Вопросы для проверки знаний. Упражнения

1. Что такое атмосферное давление?

2. Напишите уравнение барометрического давления.

3. Докажите, что с изменением влажности воздуха будет меняться атмосферное давление.

§ 3. Структура атмосферы

Структура атмосферы и среднесуточное изменение её температуры. представлена на рис. 3.

По вертикали атмосфера имеет слоистое строение, определяющееся в первую очередь характером изменения температуры.

Тропосфера – нижний слой атмосферы, который простирается от поверхности планеты до высоты 8 – 10 км в полярных и средних широтах и

до 16 – 18 км в тропиках. В тропосфере развиваются все погодообразующие процессы, происходит тепло- и влагообмен между Землей и атмосферой, образуются облака, туманы, выпадают осадки, происходят электрические и оптические явления.

В слое у поверхности Земли на высоте 1 – 1,5 км скорость движения воздуха ослаблена трением о земную поверхность. В этом слое идет интенсивный обмен кинетической энергией движения и осуществляется мощный массоперенос воздуха.

600

h, км

Преобладающий компонент Н

550

Экзосфера

500

450

Преобладающий компонент Не

H⁺

400

Пребладающий компонент О

О⁺

Термосфера

Ионосфера

NО⁺

О₂⁺

Мезосфера

Преобладающие компоненты N_2, O₂, Ar, CO₂

Стратосфера

Тропосфера

0

200

400

600

800

1000 Т, К

50

100

150

200

250

300

350

 273

 73

+ 127

+ 327

+ 527

+ 727 ⁰С

Рис. 3. Структура атмосферы в соответствии с особенностями изменения среднесуточной температуры для низкого уровня солнечной активности

Возникают местные ветры, например, бризы.

Нижний слой толщиной около 50 м называют приземным слоем. В нем наблюдаются значительные вертикальные градиенты температур, скорости ветра и влажности.

Преобладающими газами в тропосфере являются азот, кислород, аргон и углекислый газ. Присутствуют водяные пары.

Атмосфера прозрачна для солнечного излучения и поглощает солнечную энергию в небольших количествах, поэтому основным источником тепла в тропосфере является инфракрасное излучение поверхности Земли.

Тропопауза – это переходный слой от тропосферы к стратосфере. Температура и высота переходного слоя зависят от географической широты и

сезона. В тропиках высота слоя достигает 16 – 18 км, а в северных широтах 8 – 10 км. Поскольку внутри тропопаузы термодинамическая устойчивость очень велика, температура постоянна, тропопауза служит барьером вертикальному обмену воздуха.

Стратосфера – слой атмосферы между тропосферой и мезосферой, высота которого составляет от 8 – 18 км до 45 – 55 км. Газовый состав воздуха в стратосфере сходен с тропосферным, но здесь меньше водяного пара и больше озона. Наибольшее количество озона в слое от 20 до 30 км. С высотой температура в стратосфере растет. Над экватором и тропиками температура повышается от –70 ⁰С (–80 ⁰С) в нижней части стратосферы до 0 ⁰С в ее верхней части. В полярных и умеренных широтах температура соответственно повышается от –50 ⁰С (–60 ⁰С) до 0 ⁰С и поддерживается в основном солнечным излучением  энергией, поглощаемой молекулами воды, углекислого газа и озона. Например, нагревание воздуха связано с поглощением озоном энергии _I = h_i = hc/_i солнечной радиации:

О₃ + h_i = О₂ + О,

где _i – энергия фотона [Дж]; h – постоянная Планка [6,610^ Джс]; _I – частота электромагнитного излучения; с – скорость света в данной среде [м/с]; _i – длина волны [м].

Стратопауза – пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой на высоте 50 – 55 км над поверхностью Земли.

Мезосфера – слой атмосферы, расположенный между стратосферой и термосферой на высотах примерно от 50 до 80 – 90 км. Газовый состав мезосферы аналогичен составу газа в тропосфере. Температура в мезосфере понижается с высотой от 0 ⁰С в нижней части до – 70  –100 ⁰С вблизи мезопаузы – переходного слоя от мезосферы к термосфере.

Термосфера – слой атмосферы, расположенный над мезосферой. В этом слое поглощается ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и корпускулярное (поток протонов, электронов и нейтронов) излучение Солнца и Космоса. В нем тормозятся и сгорают метеоры. Нижняя граница термосферы – мезопауза - находится на высоте 80 – 90 км, а верхняя – на высоте 500 км. Солнечное излучение вызывает диссоциацию молекул кислорода в результате действия потока фотонов, поэтому в термосфере появляется атомарный кислород:

О₂ + h_i = О + О.

Для разрыва связи в молекулярном азоте требуются большие энергетические затраты. Образование заметных количеств атомарного азота наблюдается лишь на высоте выше 300 км над поверхностью Земли:

N₂ + h_i = N + N.

Диссоциация молекул под действием солнечного излучения сопровождается уменьшением молекулярной массы частиц воздуха: уменьшается доля молекул и увеличивается доля атомов. Появляются ионизированные частицы – атомы и молекулы:

О + h_i = О⁺ + е^,

О₂ + h_i = О₂⁺ + е^,

N₂ + h_i = N₂⁺ + е^.

Поглощение в термосфере энергии космических лучей (главным образом протонов), приводит к диссоциации молекул воздуха, ионизации атомов и молекул. Температура термосферы быстро растет с высотой и достигает 550 ⁰С на высоте 300 км.

Главным источником тепла в термосфере являются, вероятно, экзотермические реакции рекомбинации атомов. Например, тройное столкновение атомов кислорода:

О + О + О = О₂* + О*.

Продукты реакции (они обозначены звездочками) обладают высокой кинетической энергией. Термосфера передает энергию в форме теплоты более холодной мезосфере.

Экзосфера – внешний наиболее разряженный слой верхней атмосферы Земли, в котором длина свободного пробега частиц так велика, что они могут рассеиваться в межпланетное пространство, если их скорость превышает вторую космическую скорость (11 км/сек). Быстрее всего рассеиваются атомы водорода и гелия. Рассеяние атомов водорода и гелия компенсируется их поступлением из термосферы. Термокинетическая температура в верхней части экзосферы поднимается до 1200 ⁰С и выше.

По мере подъема температура воздуха в тропосфере убывает в среднем на 6 ⁰С на 1 км высоты. В расположенном над тропосферой переходном слое (тропопаузе) температура практически не меняется, а затем начинает повышаться в стратосфере, достигая ~ 0 ⁰С в стратопаузе.

На высотах 50 – 80 км вновь происходит понижение температуры в мезосфере. Затем температура снова возрастает. Состав сухого воздуха практически не меняется до высоты 100 км.

Особенность строения атмосферы состоит не только в характере её температурного режима и распределении газового состава.

Есть газы, которые играют решающую роль в поддержании теплового состояния атмосферы и защищают живые организмы от опасного ультрафиолетового излучения, хотя их доля в составе атмосферы ничтожно мала. К ним относятся углекислый газ, метан, озон и пары воды.