СОСТАВ АТМОСФЕРЫ

Газ		Содержание в сухом воздухе, %
N2	азот	78,08
в2	кислород	20,95
Аг	аргон	0,93
С02	углекислый газ	0,03
Ne	неон	0,0018
Не	гелий	0,0005
Кг	криптон	0,0001
н2	водород	0,00005
X	ксенон	0,000009

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами есть самые легкие газы - водород и гелий.

Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижнем слое (30 км), то изменения состава воздуха на высотах свыше 100 км заметно не влияют на общий состав атмосферы.

Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступает на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардный часть энергии, излучаемая им, - главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между энергией, получаемой от Солнца, нагревом Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, что излучается в пространство. Механизм этого равновесия достаточно сложный. Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть радиации отражают облака.

Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку относительно стекло непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом. Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или растет прозрачность воздушной массы, температура неизбежно снижается по мере того, как поверхность Земли излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, которая поднимает много энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла.

Почти половина солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы. Таким образом, в результате парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Кроме общего нагрев атмосферы солнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальная. По мере увеличения расстояния между молекулами газа способны безгранично расширяться, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли.

Этот барьер непроницаемый, поскольку газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а есть только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая с стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступления вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, наделены высокой энергией, или захватывается магнитосферой, или отталкивается ней.

На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это максимальное сжатие у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздух здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатие воздуха зависит от массы столба воздуха, который находится выше, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе этого столба воздуха, приходится на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, итак, с высотой также снижается. Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с постоянным составом, что не зависит от высоты, с неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление падало бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера немного отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а потом давление с высотой начинает уменьшаться медленнее, поскольку меняется состав воздуха. Небольшие изменения в эту модель вносит и уменьшение силы тяжести с удалением от центра Земли; это уменьшение вблизи земной поверхности равна примерно 3% на каждые 100 км высоты. В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Она убывает примерно до высоты 10 км, а затем снова начинает расти. Это происходит при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (0₃). Он также поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называется озоносферою, нагревается. Выше температура снова снижается, поскольку там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии.

В еще более высоких слоях температура снова повышается вследствие поглощения атмосферой коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под влиянием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, то есть молекула газа теряет электрон и получает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличии свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства електропровідника.

Считают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000° к 10 000 °С. На основе среднего распределения температур была разработана схема строения идеальной «средней атмосферы».

Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т. н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - ок. 10 км) и времени года. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается примерно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, где и остается до марта, чувствуя колебания в пределах 0,5 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека.

Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, которые состоят из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней части тропосферы существуют сильные воздушные течения определенного направления. Турбулентные вихри образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущейся воздушной массой. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».

Стратосфера. Слой атмосферы, который находится выше, часто ошибочно описывают как слой с относительно постоянными температурами, где ветры дуют более-менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко можно сопоставить с температурой приземного слоя воздуха. В стратосфере происходят турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, здесь отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струмінними течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Струмінні течения проникают в тропопаузу и наблюдаются в верхних слоях тропосферы, но их скорость с понижением высоты уменьшается. Вероятно, часть энергии, которая поступает в стратосферу, влияет на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где большие потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферне воздуха привлекалось до нижних слоев стратосферы.

Мезосфера, расположенная выше стратосферу, представляет собой оболон ку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до - 110 °С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Канаде. Верхняя граница мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагревом и ионизацией газа. В полярных регионах летом в мезопаузі часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительный вертикальный развитие. Такие облака, светящиеся по ночам, часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере.

Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м³ воздуха содержится ок. 2,5∙10²⁵ молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, примерно 10¹⁹ на высоте 200 км, в ионосфере, - 5∙10¹⁵ и, по расчетам, на высоте ок. 850 км - примерно 10¹² молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10⁸- 10⁹ на 1 м³. На высоте бл. 100 км количество молекул невелика, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает молекула, которая хаотично движется, до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на грани между термосферою и оболочкой, что находится выше (то есть екзосферою) и называется термопаузою.

Термопауза находится от земной поверхности примерно на 650 км. При определенной температуры скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы двигаются быстрее, чем тяжелые. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярной весом, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под влиянием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому с удалением от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, примерно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы - гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Екзосферою называется внешний слой атмосферы, выделяемая на основе изменения температур и свойств нейтрального газа. Молеку лы и атомы в экзосферу вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под влиянием сил тяготения. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и рассеиваются в космическом просторные.