5.2. Атмосфера Земли, ее структура и химический состав

Атмосфера Земли представляет собой газовое образование, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечетко, так как с высотой газы разрежаются и переходят в мировое пространство постепенно.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает животный и растительный мир от вредного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы при прохождении через атмосферу рассеиваются, и лишь их ничтожная часть достигает поверхности Земли. Без атмосферы солнечные лучи раскаляли бы освещенную сторону Земли, на неосвещенной был бы ледяной холод, а наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов, вместе взятых, приходится всего лишь 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и др.

Так как эти газы имеют различную плотность, то они должны были бы разделиться на отдельные слои, но этому препятствуют непрерывное турбулентное, или хаотическое, движение воздуха и перемещение воздушных масс в виде ветра. Вследствие этого состав атмосферы до высот порядка 100 км существенно не меняется. Выше 110-120 км кислород встречается только в атомарном состоянии.

Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% ее сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое. С высотой количество влаги быстро уменьшается. Это связано с тем, что количество водяного пара в атмосфере существенно зависит от температуры: чем она ниже, тем меньше пара, а в нижних слоях атмосферы с высотой температура воздуха понижается.

Если количество водяного пара достигает максимума для наблюдаемой температуры, то он насыщает пространство. Например, при температуре +30⁰С в кубометре воздуха может находиться максимум 0,030 кг водяного пара, а при температуре -30⁰С – всего лишь 0,003 кг. Не насыщенный водяным паром воздух с понижением температуры может стать сначала насыщенным, а потом конденсироваться, т.е. превращаться в мельчайшие капельки воды. Так образуются облака: при восходящем движении воздух расширяется и охлаждается, а содержащийся в нем водяной пар конденсируется.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина ее массы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км, 90% – в слое до 16 км, 99% – в слое до 30 км. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/м³, на высоте 12 км – 0,319, на высоте 40 км – всего 0,004 кг/м³.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на все, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление 12-15 тыс. кг. Однако этого человек не ощущает, поскольку внешнее давление уравновешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Но при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и пониженного атмосферного давления.

Установлено, что по вертикали атмосфера неоднородна. С высотой изменяется не только атмосферное давление, на больших высотах еще и ее состав. Поэтому в атмосфере выделяют несколько сфер с различными физическими свойствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера (рис. 51).

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км – в тропической и экваториальной зонах. Высота верхней границы тропосферы во внетропических широтах изменяется по сезонам: летом она несколько выше, чем зимой. Ее высота колеблется также ежедневно в зависимости от характера атмосферных процессов и главным образом от изменения температуры. Эти колебания происходят в диапазоне от 7-8 до 12-14 км.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололед и т.д.

Рис. 51. Структура атмосферы

Вследствие широтного распределения температуры в тропосфере преобладает западный горизонтальный перенос воздуха, то есть между тропиками и высокими широтами Земли преобладают западные ветры. Чем выше над поверхностью Земли, тем ярче они выражены. Как правило, эти ветры достигают наибольшей скорости на высотах 9-12 км. Здесь западные ветры могут стать при определенных условиях сверхураганными: их скорость может превышать 300 км/ч. Горизонтальный перенос воздуха сопровождается вертикальными и турбулентными (неупорядоченными) движениями. Поэтому воздух непрерывно перемешивается. А так как при этом перемещаются огромные объемы воздуха, то в тропосфере постоянно образуются и рассеиваются облака, выпадают и прекращаются атмосферные осадки.

Над тропосферой находится стратосфера. Ее нижняя граница расположена на высотах 8-17 км, а верхняя – 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой: в экваториальной зоне – от -40⁰С, а в полярных зонах – от -80⁰С – до температур, близких к 0⁰С. Стратосфера отличается от тропосферы малой турбулентностью воздушных масс, ничтожным содержанием водяного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями атмосферы содержанием озона.

Слой воздуха, отделяющий тропосферу от стратосферы, называют тропопаузой. Это сравнительно тонкая прослойка, измеряемая десятками или сотнями метров.

Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы составляет -80⁰С. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, поэтому их называют серебристыми. Природа серебристых облаков изучена пока недостаточно. Предполагается, что они состоят из частиц пыли. Переходный слой между стратосферой и мезосферой называют стратопаузой.

Между высотами 80 и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходит через 0⁰С, в слое 150-200 км она доходит до 500⁰С, а на высотах 500-600 км превышает 1500⁰С. По данным, полученным с космических летательных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000⁰С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают 100⁰С. Здесь на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.

В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и γ-излучений Солнца, обладающих большой энергией, атомы и молекулы воздуха ионизируются, поэтому термосферу называют ионосферой.

При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными. Поток заряженных частиц солнечного излучения – корпускулы – под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, они усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение. Так возникают полярные сияния – красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загоравшиеся в ночном небе, преимущественно в высотных широтах Земли. Если эти сияния сопровождаются сильными магнитными бурями, то их можно увидеть в умеренной зоне и даже в субтропиках и тропиках. Обычно полярные сияния бывают на высотах около 100 км, но нередко они наблюдаются и выше.

Ионосфера влияет на распространение радиоволн. Ионизированные слои отражают средние и короткие радиоволны. Последние вновь возвращаются на земную поверхность, но уже на значительном отдалении от места радиопередачи, причем такие отражения короткие радиоволны могут испытывать несколько раз. Это позволяет реализовать с их помощью дальнюю радиосвязь. Однако при вспышках на Солнце и усилении ультрафиолетового излучения происходят сильные возмущения ионосферы и магнитного поля Земли, приводящие к тому, что ионосфера начинает хуже отражать радиоволны и даже пропускать их в космос. Радиосвязь при этом нарушается.

Экзосфера – самая верхняя, сильно разряженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает 2000⁰С.

В конце 1950-х годов ХХ в. внимание ученых привлек к себе слой атмосферы, содержащий одну из модификаций кислорода – озон. Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).

Большая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высотах 20-25 км. Основной слой озона называется озоносферой. Он достаточно тонок: если при нормальном давлении и температуре удалось бы сконцентрировать весь содержащийся в атмосфере озон, то образовалась бы пленка толщиной всего несколько сантиметров.

Озоносфера практически полностью принимает на себя, то есть поглощает, опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Первые данные глобальных наблюдений за озоносферой появились с приходом эры космических исследований. В частности, было установлено, что местами озоновый слой уменьшается и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научный подход был введен такой термин, как «озоновые «дыры».

Имеются две гипотезы истощения озонового слоя Земли. Первая связывает убыль озона в атмосфере с естественными процессами, вторая – с антропогенным воздействием на земную атмосферу.

Гипотеза естественного разрушения озона основывается на том, что динамические процессы, существующие в атмосфере, вызывают перераспределение озона: восходящие потоки воздуха вытесняют озон из нижних слоев вверх, а затем горизонтальными меридиональными движениями он распространяется во всей атмосфере. При этом над районами с интенсивными восходящими движениями общее содержание озона заметно падает.

Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии хлора. Это прежде всего воздействие хлора. Содержание свободного хлора в зонах, где ситуация близка к озоновой «дыре», обычно бывает в 100 и даже 400 раз выше, чем в окружающих областях атмосферы. И именно хлор активнее всего разрушает озон. Эту гипотезу подтверждают в настоящее время многие эксперименты.

Особую опасность для озонового слоя представляют хлорфторуглероды, иначе называемые фреонами. Это синтезируемые органические вещества, широко применяемые в различных отраслях промышленности и в быту. Их используют, в частности, в холодильниках и кондиционерах, аэрозольных упаковках лаков, красок, инсектицидов. Сами по себе фреоны не токсичны и не опасны для здоровья людей. Но они являются весьма стойкими соединениями и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха достигают высот 20-25 км. Здесь под действием солнечного ультрафиолетового излучения они распадаются. При этом выделяется хлор, а одной молекулы хлора достаточно, чтобы разрушить десять тысяч молекул озона!

В настоящее время считается, что озоновые «дыры» над Антарктидой связаны прежде всего с антропогенным воздействием. Фреоны, выброшенные в атмосферу где-то даже далеко от Антарктиды, разносятся по всей атмосфере, но та их часть, которая достигает пространства над Антарктидой, попадает в изолированный полярный вихрь. Последний представляет собой по существу закрытый «котел», в котором в течение всей южнополярной зимы и начала весны не происходит обмена воздушными массами. Процесс катастрофического разрушения озона идет беспрепятственно, и озоновая «дыра» сохраняется. Лишь к середине весны полярный вихрь распадается, и «дыра» начинает затягиваться.