big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Вертикальная неоднородность

По вертикали атмосфера расчленяется на ряд слоев, характеризующихся различными физическими свойствами, среди которых особенно существенным является характер изменения температуры с высотой. Уже в начале XX в. было установлено, что от поверхности земли и до некоторой высоты температура понижается в среднем на 6° на каждый километр; выше располагается слой инверсии или изотермии. В связи с этим выделены две нижние сферы: тропосфера и стратосфера. Их разделяет переходный слой тропопауза. Высота тропопаузы непостоянна. В высоких и средних широтах она колеблется в зависимости от времени года. Еще более резко меняется высота тропопаузы в связи с изменением барического поля тропосферы. Так, например, над высокими холодными циклонами уровень тропопаузы располагается наиболее низко, а над высокими теплыми антициклонами — наиболее высоко. Разность высот между тропопаузой над циклонами и антициклонами может достигать нескольких тысяч метров. Эти локальные изменения уровня тропопаузы могут происходить в короткие промежутки времени, определяемые сменой циклонов и антициклонов. Однако в среднем уровень тропопаузы в высоких широтах располагается на высотах около 9 км, в средних широтах — 9—11 км и в низких — 16— 18 км. Следовательно, при вертикальной протяженности атмосферы до 1000 км тропосфера является относительно тонким слоем со средней толщиной около 9 км у полюсов и 16—18 км на экваторе.

Колебания высоты тропопаузы вызваны рядом причин, среди которых главное значение имеют лучистый теплообмен в атмосфере, приток тепла от подстилающей поверхности, адвекция холодных и теплых масс воздуха, а также адиабатическое охлаждение или нагревание воздуха, обусловленное вертикальными движениями.

Тропосфера в свою очередь характеризуется вертикальной расслоенностью, поскольку располагающиеся в ней массы воздуха, обладающие различными физическими свойствами, часто отделяются друг от друга слоями инверсии.

Несмотря на сравнительно небольшую вертикальную протяженность, в тропосфере содержится от 0,7 до 0,9 массы всей атмосферы ;и почти весь водяной пар. Кроме того, в тропосфере возникают и развиваются циклоны и антициклоны, формируются: облака и осадки. Здесь находятся зоны значительных градиентов температуры, давления и больших скоростей ветра (струйные

Распределение температуры воздуха на разных высотах

течения). Эти опоясывающие землю планетарные высотные фронтальные зоны имеют существенное значение в развитии атмосферных процессов. В этих зонах осуществляется наиболее интенсивная горизонтальная и вертикальная циркуляция атмосферы.

Стратосфера бедна водяным паром. В этой сфере, распространяющейся да 60—70 км высоты, температурные и другие свойства воздуха неоднородны. В нижнем слое стратосферы, простирающемся от тропопаузы до 45 — 50 км, температура с высотой непрерывно повышается, достигая почти 0°. До инструментальных данных, полученных с помощью ракет, полагали, что для всей стратосферы характерна изотермия. Новые данные наблюдений показали, что температура с высотой наиболее быстро повышается в слое между уровнями 20—25 и 45—50 км высоты.

В слое между 50 и 80 км происходит значительное понижение температуры с высотой и создаются условия, благоприятствующие вертикальному перемешиванию. На уровне 80 км температура понижается до —60, —80°. Выше этого слоя на высотах 80—100 км вновь происходит повышение температуры (рис. 2). Под стратосферными слоями инверсии температуры нередко образуются облака: на высотах 20—30 км — перламутровые, а на 80 км — серебристые. Очевидно, вертикальные движения, направленные в этих слоях вверх, облегчают конденсацию водяного пара, который здесь содержится в ничтожном количестве. Проникновение водяного пара от тропосферы в стратосферу происходит, по-видимому, в тех случаях распределения температуры с высотой, когда тропопауза перестает быть задерживающим слоем, что наблюдается в зимние месяцы над арктическими и антарктическими районами земного шара. Проникновение водяного пара в стратосферу происходит также при мощной вулканической деятельности и в ограниченных масштабах при атомных взрывах.

Таким образом, вопреки прежним представлениям, стратосфера не является однородной на всем протяжении, а делится на два слоя, существенно отличающихся друг от друга по характеру распределения температуры и другим свойствам. Более того, по аэрологическим данным распределение температуры в нижней стратосфере неодинаково не только в различные сезоны года, но и на разных широтах.

В нижней стратосфере содержится наибольшее количества озона, оказывающего большое влияние на термический режим земли. Максимальная концентрация его в слое 20—25 км. С высотой количество озона уменьшается и на уровнях 70—75 км вовсе отсутствует. Несмотря на общее малое количество в атмосфере (2—4 мм), его роль значительна, так как озон поглощает как ультрафиолетовую, так и инфракрасную радиацию солнца. Количество озона изменяется в зависимости от географической широты и времени года.

Характер распределения температуры в стратосфере обычно объясняют радиационными условиями, определяющимися наличием здесь озона, углекислого газа и водяного пара. Новые исследования позволяют заключить, что такие физические процессы, как турбулентное перемешивание и упорядоченные перемещения больших масс воздуха, принимают заметное участие в формировании температуры в стратосфере.

Действительно, трудно объяснить радиационными процессами изменение температуры в нижней стратосфере, которое происходит при смене циклонической деятельности на антициклоническую. Здесь несомненно оказывает влияние адвекция температуры в сочетании с динамикой атмосферных процессов. Судя по характеру изменения полей температуры и давления с высотой, в нижней стратосфере процессы развиваются в тесной связи: с цикло- и антициклонической деятельностью в тропосфере. Однако этот вопрос принадлежит к числу наименее разработанных в метеорологии.

Выше стратосферы располагается слой ионосферы. Этот слой атмосферы распространяется на несколько сот километров. Ионосфера — это разреженная газовая среда, содержащая большое число свободных ионов и электронов.

Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца, а также космических лучей, здесь происходит процесс ионизации атмосферы. Наиболее интенсивно он происходит в слое 70—300 км, где для этого существуют оптимальные условия. Отличительной особенностью ионосферы является влияние ее на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радио волны преломляются, отражаются и поглощаются. В жизни Земли ионосфера играет важную роль. Здесь поглощается коротковолновое и рентгеновское излучение Солнца, губительное для живых организмов.

До начала ракетных исследований характер концентрации электронов определялся с помощью отражений от ионосферы радиоволн различных частот, излучаемых с Земли. Было обнаружено два слоя наибольшей ионизации: слой Е на высоте около 100 км и слой F на высоте около 250 км. С Помощью ракет была установлена неправильность предположения о наличии слоя Е, так как выше 100—120 км ионизация постепенно возрастает до максимума в слое F. С помощью ракеты, выпущенной 21 февраля 1958 г., было получено, что электронная концентрация выше слоя F уменьшается очень медленно. Согласно этим измерениям, на высоте 470 км электронная концентрация была равна миллиону электронов в кубическом сантиметре.

Так как по характеру распределения температуры стратосфера оказалась неоднородной, то, очевидно, будет признано целесообразным изменить терминологию характеристики атмосферных сфер. Пока еще нет нового общепринятого деления на сферы, однако по температурной характеристике существует следующее вертикальное расслоение атмосферы:

1. Тропосфера, простирающаяся от поверхности земли до тропопаузы, т. е. до высот 8—18 км, с характерным понижением температуры с высотой.

2. Стратосфера, располагающаяся между тропопаузой и высотой около 45—50 км, где в основном характерно повышение температуры с высотой.

3. Мезосфера, ограниченная высотами 45—50 и 80 км; отличительной чертой этого слоя является понижение температуры до —60, —80°.

4. Термосфера — слой, заключенный между высотами 80— 300 км, в котором происходит повышение температуры с высотой. Правда, в последнее время появилось основание полагать, что на высоте около 200 км существует слой, где с высотой начинается понижение температуры, а затем снова происходит ее рост.

5. Экзосфера — внешняя сфера, располагающаяся выше 300 км и до верхней границы атмосферы.

Циркуляция атмосферы выше тропосферы еще недостаточно изучена. Известно, что в нижних слоях стратосферы зимой преобладает западно-восточный перенос, переходящий летом выше 20 км на восточно-западный. Неясно распределение скоростей воздушных течений над различными широтами. По данным звукометрических наблюдений, наибольшие скорости их определены на высотах 50—60 км, средние максимальные скорости в этом слое составляют 90 м/сек (325 км/час) зимой и 70 м/сек. (250 км/час) летом. Вместе с тем неизвестно, на всех ли широтах наблюдаются такие скорости, насколько они являются устойчивыми и т. п. Даже о режиме ветра в нижних слоях, стратосферы нет единства мнений, что также объясняется недостаточным количеством наблюдений.

Еще неопределеннее сведения о ветрах в ионосфере. По расчетам, скорости ветра зимой возрастают с высотой от 112 мм/час на уровне 100 км до 640 км/час на уровне 350 км, летом — соответственно от 80 до 480 км/час. Смена западных течений в нижних слоях ионосферы на восточные происходит на уровне около 200 км.

По наблюдениям за метеорными следами, на высоте 75—115 км средние скорости ветра в ноябре и декабре достигают соответственно 61 и 64 м/сек. (220 и 230 км/час). Вычисления по полю температуры и давления между уровнями 100 и 400 км показали, что зимой скорости ветра достигают 120 км/час на уровне 100 км и 700 км/час на уровне 350 км, летом — несколько меньше: 85 и 500 км/час. По метеорным следам установлено, что да высоте 80 км скорости ветра достигают 325 км/час].

Очень возможно, что в соответствии с радиационным режимом над различными широтными зонами режим ветра различен. В частности, по расчетам, в зоне 45—80° с. ш. скорости ветра возрастают от 320 км/час на высоте 100 км до 480 км/час на уровне 300 км. Здесь смена западного потока на восточный происходит на высоте около 200 км.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.