Все, кто летал на самолете, привыкли к сообщению такого рода: «наш полет проходит на высоте 10 000 м, температура за бортом - 50 °С». Кажется, ничего особенного. Чем дальше от нагретой Солнцем поверхности Земли, тем холоднее. Многие думают, что понижение температуры с высотой идет непрерывно и постепенно температура падает, приближаясь к температуре космоса. Между прочем, так думали ученые вплоть до конца 19 века.
Разберемся подробнее с распределением температуры воздуха над Землей. Атмосферу подразделяют на несколько слоев, которые и отражают в первую очередь характер изменения температуры.
Нижний слой атмосферы называется тропосферой , что означает „сфера поворота". Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,— примерно на высоте 15—16 км над экватором и 7—8 км над полюсами. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли. В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около —62°С, а над полюсами около —45°С. В умеренных широтах более 75% массы атмосферы находится в тропосфере. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.
В 1899 г. в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы — к стратосфере , что означает „сфера слоя". Термин стратосфера означает и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона — одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.
Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами — один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Озоносфера поглощает часть лучистой энергии, проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы — стратопаузы (50 км), достигая, по некоторым данным, 0 °С.
На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой . Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой. Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой , температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до —96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.
Термосфера является первым слоем ионосферы . В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не по температурному признаку. Ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи. Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная—неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению. Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли — Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е. Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли—Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.
Самая внешняя область атмосферы, второй слой ионосферы, часто называется экзосферой . Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается атмосфера и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама атмосфера плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.
Подробнее о процессах а атмосфере можно узнать на сайте «Земной климат»
Стратосферой (от лат. stratum - настил, слой) называется слой атмосферы высотой от 11 до 50 км , расположенный над тропосферой. Переход от тропосферы к стратосфере происходит плавно, так как между ними располагается тонкий промежуточный слой, называемый тропопаузой, в котором понижение температуры с высотой не происходит. Основной особенностью стратосферы является увеличение температуры с высотой. В нижней части этого слоя (до высоты 25 км) температура стабильная или растет медленно с высотой, но с уровня 34 - 36 км рост температуры начинает увеличиваться. Возрастание температуры длится до стратопаузы - верхней границы стратосферы, которая такая же теплая, как и воздушные массы у поверхности Земли.
Состав
Высокая устойчивость стратосферы обусловлена возрастанием температуры с высотой. В отличие от тропосферы, в этом слое отсутствует упорядоченное вертикальное движение воздуха и его перемешивание, а существуют небольшие вертикальные движения в виде медленного оседания или подъема, охватывающие слои стратосферы на огромных пространствах. Нагревание воздуха в стратосфере происходит за счет поглощения озоном ультрафиолетового излучения, а охлаждение – за счет длинноволнового излучения молекул H2O и CO2. Поэтому в низких широтах, где повышено содержание H2O и CO2, а O3 меньше, холоднее, чем над высокими широтами стратосферы. В стратосфере на высоте 20 - 25 км летом характерно изменение направления ветра с западного на восточное, а зимой постоянно дуют западные ветры. У верхней границы стратосферы наблюдаются максимально большие скорости ветра, а также струйные течения.
В нижней части стратосферы на высоте до 20 - 25 км отмечается повышенное содержание аэрозольных частиц, в особенности сульфатных, которые заносятся сюда во время извержения вулканов. Здесь они сохраняются дольше, чем в тропосфере, из-за малого турбулентного обмена и отсутствия вымывания осадками.
В стратосфере очень мало водяного пара, но иногда в высоких широтах наблюдаются перламутровые облака на высоте 22 - 24 км . Особенно они хорошо видны ночью, освещенные Солнцем, находящимся под горизонтом. Предполагается, что эти облака образуются из переохлажденных капель или кристалликов льда.
В стратосфере газовый состав воздуха практически не отличается от такового в тропосфере, но имеет отличие, а именно, повышенное содержание озона (O3). Стратосферу можно назвать озоносферой, из-за наличия в ней слоя озона. Озоновый слой образовался и сохраняется, благодаря взаимодействию ультрафиолетовых лучей Солнца с молекулами кислорода, и служит надежным препятствием для ультрафиолета, который губителен для всех живых организмов. При поглощении солнечной энергии слоем озона температура атмосферы повышается, а следовательно, слой озона является своеобразным резервуаром тепла в атмосфере. До высоты 10 км и более 60 км атмосфера почти полностью лишена озона, а максимальная концентрация его сосредоточена на высоте 20 - 30 км. В стратосфере тепловой режим, в основном, определяется лучистым теплообменом. Озон разрушается при взаимодействии с NO, со свободными радикалами, галогенсодержащими соединениями.
В стратосфере остается основная доля коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180 - 200 нм) и трансформируется энергия коротких волн. Под влиянием ультрафиолетовых лучей происходит изменение магнитных полей, распад молекул, ионизация, образуются новые газы и другие химические соединения. В природе эти процессы наблюдаются как северные сияния, зарницы и другие свечения.
Похожие материалы:
Каждый грамотный человек должен знать не только то, что планету окружает атмосфера из смеси всевозможных газов, но и то, что существуют различные слои атмосферы, которые располагаются на неодинаковом удалении от поверхности Земли.
Наблюдая на небом, мы совершенно не видим ни его сложного устройства, ни неоднородного состава, ни других скрытых от глаз вещей. Но именно благодаря сложному и многокомпонентному составу воздушного слоя, вокруг планеты на ней и существуют такие условия, которые позволили возникнуть здесь жизни, расцвести растительности, появиться всему тому, что здесь когда бы то ни было.
Знания про предмет разговора дает людям уже 6 класс в школе, но некоторые до него еще не доучились, а некоторые были там так давно, что уже все позабыли. Тем не менее каждый образованный человек должен знать, из чего состоит мир вокруг него, особенно та его часть, от которой непосредственно зависит сама возможность его нормальной жизни.
Как называется каждый из слоев атмосферы, на какой высоте он находится, какую роль играет? Все эти вопросы будут рассмотрены ниже.
Строение атмосферы Земли
Глядя на небо, особенно когда оно совершенно безоблачно, очень сложно даже предположить, что оно имеет такую сложную и многослойную структуру, что температура там на различных высотах очень сильно отличается, и что именно там, в высоте, происходят важнейшие процессы для всей флоры и фауны на Земле.
Если бы не такой сложный состав газового покрова планеты, то здесь бы просто не было никакой жизни и даже возможности для ее зарождения.
Первые попытки изучить эту часть окружающего мира были предприняты еще древними греками, но те не могли зайти в своих умозаключениях слишком далеко, так как не обладали необходимой технической базой. Они не видели границы разных слоев, не могли измерить их температуру, изучить компонентный состав и т. д.
В основном только погодные явления наталкивали самые прогрессивные умы на размышления о том, что видимое небо не такое простое, как кажется.
Считается, что структура современной газовой оболочки вокруг Земли образовалась в три этапа. Сначала была первичная атмосфера из водорода и гелия, захваченных из космического пространства.
Потом извержение вулканов наполнило воздух массой других частиц, и возникла вторичная атмосфера. После прохождения всех основных химических реакций и процессов релаксации частиц, возникла нынешняя ситуация.
Слои атмосферы по порядку от поверхности земли и их характеристика
Структура газовой оболочки планеты достаточно сложная и многообразная. Рассмотрим ее более подробно, постепенно дойдя на самых верхних уровней.
Тропосфера
Если не считать пограничный слой, тропосфера представляет собой самый нижний слой атмосферы. Простирается она на высоту приблизительно 8-10 км над поверхностью земли в полярных регионах, на 10-12 км в умеренном климате, а в тропических частях – на 16-18 километров.
Интересный факт: это расстояние может меняться в зависимости от времени года – зимой оно несколько меньше, нежели летом.
Воздух тропосферы содержит в себе основную живительную силу для всего живого на земле. Здесь содержится около 80% от всего имеющегося атмосферного воздуха, более 90% водяного пара, именно здесь образуются облака, циклоны и прочие атмосферные явления.
Интересно отметить постепенное снижение температуры при поднятии от поверхности планеты. Ученые подсчитали, что на каждые 100 м высоты температура убывает примерно на 0,6-0,7 градусов.
Стратосфера
Следующий важнейший слой – стратосфера. Высота стратосферы составляет примерно 45-50 километров. Начинается она с 11 км и здесь уже преобладают отрицательные температуры, достигая целых -57°С.
Чем важен этот слой для человека, всех животных и растений? Именно здесь, на высоте 20-25 километров, находится озоновый слой – он задерживает ультрафиолетовые лучи, исходящие от солнца, и уменьшает их разрушительное воздействие на флору и фауну до приемлемого значения.
Очень интересно отметить, что стратосфера поглощает многие типы излучения, которые идут на землю от солнца, других звезд и космического пространства. Полученная энергия от этих частиц идет на ионизацию находящихся здесь молекул и атомов, появляются различные химические соединения.
Все это приводит к такому известному и красочному явлению, как северное сияние.
Мезосфера
Мезосфера начинается примерно с 50 и простирается до 90 километров. Градиент, или перепад температуры с изменением высоты, здесь уже не столь большой, как в нижних слоях. В верхних границах данной оболочки температура равна около -80°С. Состав этой области включает в себя примерно 80% азота, а также 20% кислорода.
Важно отметить, что мезосфера – своего рода мертвая зона для любых летательных устройств. Самолеты не могут здесь летать, так как воздух чрезмерно разрежен, спутники же на такой низкой высоте не летают, так как для них имеющаяся плотность воздуха очень большая.
Еще одна интересная характеристика мезосферы – именно здесь сгорают налетающие на планету метеориты. Изучение таких отдаленных от земли слоев происходит с помощью специальных ракет, но эффективность процесса невелика, поэтому изученность региона оставляет желать лучшего.
Термосфера
Сразу после рассмотренного слоя идет термосфера, высота в км которой простирается на целых 800 км. В некотором роде это уже почти открытый космос. Здесь наблюдается агрессивное воздействие космического излучения, радиации, солнечного излучения.
Все это порождает такое замечательное и красивое явление, как полярное сияние.
Самый низкий слой термосферы нагревается до температуры примерно 200 К и больше. Происходит это благодаря элементарным процессам между атомами и молекулами, их рекомбинацией и излучения.
Верхние слои же нагреваются благодаря протекающим здесь магнитным бурям, электрическим токам, которые при этом генерируются. Температура слоя неравномерна и может очень существенно колебаться.
В термосфере происходит полет большинства искусственных спутников, баллистических тел, пилотируемых станций и т.д. Также здесь производятся испытания запусков разного рода оружия, ракет.
Экзосфера
Экзосфера, или как она еще называется сфера рассеяния, — это самый верхний уровень нашей атмосферы, ее предел, за которым следует межпланетное космическое пространство. Начинается экзосфера с высоты примерно в 800-1000 километров.
Плотные слои остались позади и здесь воздух предельно разрежен, любые попавшие со стороны частицы просто уносятся в космос в силу очень слабого действия силы гравитации.
Заканчивается данная оболочка на высоте приблизительно 3000-3500 км , и здесь уже почти нет никаких частиц. Данная зона называется ближнекосмическим вакуумом. Здесь преобладают не отдельные частицы в своем обычном состоянии, а плазма, чаще всего полностью ионизированная.
Значение атмосферы в жизни Земли
Вот так выглядят все основные уровни устройства атмосферы нашей планеты. Подробная ее схема может включать и другие регионы, но они имеют уже второстепенное значение.
Важно отметить, что атмосфера играет для жизни на Земле решающую роль. Много озона в ее стратосфере позволяют флоре и фауне спасаться от убийственного действия радиации и излучения из космоса.
Также именно здесь формируется погода, происходят все атмосферные явления, зарождаются и умирают циклоны, ветры, устанавливается то или иное давление. Все это имеет прямое воздействие на состояние человека, всех живых организмов и растений.
Ближайший слой, тропосфера, дает нам возможность дышать, насыщает кислородом все живое и позволяет ему жить. Даже небольшие отклонения в структуре и компонентном составе атмосферы способны самым пагубным образом повлиять на все живое.
Именно поэтому сейчас развернулась такая кампания против вредных выбросов от авто и производства, экологи бьют тревогу по поводу толщины озонного шара, партия Зелёных и ей подобные ратуют за максимальное сохранение природы. Только так можно продлить нормальную жизнь на земле и не сделать ее невыносимой в климатическом плане.
СТРАТОСФЕРА . Земная атмосфера делится на ряд слоев, отличающихся между собой по своему физическому состоянию. Важнейшими слоями являются: нижний слой - тропосфера, характеризующийся процессом перемешивания воздушных масс и как следствие понижением температуры с высотой. Высота, до которой развивается слой тропосферы, зависит от интенсивности тех факторов, которые вызывают процессы перемешивания: солнечного нагревания, механического влияния земной поверхности и пр. Выше слоя тропосферы находится слой, в котором процессы перемешивания отсутствуют или играют ничтожную роль. Принято обычно называть атмосферу, находящуюся выше слоя тропосферы, стратосферой , что означает зону, характеризующуюся слоистым строением. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой . Стратосфера отличается от тропосферы, прежде всего отсутствием всех эффектов процессов перемешивания, которые свойственны тропосфере: понижения температуры, облачных образований и пр. Вместе с этим в стратосфере частично вследствие низких ее температур, частично вследствие отсутствия притока от земной поверхности водяные пары находятся в совершенно ничтожном количестве. В таблице приведены значения температур, давления и удельного веса воздуха на различных высотах до 40 км по данным наблюдений европейских станций.
Те же данные приведены графически на фиг. 1.
Из хода температуры видно, что в летнее время стратосфера (слой, где температура перестает понижаться) начинается на высоте 12 км, а зимой - на высоте 11 км. Однако приведенные числа характеризуют только среднее распределение над Европой. Многочисленные зондировки в различных частях земного шара дали в настоящее время полную картину температурного строения стратосферы. На фиг. 2 приведена схема этого распределения по широтам по Раманатану.
Ход температур с высотой приведен по Раманатану на фиг. 3, и там можно видеть, что на экваторе, где высота стратосферы наибольшая и где достигаются наиболее низкие температуры (до -90°С), ход температуры в слое стратосферы характеризуется резким повышением температуры с высотой. В районах, более удаленных от экватора, возрастание температуры с высотой оказывается менее заметным.
Однако данные радиозондовых подъемов в полярных районах заставляют признать, что и здесь в стратосфере происходит довольно резко выраженное повышение температуры с высотой, как это видно на фиг. 3, дающей распределение температуры по радиозондам, выпущенным автором с цеппелина в 1931 г.
На фиг. 4 приведена схема распределения температур в зимнее и летнее время, предложенная в последнее время (январь 1934 г.) Пальменом.
Особенности этой схемы, полученной Пальменом на основании данных зондировок в Абиско (Сев. Швеция 68°21") и по данным подъемов радиозондов автора с цеппелина, следующие. В летнее время температуры стратосферы резко повышаются по мере перехода на север. В то время как над экватором на высоте 17 км мы имеем температуры, близкие к -80°С, над полярными районами на той же высоте температуры приближаются к -35°С. Самый ход температуры (падение температуры на 111 км в направлении наибольшего понижения температуры) в полярных районах хорошо характеризуется данными подъемов радиозондов с цеппелина, очень близко совпавшими с данными подъемов простых зондов в Абиско (фиг. 5).
В зимнее время картина распределения температуры в стратосфере и над различными широтами отличается от летней в том отношении, что горизонтальный градиент температуры (падение температуры на 111 км в направлении наибольшего ее понижения), имеющий очень большое значение и направленный к экватору в летнее время, в зимнее оказывается значительно меньше, т. к. температура в стратосфере и над полюсами очень низки. По Пальмену в самых северных широтах (севернее 55°) в стратосфере так же, как и в тропосфере, градиент температуры по горизонтали направлен на стратосферу.
Ниже приведены данные о повторяемости высот с минимальной температурой воздуха (конец тропосферы и начало тропопаузы) по наблюдениям Института аэрологии в Слуцке (близ Ленинграда) за 1934 -1935 гг.
Из данных видно, что в то время как на высотах от 9 до 11 км мы имеем больше 50% всех случаев начала тропопаузы, на высотах ниже 1 км повторяемость начала тропопаузы сводится к нулю. Ниже приведены повторяемости в % различных значений минимальных температур для того же пункта:
Из данных видно, что в стратосфере чаще всего встречаются температуры от -45 до -55°С (более 50% всех случаев), в то время как температуры ниже -70 и выше -35°С встречаются как исключение. Сравнительное постоянство температур с высотой в стратосфере наводит естественно на мысль, что здесь мы имеем дело с т. н. лучистым равновесием, при котором каждая воздушная частичка излучает за данный промежуток времени такое же количество энергии, как и получает. Теории лучистого равновесия развивались Гемфри, Эмденом, Гольдом и Хергезеллем. В последнее время этим вопросом занимались Мюгге, Симпсон и Альбрехт. Альбрехт развил теорию лучистого равновесия, рассматривая отдельные части спектра водяного пара. Он пришел к заключению, что тепловое излучение нижних слоев атмосферы, так же как и земной поверхности, имеет очень малое значение для состояния стратосферы и что в верхних слоях атмосферы должен находиться слой с повышенной степенью излучения, под влиянием которого создается резкая граница между слоем тропосферы и стратосферы и в котором содержание водяного пара составляет величину, промежуточную между 0,015 и 0,15 мм. На фиг. 2 высота этого слоя показана в виде заштрихованной полосы. Понижение температуры этого слоя по мнению Альбрехта и ведет к общему понижению температуры в тропосфере по мере поднятия. Приведенное объяснение не может быть, однако, полностью принято. Действительно, уже сам Альбрехт отмечает несоответствие своих рассуждений с тем явлением, что рассматриваемый им слой находится в непосредственной близости к стратосфере только под широтами, большими 50°. С другой стороны, эта теория не может объяснить значительных понижений температуры над экватором. По-видимому теория Альбрехта может служить только для объяснения того увеличенного понижения температуры, сказывающегося на увеличении вертикальных градиентов температуры, которые наблюдаются в верхних слоях тропосферы и не м. б. объяснены другими соображениями. Во всяком случае, пониженная температура стратосферы определяется незначительным поглощением тепловой энергии солнечных лучей воздухом стратосферы.
Внешняя картина распределения температуры в слое стратосферы бывает различной. Шмаусс различает 4 типа такого распределения. Нормальный тип характеризуется сменой падения температуры в тропосфере, б. или м. изотермическим слоем в стратосфере, температура которого до значительных высот остается постоянной. Второй тип отличается от первого тем, что тропосфера отделяется от изотермического слоя стратосферы б. или м. резко выраженной инверсией. Возможно, что возникновение слоя инверсии связано с усиленной конвекцией в тропосфере или, как можно думать, следуя рассуждениям Альбрехта, в результате интенсивного излучения эффективного слоя с содержанием водяных паров 0,015- 0,15 мм. В третьем типе ход температуры в стратосфере имеет вид слабо выраженной инверсии, т. е. постепенного повышения температуры с высотой. Наконец четвертый, сравнительно редко встречающийся тип распределения температуры в стратосфере характеризуется отсутствием резко выраженного слоя перехода от тропосферы к стратосфере, как это имеет место в других типах. Вместо этого переход проявляется в виде замедленного понижения температуры с высотой, переходящего постепенно в изотермию. Пальмен, подробно рассматривавший различные случаи распределения температуры в стратосфере, пришел к мысли о выделении следующих трех основных типов (фиг. 6).
В первом случае (кривая I) понижение температуры тропосферы переходит в изотермию, остающуюся на всех высотах стратосферы. Этот тип он считает «нормальным» типом. Во втором типе (кривая II Пальмена) температура при вступлении в стратосферу резко повышается, достигает максимального значения на расстоянии нескольких км и выше начинает снова понижаться. Этот тип Пальмен считает характерным для циклонального режима. Наконец третий тип (кривая III) - антициклональный - характеризуется тем, что температура в стратосфере повышается на всех высотах, хотя и с различной скоростью. При этом, по мнению Пальмена, циклональный тип имеет в стратосфере температуру выше нормальных, антициклональный - ниже нормальных. Т. о. температура в обоих этих типах с высотой как бы стремится к приближению к нормальным значениям.
При изучении атмосферных процессов тропосферы естественно возникает мысль о той роли, которую может играть в этих процессах стратосфера. Является ли этот слой совершенно мертвым слоем, не имеющим значения для жизни тропосферы, или, наоборот, происходящие в нем процессы диктуют направление и характер развития процессов в тропосфере. В настоящее время можно указать на две основные школы аэрологии, придерживающиеся совершенно противоположных взглядов. Первая школа (проф. фон Фиккер) приписывает стратосферным процессам если не доминирующее, то во всяком случае руководящее значение в развитии атмосферных процессов тропосферы. Роль стратосферы по воззрениям этой школы хорошо выражается словами Н. Шоу, что динамика атмосферы определяется верхними слоями, в то время как чисто физические процессы, связанные с конденсацией, образованием облаков и пр., развертываются в тропосфере. Происхождение первичных волн в стратосфере может быть связано как с термическими, так и чисто динамическими причинами. Термические причины связаны с приходом теплых или холодных воздушных масс, перемещающихся по горизонтали. Т. о. по мнению этой школы в стратосфере мы можем иметь теплые пли холодные волны по образцу тех, которые развиваются в тропосфере в области полярного фронта. Совершенно иных взглядов придерживается норвежская школа. Взгляды последней развивались Бержероном, Бьеркнесом, Пальменом и др. Эти авторы дали детальный разбор явлений в стратосфере на основании фактического материала по данным зондовых и радиозондовых подъемов. Норвежская школа также принимает, что в стратосфере развиваются температурные волны, но про вхождение их она целиком связывает с процессами в тропосфере. Пальмен и Бьеркнес различают два основных фактора, могущих вызвать соответствующие колебания температуры в стратосфере. Первый фактор определяется термически-адвективными процессами, при которых в тропосфере развивается приток теплых или холодных масс. Особенно детально исследовал Пальмен явления, происходящие в полярном фронте. На основе фактического материала температурного зондирования Пальмен дал картину распределения температуры в полярном и тропическом воздухе. Полярные массы характеризуются пониженными температурами в тропосфере и повышенными температурами в стратосфере. Тропопауза в полярных массах оказывается значительно ниже, чем в тропических массах. В отдельных случаях Пальмен констатировал опускание тропопаузы до 5 км. Наоборот, в тропических массах тропопауза находится на повышенном уровне, температуры в нижних слоях повышены, в стратосфере - понижены. Из сравнения данных для тропических и полярных масс выясняется, что наибольшая разность температуp наблюдается на высоте 4-7 км и на высоте 11-13 км, причем эти разности температур имеют противоположный знак. Отсюда Пальмен приходит к выводу, что достаточно сильные вхождения теплых и холодных масс, происходящие в тропосфере, получают свое отражение и в стратосфере. При этом вторичная стратосферная волна смещена фазами, и в начальный момент развития волны в тропосфере связанная с ней волна получает противоположный знак. При этом Пальмен приходит к важному для норвежской теории заключению, что поверхность раздела между полярными и тропическими массами, как это и принималось в первоначальной теории Бьеркнеса, доходит до тропосферы, а не ограничивается слоем в 4-5 км. Наиболее ясно выражена поверхность раздела на средних высотах. Однако, как отмечают и сам Пальмен и представители немецкой школы, в настоящее время трудно утверждать, чья точка зрения может считаться окончательно победившей. Совершенно несомненно, что только детальные исследования атмосферы, имеющие целевое назначение, могут дать материал для окончательного суждения в этом вопросе.
Здесь следует остановиться на некоторых обстоятельствах, могущих дать указания на особенности развития атмосферных процессов. Прежде всего, необходимо поставить вопрос о том, в каком из этих слоев мы имеем непосредственный приток энергии, могущий вызвать те или иные динамические процессы. Под этим притоком энергии необходимо подразумевать неоднородный поток, создающий неравномерное нагревание или охлаждение. Очевидно, что наличие неравномерно нагревающейся земной поверхности, неравномерное распределение доходящей до земли солнечной энергии и пр. делают тропосферу несомненным очагом неравномерно поступающей энергии. В стратосфере наблюдается, с одной стороны, совершенно равномерная солнечная инсоляция, т. к. наклон солнечных лучей практического значения для интенсивности приходящей к данному участку солнечной энергии не имеет; с другой стороны, здесь совершенно отсутствуют облака, пылевые частички и пр. Первоисточник т. о. всякого рода динамических возбуждений - неравномерно поступающая энергия - здесь отсутствует. Кроме того несомненно, что в стратосфере мы встречаемся с наличием резких колебаний температур, констатируемых как по зондам за границей, так и зондажом при помощи ежедневных исследований радиозондами у нас. Приходится поэтому признать, что происхождение этих колебаний м. б. связано, как думает Пальмен, только с процессами, развивающимися в глубинах тропосферы. Стратосфера представляет собой слой, отзывающийся на соответствующих процессах в тропосфере. Противоположность фаз тропосферных волн, отмеченная Пальменом, позволяет думать, что роль стратосферы в этих случаях заключается в противодействии развитию резких колебаний в тропосфере, связанному с поглощением некоторого количества энергии тропосферных процессов. Но с другой стороны, стратосферные волны, будучи созданы, не могут не отразиться на развитии тропосферных процессов. Можно также предполагать, что, раз возникнув, стратосферные возмущения могут оторваться от соответствующего им первичного процесса в тропосфере и получить самостоятельную активную роль. Совершенно очевидно, что интерференция стратосферных и тропосферных возмущений играет громадную роль в развитии явлений погоды. Т. о. роль стратосферы в развитии и в некоторых случаях даже возникновения тропосферных возмущений того же порядка несомненна. При этом можно предполагать, что эта роль имеет стабилизирующий эффект, поглощая часть энергии, развиваемой тропосферными возмущениями. Вследствие изотермического распределения температурный слой стратосферы должен оказывать чрезвычайно сильное сопротивление колебаниям воздушных масс по вертикали, возникающим при прохождении теплых или холодных волн. Т. о. слой стратосферы представляет собой как бы эластичный слой, демпфирующий колебания нижнего слоя. Автор неоднократно указывал на проявление в атмосферных процессах своеобразного принципа стабилизации, заключающегося в том, что развитие атмосферных процессов под действием какого-либо нарушающего нормальное состояние атмосферы фактора происходит в таком направлении, при котором действие указанного фактора или ослабляется или совершенно исчезает. Сказанное выше относительно роли стратосферы позволяет думать, что и здесь мы имеем своеобразное проявление закона стабилизации атмосферных процессов. Естественно, что для правильного понимания происходящих в тропосфере явлений совершенно необходимо иметь подробные данные, характеризующие состояние стратосферы. В особенности важны для составления анализа распределение температуры и влажности до слоя тропопаузы и в самом слое тропопаузы, т. к. высота тропопаузы и ее строение оказываются чрезвычайно характерными для происходящих в тропосфере процессов.
Стратосфера представляет интерес не только с точки зрения ее роли в процессах, создающих погоду в тропосфере. В связи с тем, что в тропосфере наличие облаков, осадков и пр. нередко создает непреодолимые препятствия для совершения полета, в особенности на дальние расстояния, существует стремление освоить стратосферу как зону дальних перелетов. В этом отношении стратосфера имеет ряд преимуществ перед тропосферой. Помимо отсутствия облаков и совершенного исключения возможности оледенения в стратосфере следует ожидать, что воздушные течения отличаются исключительной правильностью в отличие от сильно завихренных течений тропосферы. Что касается скорости движения воздушных масс, то наблюдения показывают, что в большинстве случаев здесь отмечается некоторое замедление скорости. Однако не следует думать, что стратосфере свойственны штили. Наиболее обычной скоростью для стратосферы является скорость 10-20 м/сек. В отдельных случаях, в особенности в зимнее время, здесь отмечаются скорости до 30-35 м/сек (более 100 км/ч). Наконец стратосфера привлекает внимание современной физики, так как именно здесь развертывается наиболее эффективное действие таинственных космических лучей, природа которых продолжает оставаться невыясненной до сих пор.
Резюмируя сказанное выше, мы можем отметить, что тщательное изучение явлений в стратосфере, в частности в ее нижних слоях 10-20 км, представляет, несомненно, одну из важнейших задач современной аэрологии как для целей завоевания этой зоны для воздушного транспорта, так и для выяснения ряда вопросов теоретической аэрологии и теоретической физики. Приведенные выше данные относятся к тем слоям стратосферы, которые были исследованы методами непосредственного зондирования при помощи самопишущих или радиопередающих приборов. Другими методами (звукометрическим, посредством определения загорания и потухания метеоров, определения переходных моментов затухания и пр.) в настоящее время доказано, что с высоты примерно 40 км находится слой, в котором температура с высотой резко повышается, доходя на высоте 50-60 км до значений +60°С и более. Вопрос о составе воздуха в стратосфере для нижних слоев последней в настоящее время можно считать решенным в результате измерений, произведенных при поднятии стратостата «СССР-1» в 1933 г. Именно исследование проб воздуха, забранных при этом полете, показало, что на высоте 18500 м содержание кислорода составляло 20,95%, т. е. величину, чрезвычайно (в пределах точности измерений) близкую к содержанию кислорода у земной поверхности. Об изменении состава воздуха в слоях выше 19000 м пока не имеется достоверных сведений. По-видимому, надо предполагать, что вследствие большого удельного веса кислорода, а также вследствие несомненного отсутствия в верхних слоях конвективного перемешивания содержание кислорода с высотой должно постепенно убывать. Дальнейшие измерения могут внести ясность в этот вопрос. Весьма важным теоретически и практически оказывается содержание озона в воздухе. Последние исследования Регенера (Штуттгарт) показали, что весь атмосферный озон находится в слое до 28 км, причем главная масса озона сосредоточивается в слое 12-28 км. Известно, что озон оказывает вредное влияние на резину. Соответственно этому Регенер рекомендует давать шарам-зондам возможно большую скорость поднятия с тем, чтобы действие озона на оболочку было по возможности кратковременным.
Методы исследования стратосферы . Практически для исследования стратосферы применимы различные способы. Исследование стратосферы шарами-зондами заключается в том, что к небольшому шару подвешивают особый прибор, автоматически записывающий при поднятии в атмосфере состояние температуры, давления и влажности. После достижения максимальной высоты и разрыва оболочки шара прибор опускается вниз или на специальном парашюте или на дополнительном шаре, раздутом в меньшей степени, чем главный шар. Очевидно, что данный способ совершенно неприменим для мало обитаемых пространств. Поэтому автор предложил в 1923 г. и к 1930 г. разработал и применил новый метод - радиозонда , заключающийся в том, что прибор особой конструкции снабжается специальным передатчиком и во время полета передает вниз данные о состоянии метеорологических элементов. Наибольшая достигнутая таким методом высота составила 29600 м (Институт аэрологии). Для шаров-зондов наибольшая высота поднятия составляет 36000 м (Германия). Для получения данных о распределении температуры в высоких слоях атмосферы и в том числе в стратосфере подъемы шаров-зондов и радиозондов совершаются в настоящее время по особой программе в т. наз. «международные дни» по всему миру. В СССР исследования стратосферы производятся ежедневно в ряде пунктов: Слуцке, Москве, Киеве, Севастополе, Тифлисе и пр. В Институте аэрологии в Слуцке (близ Ленинграда) методом радиозонда исследования производятся ежедневно два раза (днем и ночью). Непосредственные исследования стратосферы оказались возможными благодаря применению стратостата, представляющего воздушный шар большого объема с герметичной гондолой. Идея таких аэростатов принадлежит Д. И. Менделееву, предложившему ее еще в 1875 г. Первое поднятие на стратостате было совершено проф. Пиккаром (Бельгия). В СССР были совершены три полета: «СССР-1» - в 1933 г., «Осоавиахим-1» - 30 января 1934 г. и «СССР-1 bis» 24/VI 1935 г. В том же году американский стратостат «Эксплорер-2» поднялся на высоту 22040 м. Основным затруднением для достижения больших высот в стратосфере является низкое давление этих слоев. Убывание удельного веса воздуха, соответствующее этому давлению, чрезвычайно уменьшает подъемную силу шара. Необходимо поэтому иметь шары громадных размеров, чтобы они могли сохранять достаточную подъемную силу на больших высотах. Например, для поднятия на высоту 20-22 км необходимо иметь оболочку не менее 20-25 тыс. м 3 . Для поднятия на высоту 30 км объем оболочки должен превышать (для самой легкой материи оболочки) 100-150 тыс. м 3 и т. д. Значительно проще достигаются большие высоты применением эластичных резиновых оболочек, могущих увеличивать свой объем до чрезвычайно больших размеров. Например, шар, имевший у земли объем в 4,2 м 3 , увеличил на высоте 30 км свой объем до 366 м 3 , растянув свою оболочку от толщины в 0,3 мм до 0,0088 мм. Можно думать, что достижение больших высот (больше 30 км) возможно вообще только для резиновых оболочек. Исследование слоев выше 35-40 км производится звукометрическим методом, основанным на исследовании распределения слышимости взрывов у земной поверхности на различных расстояниях по всем направлениям от места взрыва. Принцип этих исследований основан на том, что звуковая волна, распространяясь вверх, отражается от слоя на высоте 35-40 км и возвращается на землю, образуя зоны аномальной слышимости звука на больших расстояниях. Для исследования еще больших высот - 80-100 км - применяются исследования распространения электромагнитных волн, отражающихся от слоя на высоте 100 км, носящего название слоя Хивисайда и обладающего большими значениями электрической проводимости. Наконец для исследования стратосферы в слоях выше 40 км применяются оптические исследования хода сумерек, высоты загорания и потухания метеоров и спектра северного сияния. Последние исследования дают нам данные о структуре и составе самых высоких слоев атмосферы.
Земная атмосфера являет собой газовою оболочку планеты. Нижняя граница атмосферы проходит возле поверхности земли (гидросфера и земная кора), а верхняя граница является область соприкасающеюся космического пространства (122 км). В себе атмосфера содержит много разных элементов. Основные из них: 78% азот, 20% кислород, 1% аргон, углекислый газ, галий неона, водород и тд. Интересные факты можно посмотреть в конце статьи или перейдя по .
Атмосфера имеет четко выраженные слои воздуха. Слои воздуха отличаются между собой температурой, разностью газов и их плотностью и . Нужно отметить, что слои стратосфера и тропосфера защищают Землю от солнечной радиации. В высших слоях живой организм может получить смертельную дозу ультрафиолетового солнечного спектра. Для быстрого перехода к нужному слою атмосферы, нажмите на соответствующий слой:
Тропосфера и тропопауза
Тропосфера — температура, давление, высота
Верхняя граница держится на отметке 8 — 10 км примерно. В умеренных широтах 16 — 18 км, а в полярных 10 — 12 км. Тропосфера — это нижний главный слой атмосферы. В этом слое находится более 80% всей массы атмосферного воздуха и близко 90% всей водяной пары. Именно в тропосфере возникают конвекция и турбулентность, образуются , происходят циклоны. Температура понижается с ростом высоты. Градиент: 0,65 °/100 м. Нагретая земля и вода нагревают прилагающий воздух. Нагретый воздух поднимается в верх, охлаждается и образует облака. Температура в верхних границах слоя может достигать — 50/70 °C.
Именно в этом слое происходят изменения климатических погодных условий. В нижнюю границу тропосферы называют приземным , так как он имеет много летучих микроорганизмов и пыли. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты в этом слое.
Тропопауза
Это переходной слой тропосферы к стратосфере. Здесь прекращается зависимость снижения температуры с повышением высоты. Тропопауза — минимальная высота, где вертикальный градиент температуры падает до 0,2°C/100 м. Высота тропопаузы зависит от сильных климатических проявлений, таких как циклоны. Над циклонами высота тропопаузы понижается, а над антициклонами повышается.
Стратосфера и Стратопауза
Высота слоя стратосферы примерно от 11 до 50 км. Присутствует незначительное изменение температуры на высоте 11 — 25 км. На высоте 25 — 40 км наблюдается инверсия температуры, от 56,5 поднимается до 0,8°C. От 40 км до 55 температура держится на отметке 0°C. Эту область называют — Стратопаузой .
В Стратосфере наблюдают воздействие солнечной радиации на молекулы газа, они диссоциируют на атомы. В этом слое нету почти водяного пара. Современные сверхзвуковые коммерческие самолёты летают на высоте до 20 км из-за стабильных полетных условий. Высотные метеозонды поднимаются на высоту 40 км. Здесь присутствуют устойчивые воздушные течения, скорость их достигает 300 км/ч. Также в этом слое сосредоточен озон , слой который поглощает ультрафиолетовые лучи.
Мезосфера и Мезопауза — состав, реакции, температура
Слой мезосферы начинается примерно на высоте 50 км и заканчивается на отметке 80 — 90 км. Температуры понижается с повышением высоты примерно 0,25-0,3°C/100 м. Основным энергетическим действием здесь является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов (имеет 1 или 2 непарных электронная) т.к. они реализуют свечение атмосферы.
Почти все метеоры сгорают в мезосфере. Ученые назвали эту зону — Игноросферой . Эту зону тяжело исследовать, так как аэродинамическая авиация здесь очень плохая из-за плотности воздуха, которая здесь в 1000 раз меньше чем на Земле. А для запуска искусственных спутников плотность еще очень высокая. Исследования проводят с помощью метеорологических ракет, но это извращенность. Мезопауза переходной слой между мезосферой и термосферой. Имеет температуру минимум -90°C.
Линия Кармана
Линию кармана называют границей между атмосферой Земли и космосом. Согласно международной авиационной федерацией (ФАИ) высота этой границы — 100 км. Такое определения дали в честь американского ученого Теодора Фон Кармана. Он определил, что примерно на этой высоте плотность атмосферы настолько мала, что аэродинамическая авиация здесь становится невозможная, так как скорость летательного устройства должна быть большей первой космической скорости . На такой высоте теряет смысл понятие звуковой барьер. Здесь управлять летательным аппаратом можно лишь за счет реактивных сил.
Термосфера и Термопауза
Верхняя граница этого слоя примерно 800 км. Температура растёт примерно до высоты 300 км где достигает порядка 1500 К. Выше температура остается неизменной. В этом слое происходит полярное сияние — происходит в следствии воздействия солнечной радиации на воздуха. Также этот процесс называют ионизацией атмосферного кислорода.
Из-за малой разряженности воздуха полёты выше линии Кармана реализуемы только по баллистических траекториях. Все пилотируемые орбитальные полеты (кроме полетов на Луну) происходят в этом слое атмосферы.
Экзосфера — плотность, температура, высота
Высота экзосферы выше 700 км. Здесь газ сильно разрежён,и происходит процесс диссипации — утечка частиц в межпланетное пространство. Скорость таких частиц может достигать 11,2 км/сек. Рост солнечной активности приводит к расширению толщины этого слоя.
- Газовая оболочка не улетает в космос из-за земного притяжения. Воздух состоит из частиц, которые имеют свою массу. Из закона тяготения можно вынести то, что каждый объект обладающий массой притягивается к Земли.
- Закон Буйс-Баллота гласит, что если находиться в Северном полушарии и встать спиной к ветру, то справа будет располагаться зона высокого давления, а слева - низкого. В Южном же полушарии все будет наоборот.
