Будова атмосфери

Атмосфера за своїми фізичними властивостями неоднорідна як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямах. В атмосфері спостерігається інтенсивна зміна її властивостей як по вертикалі, так і по горизонталі. Змінюються усі параметри, що характеризують стан атмосфери: температура, тиск, густина повітря, газовий склад, особливо вологість, концентрація твердих та рідких аерозолей, швидкість вітру. Найбільшою мірою вони змінюються у вертикальному напрямі. Температура повітря, наприклад, на кожний кілометр висоти в середньому змінюється на 6,5 ⁰С у нижньому шарі атмосфери товщиною до 11 км, а в горизонтальному напрямі – на таку ж величину на відстані 500 – 600 км. Тиск повітря зменшується з висотою.

Залежно від того, який з параметрів атмосфери беруть за основу, запроваджується відповідний принцип поділу атмосфери на шари.

Розглядають п’ять принципів, на підставі яких атмосферу у вертикальному розрізі поділяють на шари: за розподілом температури повітря з висотою; за складом атмосферного повітря; за наявністю заряджених часток; за характером взаємодії атмосфери з поверхнею землі; за впливом атмосфери на апарати.

За зміною температури з висотою атмосферу поділяють на п’ять основних шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу та екзосферу. Між ними розташовуються проміжні шари: тропопауза, стратопауза, мезопауза, термопауза.

Тропосфера – нижній шар атмосфери від поверхні Землі до висоти 8 – 10 км (у полярних областях), або 17 - 18 км (над екватором). У помірних широтах середня висота тропосфери 10 — 12 км. Тропосфера містить більше 80 % маси атмосфери; у ній – майже вся Н₂О атмосфери.

Тропосфера характеризується зниженням температури від земної поверхні до тропопаузи в середньому на 0,6°С на кожні 100 м висоти,, безупинним перемішуванням повітря (конвекцією), утворенням хмар, випаденням опадів. У горизонтальному переносі переважають рухи з заходу на схід. У тропосфері формуються різні типи повітряних мас, виникають фронтальні розділи, розвиваються циклони, антициклони, інші процеси, що визначають погоду та клімат.

Нижній шар тропосфери, що примикає безпосередньо до земної поверхні, називають приземним шаром – висота якого складає кілька десятків метрів. Тут особливо різко виражені зміни температури протягом доби і протягом року.

Тропопауза — перехідний шар від тропосфери до стратосфери. Висота тропопаузи і її температура змінюються в залежності від широти. Від екватора до полюсів тропопауза знижується. Чим вище тропопауза, тим нижче її температура. Виключення складають полярні райони, де тропопауза низька і холодна. Найнижча температура, зареєстрована в тропопаузі —92 ° С.

Стратосфера розташовується над тропосферою до висоти 50 – 55 км. В ній міститься майже 20% маси атмосфери. У нижній частині цього шару температура майже не міняється з висотою, а вище 35 км зростає, досягаючи у верхньої границі в середньому за рік 0 °С.

Стратосфера відрізняється від тропосфери більшою розрідженістю повітря, майже повною відсутністю водяної пари, порівняно великим вмістом озону, що досягає максимальної концентрації на висоті 22—27 км. Температура на нижній границі стратосфери над екватором весь рік біля
—74° С, над полюсами вище. З висотою температура підвищується, досягаючи до стратопаузи +10° С.

Конвекція не розвинута. Висхідні рухи повітря, дуже характерні для тропосфери, у стратосфері вже майже не спостерігаються. Тому тут, як правило, не утворяться і хмари. На цій висоті спостерігаються тонкі — перламутрові — хмари, що складаються з кристаликів льоду і крапельок води.

Мезосфера знаходиться над стратосферою. Її верхня границя лежить на висоті 80 – 90 км. Характеризується значним спадом температури з висотою: від 0°С на нижній границі до —75° С и нижче на висоті 75—80 км, де зниження температури змінюється її підвищенням. Улітку тут виникають тонкі, блискучі, сріблисті хмари, (що складаються, можливо, із дрібних скупчень космічного пилу).

У термосфері температура з висотою знову різко підвищується і на висоті 100 км переходить через 0°С, досягаючи на висоті 600 км +1500° С. Термосфера — сфера розрідженого іонізованого газу, тому її називають іоносферою.

На рух часточок у термосфері впливає магнітне поле. З діяльністю Сонця пов'язане виникнення в термосфері полярних сяйв.

Екзосфера (або сфера розсіювання) - зовнішній надзвичайно розріджений шар атмосфери, що складається з найбільш легких атмосферних газів – водню і гелію — лише умовно обмежена зовнішня сфера, з якої гази можуть звітрюватися в міжпланетний простір. Вона ще мало вивчена. Дослідники припускають, що температура в екзосфері досягає 2000° С.

За складом повітря атмосфера розділяється на два шари: гомосферу та гетеросферу.

Гомосфера поширюється від земної поверхні до висоти 95–100 км. Вона характеризується тим, що відносний склад газів повітря (азоту, кисню та аргону) та відносна молекулярна маса повітря практично не змінюються з висотою.

Гетеросфера поширюється в атмосфері вище 95 км – склад атмосферного повітря значно змінюється внаслідок дисоціації газових молекул ультрафіолетовим випромінюванням сонця. Концентрація атомарних кисню та азоту з висотою збільшується. Тому у гетеросфері відносна молекулярна маса з висотою зменшується.

Атмосфера має здатність проводити електрику завдяки впливуіонізаторів: ультрафіолетового випромінювання Сонця, космічних променів, випромінювання радіоактивних речовин, що містяться в земній корі й в атмосфері.

Стосовно земної поверхні атмосфера заряджена позитивно. За електричним складом в атмосфері виділяються
нейтросфера (до висоти 80 км) — шар з нейтральним складом, тобто молекули повітря не несуть на собі зарядів

і іоносфера – вище 80 км шар іонізований, за рахунок поглинення квантів сонячної енергії кількість заряджених часток (іонів та електронів) швидко збільшується.

За взаємодією з підстильною поверхнею

1 – граничний шар (шар тертя) – простирається від поверхні землі приблизно на 1,5 км. На характер руху повітря в ньому впливає земна поверхня та сили турбулентного тертя. Тут ярко виражені добові зміни температури, тиску, вологості повітря, інших метеопараметрів;

2 – вільна атмосфера – земна поверхня майже не впливає на характер руху повітря, добовий хід метеорологічних величин більш згладжений.

2.3. Озоновий шар Землі

До озоносфери відносять шар атмосфери з підвищеною концентрацією озону (0₃). Він простягається переважно від 20 до 55 км над поверхнею Землі, але наявність озону фіксується також у шарах атмосфери від поверхні Землі до рівня 70 км. Озон - це триатомний кисень (0₃), який відіграє важливу роль як у фізико-хімічних процесах в атмосфері й мезосфері, так і в біологічних процесах на Землі.

Озон добре поглинає ультрафіолетову радіацію. При цьому коефіцієнти поглинання озону в ультрафіолетовій ділянці спектра настільки значні, що енергія сонячних променів цього діапазону довжин хвиль повністю поглинається вже у найвищій частині шару озону (на висотах приблизно 45 - 50 км), завдяки чому повітря сильно розігрівається, досягаючи на вказаних висотах 0°С.

Відомо також, що ультрафіолетові промені володіють високою біологічною активністю - вбивають бактерії багатьох видів, викликають засмагу та навіть опіки людського тіла, сприяють утворенню в організмі людини вітаміну D і т.д. Але корисні лише невеликі дози ультрафіолетової радіації. Якщо б уся ультрафіолетова радіація Сонця досягла земної поверхні, то біологічно активні ультрафіолетові промені вкрай змінили б усі біологічні процеси та, можливо, і все органічне життя на Землі. Отже, шар підвищеної концентрації озону - озоносфера - це захисний екран для усього живого нашої планети.

Однак загальна кількість озону у вертикальному стовпі повітря незначна. Якщо його привести до нормального тиску (1013,2 гПа) при температурі 0°С, то шар озону на земній поверхні коливався б від 1 до 6 мм (це так звана приведена товща шару озону).

Дослідження показують, що приведена товща шару озону має значні коливання як у просторі, так і в часі. Так, у високих широтах північної півкулі, особливо в межах 70 - 75° північної широти товща цього шару значна, а в зоні від 35° північної широти до 35° південної широти приведена товща шару озону порівняно менша. На південь від цієї зони товща шару озону знову зростає, досягаючи максимуму в поясі від 50° до 60° південної широти.

Що стосується зміни приведеної товщі шару озону на протязі року, то коливання її розміру найбільше виявляються у високих широтах земної кулі, а в середніх та низьких широтах річна амплітуда коливань незначна.

Якісно пояснити річний хід приведеної товщі шару озону на різних широтах Землі можна наступним чином.

Фізичні та хімічні процеси, під впливом яких утворюється озон в атмосфері, мають складну природу, при цьому в атмосфері відбуваються одночасно процеси як утворення, так і руйнування озону. Під впливом поглинання ультрафіолетової радіації відбувається розпад молекули кисню на два атоми, які володіють великим запасом енергії в порівнянні з нормальним станом. З цієї причини молекула озону може утворитися лише при потрійному зіткненні: молекули кисню (0₂), збудженого атома кисню (О’) та молекули азоту (N₂) або якого-небудь іншого газу (М), який поглинає надлишок енергії, що виділяється при утворенні молекули озону. Руйнується озон також внаслідок впливу на нього кванта сонячної енергії. При цьому швидкість руйнування озону істотно залежить від температури - чим вища температура, тим швидкість руйнування більша. Отже, рівноважна концентрація озону, тобто густина шару озону, що встановилася, виявляється при інших однакових умовах залежною від температури: чим нижче температура, тим вище рівноважна концентрація озону, і навпаки. З цієї причини у високих широтах восени та взимку через відсутність притоку сонячної радіації вміст озону малий, але повністю озон у полярних зонах не зникає, тому що має місце обмін повітрям між низькими та високими широтами. Навесні, коли тільки починає надходити в полярну область сонячна радіація, кількість озону при дуже низьких температурах, які затримують процес його розпаду, швидко зростає, але потім з підвищенням температури вміст озону починає зменшуватись.

Великою несподіванкою на початку 80-х років виявилось різке зменшення над Антарктидою густини озонового шару, у результаті чого в цьому регіоні сформувалась "озонова дірка". її площа в 1984- 1985 p.p. становила кілька мільйонів квадратних кілометрів. На даний час висловлено кілька гіпотез, які пояснюють утворення "озонової дірки", однак кожна з них так чи інакше не узгоджується з фактичними результатами спостережень.

На завершення відмітимо, що сучасними дослідженнями доведений зв'язок між кількістю озону й різними метеорологічними величинами та атмосферними явищами. Водночас сьогодні проблема озону та "озонової дірки" потребує подальших теоретичних та експериментальних досліджень.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Будова атмосфери	\|	Табиат мувозанати

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.003 сек.