеорологич. спутники Земли, на к-рых установлены приборы для
измерения потоков УФ- и ИК-радиации. По данным наблюдений с помощью спутников
удалось точно определить величину солнечной постоянной, найти истинное значение
альбедо Земли, построить карты радиац. баланса системы Земля - А., решить др.
задачи изучения атм. процессов.
M. И. Будыко