Атмосфера простирается вверх на много сотен километров. Верхняя ее граница, на высоте около 2000—3000 км, в известной мере условна, так как газы, ее составляющие, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С высотой меняются химический состав атмосферы, давление, плотность, температура и другие ее физические свойства. Как говорилось ранее, химический состав воздуха до высоты 100 км существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100—110 км, под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110—120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400—500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.
Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса ее размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних ее частях. Так, в слое между уровнем моря и высотами 5—6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0—16 км—90%, а в слое 0—30 км — 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м3 воздуха у поверхности земли равен 1033 г, то на высоте 20 км он равен 43 г, а на высоте 40 км лишь 4 г.
На высоте 300—400 км и выше воздух настолько разрежен, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая — ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца.
Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется.
Здесь приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоев.
Приведем основные данные о физических свойствах этих сфер.
Тропосфера. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является ее нижней границей. Наибольшая высота тропосферы наблюдается в экваториальной и тропической зонах. Здесь она достигает 16—18 км и сравнительно мало подвергается суточным и сезонным изменениям. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8— 10 км. В средних широтах она колеблется от 6—8 до 14—16 км.
Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов. Нередко в течение суток верхняя граница тропосферы над данным пунктом или районом опускается или поднимается на несколько километров. Это связано главным образом с изменениями температуры воздуха.
В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, от поверхности земли до верхней границы тропосферы температура понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м, или 6° на 1 км поднятия. Это объясняется тем, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности земли.
В соответствии с притоком солнечной энергии температура понижается от экватора к полюсам. Так, средняя температура воздуха у поверхности земли на экваторе достигает +26°, над полярными областями зимой —34°, —36°, а летом около 0°. Таким образом, разность температур экватор — полюс зимой составляет 60°, а летом лишь 26°. Правда, такие низкие температуры в Арктике зимой наблюдаются только вблизи поверхности земли вследствие охлаждения воздуха над ледяными просторами.
Зимой в Центральной Антарктиде температура воздуха на поверхности ледяного щита еще ниже. На станции Восток в августе 1960 г. зарегистрирована самая низкая температура на земном шаре —88,3°, а наиболее часто в Центральной Антарктиде она бывает равна —45°, —50°.
С высоты разность температур экватор — полюс уменьшается. Например на высоте 5 км на экваторе температура достигает — 2°, —4°, а на этой же высоте в Центральной Арктике —37°, —39° зимой и —19°, —20° летом; следовательно, разность температуры зимой равна 35—36°, а летом 16—17°. В южном полушарии эти разности несколько больше.
Энергию атмосферной циркуляции можно определить контрактами температуры экватор—полюс. Так как зимой величина контрастов температуры больше, то атмосферные процессы протекают более интенсивно, чем летом. Этим же объясняется тот факт, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. При этом скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, доходя до максимума на верхней границе тропосферы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха и турбулентным (неупорядоченным) движением. Вследствие подъема и опускания больших объемов воздуха образуются и рассеиваются облака, возникают и прекращаются осадки. Переходным слоем между тропосферой и вышележащей сферой является тропопауза. Выше нее лежит стратосфера.
Стратосфера простирается от высот 8—17 до 50—55 км. Она была открыта в начале нашего века. По физическим свойствам стратосфера резко отличается от тропосферы уже тем, что температура воздуха здесь, как правило, повышается в среднем на 1 — 2° на километр поднятия и на верхней границе, на высоте 50—55 км, становится даже положительной. Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием здесь озона (О3), который образуется под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. Слой озона занимает почти всю стратосферу. Стратосфера очень бедна водяным паром. Здесь не происходит бурных процессов облакообразования и не выпадают осадки.
Еще совсем недавно предполагали, что стратосфера является сравнительно спокойной средой, где не происходит перемешивания воздуха, как в тропосфере. Поэтому считали, что газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Отсюда и название стратосферы («стратус» — слоистый). Полагали также, что температура в стратосфере формируется под действием лучистого равновесия, т. е. при равенстве поглощенной и отраженной солнечной радиации.
Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемещения, турбулентные движения при сильных горизонтальных воздушных течениях. Все это — результат неоднородного распределения температуры.
Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза. Однако, прежде чем перейти к характеристике более высоких слоев атмосферы, ознакомимся с так называемой озоносферой, границы которой приблизительно соответствуют границам стратосферы.
Озон в атмосфере. Озон играет большую роль в создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере. Озон (О3) ощущается нами после грозы при вдыхании чистого воздуха с приятным привкусом. Однако здесь речь пойдет не об этом озоне, образующемся после грозы, а об озоне, содержащемся в слое 10—60 км с максимумом на высоте 22—25 км. Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца и, хотя общее количество его незначительно, играет важную роль в атмосфере. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от ее губительного действия. Даже та ничтожная доля ультрафиолетовых лучей, которая достигает поверхности земли, сильно обжигает тело, когда человек чрезмерно увлекается приемом солнечных ванн.
Количество озона неодинаково над различными частями Земли. Озона больше в высоких широтах, меньше в средних и низких широтах и изменяется это количество в зависимости от смены сезонов года. Весной озона больше, осенью меньше. Кроме того, происходят непериодические его колебания в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы. Многие атмосферные процессы тесно связаны с содержанием озона, так как он оказывает непосредственное влияние на поле температуры.
Зимой, в условиях полярной ночи, в высоких широтах в слое озона происходит излучение и охлаждение воздуха. В результате в стратосфере высоких широт (в Арктике и Антарктике) зимой формируется область холода, стратосферный циклонический вихрь с большими горизонтальными градиентами температуры и давления, обусловливающий западные ветры над средними широтами земного шара.
Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла и прогревание воздуха. В результате повышения температуры в стратосфере высоких широт формируется область тепла и стратосферный антициклонический вихрь. Поэтому над средними широтами земного шара выше 20 км летом в стратосфере преобладают восточные ветры.
Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50—55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) достигает —75°, —90°. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.
Интересно отметить, что характерное для мезосферы понижение температуры с высотой происходит неодинаково на различных широтах и в течение года. В низких широтах падение температуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответственно 0,23° — 0,31° на 100 м или 2,3°—3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой. В верхней мезосфере на высоте около 80 км в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается ее повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми.
Природа серебристых облаков еще недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения серебристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры при переходе из мезосферы в термосферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает —80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального движения или путем турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Скорости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до нескольких сотен километров в час.
Температура на высотах. Наглядное представление о характере распределения температуры с высотой, между поверхностью земли и высотами 90—100 км, зимой и летом в северном полушарии дает рисунок 5. Поверхности, разделяющие сферы, здесь изображены жирными штриховыми линиями. В самом низу хорошо выделяется тропосфера с характерным понижением температуры с высотой. Выше тропопаузы, в стратосфере, наоборот, температура с высотой в общем повышается и на высотах 50—55 км достигает + 10°, —10°. Обратим внимание на важную деталь. Зимой в стратосфере высоких широт температура выше тропопаузы понижается от —60 до —75° и лишь выше 30 км вновь возрастает до —15°. Летом, начиная от тропопаузы, температура с высотой повышается и на 50 км достигает + 10°. Выше стратопаузы вновь начинается понижение температуры с высотой, и на уровне 80 км она не превышает —70°, —90°.
Из рисунка 5 следует, что в слое 10—40 км температура воздуха зимой и летом в высоких широтах резко различна. Зимой, в условиях полярной ночи, температура здесь достигает —60°, —75°, а летом минимум —45° находится вблизи тропопаузы. Выше тропопаузы температура возрастает и на высотах 30—35 км составляет лишь —30°, —20°, что вызвано прогреванием воздуха в слое озона в условиях полярного дня. Из рисунка следует также, что даже в одном сезоне и на одном и том же уровне температура неодинакова. Разность их между различными широтами превышает 20—30°. При этом неоднородность особенно значительна в слое низких температур (18—30 км) и в слое максимальных температур (50—60 км) в стратосфере, а также в слое низких температур в верхней мезосфере (75—85 км).
Средние величины температуры, приведенные на рисунке 5, получены по данным наблюдений в северном полушарий, однако, судя по имеющимся сведениям, они могут быть отнесены и к южному полушарию. Некоторые различия имеются главным образом в высоких широтах. Над Антарктидой зимой температура воздуха в тропосфере и нижней стратосфере заметно ниже, чем над Центральной Арктикой.
Ветры на высотах. Сезонным распределением температуры обусловлена довольно сложная система воздушных течений в стратосфере и мезосфере.
На рисунке 6 представлен вертикальный разрез поля ветра в атмосфере между поверхностью земли и высотой 90 км зимой и летом над северным полушарием. Изолиниями изображены средние скорости преобладающего ветра (в м/сек). Из рисунка следует, что режим ветра зимой и летом в стратосфере резко различен. Зимой как в тропосфере, так и в стратосфере преобладают западные ветры с максимальными скоростями, равными около
100 м/сек на высоте 60—65 км. Летом западные ветры преобладают лишь до высот 18—20 км. Выше они становятся восточными, с максимальными скоростями до 70 м/сек на высоте 55—60 км.
Летом выше мезосферы ветры становятся западными, а зимой — восточными.
Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220—240°, а на уровне 200 км более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термосфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа — это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной.
В разреженных газах сравнительно немного молекул весьма малых размеров (легких газов). Если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет велика. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха содержатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов миллиардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высоких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разреженной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов.
В нижней термосфере и мезосфере сгорает, не долетая до поверхности земли, основная часть метеорных потоков.
Имеющиеся сведения о слоях атмосферы выше 60—80 км еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создается в результате превращения молекулярного кислорода (О2) в атомарный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры большое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и. ультрафиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток происходят резкие изменения температуры и ветра.
Ионизация атмосферы. Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60—80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то ее называют также и ионосферой.
Газы в ионосфере находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, происходит процесс отщепления электронов от нейтральных атомов и молекул воздуха. Такие атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами, а газы — ионизированными, т. е. получившими электрический заряд. При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными.
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизации. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмосфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.
Открытие ионосферы является одним из важных и блестящих достижений науки. Ведь отличительной особенностью ионосферы является ее влияние на распространение радиоволн. В ионизированных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные атомы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспечивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии.
Однако известно, что иногда радиосвязь на коротких волнах нарушается. Это происходит в результате хромосферных вспышек на Солнце, благодаря которым резко усиливается ультрафиолетовое излучение Солнца, приводящее к сильным возмущениям ионосферы и магнитного поля Земли — магнитным бурям. При магнитных бурях нарушается радиосвязь, так как движение заряженных частиц зависит от магнитного поля. Во время магнитных бурь ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос. Главным образом с изменением солнечной активности, сопровождающейся усилением ультрафиолетового излучения, увеличивается электронная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению работы радиосвязи на коротких волнах.
Согласно новым исследованиям в мощном ионизированном слое имеются зоны, где концентрация свободных электронов достигает несколько большей концентрации, чем в соседних слоях. Известны четыре такие зоны, которые располагаются на высотах около 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км и обозначаются буквами D, E, F1 и F2. При усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния — в виде красивых многокрасочных дуг, загорающихся в ночном небе преимущественно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями. В таких случаях полярные сияния становятся видимыми в средних широтах, а в редких случаях даже в тропической зоне. Так, например, интенсивное сияние, наблюдавшееся 21 — 22 января 1957 г., было видно почти во всех южных районах нашей страны.
С помощью фотографирования полярных сияний из двух пунктов, находящихся на расстоянии нескольких десятков километров, с большой точностью определяется высота сияния. Обычно полярные сияния располагаются на высоте около 100 км, нередко они обнаруживаются на высоте нескольких сотен километров, а иногда на уровне около 1000 км. Хотя природа полярных сияний выяснена, однако остается еще много нерешенных вопросов, связанных с этим явлением. До сих пор неизвестны причины многообразия форм полярных сияний.
По данным третьего советского спутника, между высотами 200 и 1000 км днем преобладают положительные ионы расщепленного молекулярного кислорода, т. е. атомарного кислорода (О). Советские ученые исследуют ионосферу с помощью искусственных спутников серии «Космос». Американские ученые изучают ионосферу также с помощью спутников.
Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. По вертикали эти колебания достигают 100—200 км и более.
Экзосфера (сфера рассеяния) — самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений и теоретических расчетов температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. В отличие от нижней ионосферы, в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.
Еще сравнительно недавно предполагали, что условная граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Однако на основе торможения искусственных спутников Земли установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см3 содержится до 160 тыс. положительных ионов атомного кислорода и азота. Это дает основание предполагать, что заряженные слои атмосферы простираются в космос на значительно большее расстояние.
При высоких температурах на условной границе атмосферы скорости частиц газов достигают приблизительно 12 км/сек. При данных скоростях газы постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланетное пространство. Это происходит в течение длительного времени. Например, частицы водорода и гелия удаляются в межпланетное пространство в течение нескольких лет.
В исследовании высоких слоев атмосферы богатые данные получены как со спутников серии «Космос» и «Электрон», так и геофизических ракет и космических станций «Марс-1», «Луна-4» и др. Ценными оказались и непосредственные наблюдения космонавтов. Так, по фотографиям, сделанным в космосе В. Николаевой-Терешковой, было установлено, что на высоте 19 км от Земли существует пылевой слой. Это подтвердилось и данными, полученными экипажем космического корабля «Восход». По-видимому, существует тесная связь между пылевым слоем и так называемыми перламутровыми облаками, иногда наблюдаемыми на высотах около 20—30 км.
Из атмосферы в космическое пространство. Прежние предположения, что за пределами атмосферы Земли, в межпланетном
пространстве, газы очень разрежены и концентрация частиц не превышает нескольких единиц в 1 см3, не оправдались. Исследования показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании зон вокруг Земли с заметно повышенным содержанием заряженных частиц, т. е. поясов радиации — внутреннего и внешнего. Новые данные помогли внести уточнения. Оказалось, что между внутренним и внешним поясами радиации также имеются заряженные частицы. Число их меняется в зависимости от геомагнитной и солнечной активности. Таким образом, по новому предположению вместо поясов радиации существуют зоны радиации без четко выраженных границ. Границы радиационных зон изменяются в зависимости от солнечной активности. При ее усилении, т. е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, выбрасывающиеся на сотни тысяч километров, возрастает поток космических частиц, которые и питают радиационные зоны Земли.
Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полеты на космических кораблях. Поэтому перед полетом в космос определяется состояние и положение радиационных зон, а орбита космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне областей повышенной радиации. Однако высокие слои атмосферы, как и близкое к Земле космическое пространство, еще мало исследованы.
В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются богатые данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций.
Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Однако современные методы ее исследования позволяют надеяться, что в ближайшие годы человек будет знать многие детали строения атмосферы, на дне которой он живет.
В заключение приведем схематический вертикальный разрез атмосферы (рис. 7). Здесь по вертикали отложены высоты в километрах и давление воздуха в миллиметрах, а по горизонтали — температура. Сплошной кривой изображено изменение температуры воздуха с высотой. На соответствующих высотах отмечены и главнейшие явления, наблюдающиеся в атмосфере, а также максимальные высоты, достигнутые радиозондами и другими средствами зондирования атмосферы.
—Источник—
Погосян, Х.П. Атмосфера Земли/ Х.П. Погосян [и д.р.]. – М.: Просвещение, 1970.- 318 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
