Принципы деления атмосферы на слои
СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ И ЕЕ АТМОСФЕРЕ
Основные сведения о планете Земля
Земля представляет одну из планет Солнечной системы. Солнце является звездой средней величины и единственным источником энергии, благодаря которому существует жизнь на Земле.
Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца называется плоскостью эклиптики. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66°33'. Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси к плоскости эклиптики происходит смена времени года.
В астрономии существуют понятия солнечных и звездных суток.
Год содержит 365,25 солнечных суток, т.е. в течение года Земля совершает 365,25 оборота вокруг своей оси при одном обороте вокруг Солнца. Кроме того, пройдя за год всю орбиту, Земля сделает еще один оборот вокруг своей оси по отношению к неподвижным звездам. Поэтому один год равен 365,25 солнечных суток или 366,25 звездных суток. Отсюда одни звездные сутки равны 365,25/366,25 солнечных суток.
Угловая скорость суточного вращения Земли определяется как скорость ее вращения по отношению к неподвижным звездам.
Примечание: 1 звездные сутки = 24 час · 3600 сек/час = 86400 сек.
Угловая скорость вращения Земли и продолжительность суток изменяются в течение года. Изменения в скорости вращения Земли обусловлены колебаниями в течение года скорости воздушных течений, горизонтальный масштаб которых сравним с размерами материков, океанов и всего полушария.
Совокупность таких воздушных течений носит название общей циркуляции атмосферы.
При построении теории атмосферных процессов и явлений угловая скорость вращения Земли принимается постоянной.
Земля имеет форму отличную от сферической. Эта форма называется геоидом (землеподобный).
Из 510 млн. км2 земной поверхности – 70,8% занимает водная поверхность, причем
в Северном полушарии доля водной поверхности составляет 60,7%,
в Южном полушарии – 80,9%.
1.2. Общиесведения об атмосфере и принципы деления ее на слои
Общие сведения об атмосфере
Вертикальная протяженность атмосферы составляет 60 ÷ 70 тыс. км. Резкой верхней границы атмосферы не существует.
Общая масса атмосферы оценивается в 5,15·1015 т, что составляет около одной миллионной части (0,000001) массы Земли. Толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, однако большая часть ее массы сосредоточена в тонком слое.
Примерно 50% всей массы атмосферы заключено в слое до 5 км,
75% – до 10 км,
90% – до 16 км и т.д.
Принципы деления атмосферы на слои
Атмосфера по своим физическим свойствам неоднородна по вертикали и по горизонтали, изменениям подвержены характеристики атмосферы:
состав, температура, давление, плотность, влажность воздуха,
содержание твердых и жидких примесей, скорость ветра.
Наиболее резко характеристики изменяются по вертикали.
Существует четыре принципа деления атмосферы на слои:
· термический режим атмосферы;
· состав атмосферы воздуха и наличие заряженных частиц;
· характер взаимодействия атмосферы с земной поверхностью;
· влияние атмосферы на летательные аппараты.
Наиболее отчетливо различие в свойствах слоев атмосферы проявляется в изменении термического режима с высотой.
v По признаку изменения термического режима с высотой
атмосфера делится на пять основных слоев (см. рис. 1.1):
§ тропосферу;
§ стратосферу;
§ мезосферу;
§ термосферу;
§ экзосферу.
Рассмотрим краткую характеристику этих слоев.
Тропосфера - до высоты 11 км. В ней сосредоточено около 80% массы воздуха всей атмосферы. Температура и влажность воздуха в этом слое с высотой понижаются. Тропосфера определяет влаго- и теплообмен, интенсивное вертикальное движение воздуха в виде неупорядоченных вихрей, восходящих и нисходящих струй. В тропосфере наблюдаем:
- фазовые превращения водяного пара;
- образование облаков;
- выпадение осадков.
Рис.1.1. Основные слои атмосферы по признаку изменения
термического режима с высотой
Тропосферу можно разделить на нижнюю, среднюю и верхнюю:
Нижняя тропосфера – пограничный слой до 1 – 2 км (с приземным слоем толщиной 30 ÷ 50 м);
Средняя тропосфера располагается на высоте 1÷6 км и характеризуется переносом воздушных масс, образованием фронтов, облаков нижнего и среднего яруса;
Верхняя тропосфера – на высоте 6 ÷ 10 км,
температура воздуха –30°С и ниже, в этом слое наблюдаются облака верхнего яруса и вершины кучево-дождевых и мощно-кучевых облаков.
Выше тропосферы располагается тропопауза – слой толщиной
1 ÷ 2 км с инверсионным распределением температуры воздуха.
Стратосфера - от 11 до 55 км. В этом слое от 11 до 25 км температура воздуха постоянна, а выше – наблюдается рост температуры от –60° до –10°С. Плотность и давление воздуха убывает медленно.
Возрастает концентрация озона, образующегося из молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения. Озон защищает органическую жизнь от жесткого излучения (солнечной радиации).
Между стратосферой и мезосферой располагается стратопауза.
Мезосфера (55 ÷ 80 км) – температура изменяется от 0° до –75°…
–80°С. Серебристые облака, изредка появляющиеся в этом слое аналогичны перистым облакам верхней тропосферы. Они состоят из ледяных кристаллов. Между мезосферой и термосферой располагается мезопауза.
Термосфера (80 ÷ 800 км) – наиболее мощный слой. Характеризуется непрерывным ростом температуры с высотой до +600...+800°С. Сильная
ионизация этого слоя обуславливает сверхдальнюю связь или затрудняет прохождение радиоволн.
Между термосферой и экзосферой располагается термопауза.
Экзосфера (более 800 км) – очень малая плотность воздуха и рост температуры воздуха с высотой, которая характеризует кинетическую энергию движения молекул и атомов.
v По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу и
гетеросферу.
Гомосфера располагается от поверхности Земли до высоты 95 км.
В этом слое относительный состав газов (азота, кислорода и аргона) и относительная молекулярная масса воздуха с высотой практически не изменяется.
Гетеросфера – слой атмосферы выше 95 км.
В этом слое наряду с молекулярными азотом и кислородом появляются атомарные кислород и азот. Поэтому относительная молекулярная масса воздуха с высотой уменьшается.
По этому же признаку выделяются:
- озоносфера – слой от 20 до 55 км, в котором сосредоточена основная масса озона;
- ионосфера– слой выше 50 – 60 км. Делится на слои D,E,F1 и F2 с максимальной концентрацией ионов. В ионосфере резко увеличивается содержание заряженных частиц (ионов и электронов).
v По принципу взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосфера делится на пограничный слой трения и свободную атмосферу.
Пограничный слой располагается до высоты 1,5 км. На изменение характеристик атмосферы в этом слое большое влияние оказывает земная поверхность и силы турбулентного трения.
Внутри пограничного слоя выделяется приземный слой атмосферы толщиной до 50 ÷ 100 м. В этом слое наблюдается резкое изменение температуры и скорости ветра с высотой.
В свободной атмосфере (выше 1 – 1,5 км) силы турбулентного трения практически отсутствуют.
v По принципу влияния атмосферы на летательные аппараты в данном разделе не рассматривается.
1.3. Краткие сведения о составе приземного слоя атмосферы
В состав воздуха вблизи поверхности Земли входят:
азот(78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый
газ (0,03%), газы (неон, гелий, криптон, водород, ксенон, озон – 0,1%).
Такая смесь прослеживается до высоты 100 км.
В состав атмосферы всегда входит три переменных составляющих:
водяной пар (до 41%), углекислый газ (0,03%) и озон (менее 10-5 %), которые интенсивно поглощают солнечную радиацию и оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.
Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения воды с водной (земной) поверхности. Содержание его зависит от характера подстилающей поверхности, движения воздушных масс, температуры воздуха, широты, высоты и времени года.
Углекислый газ (СО2) является одной из важнейших составных частей питания растений. Он поступает в атмосферу в процессе горения, дыхания и гниения и расходуется в процессе усвоения его растениями. Значительное количество углекислого газа наблюдается в промышленных районах. Увеличение общего содержания его ведет к повышению температуры воздуха и потеплению климата (см. Киотский протокол, декабрь 1997г.).
Озон (О3) образуется в атмосфере под влиянием поглощения коротковолновой части спектра солнечной радиации. Это приводит к распаду молекул кислорода на атомы с большим запасом энергии.
Озон поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации.
Максимум его находится в стратосфере на высоте 21 ÷ 26 км.
В состав атмосферы также входят многочисленные твердые и жидкие примеси – аэрозоли. К ним относятся мельчайшие частицы, находящиеся в атмосфере во взвешенном состоянии. Аэрозоли активно участвуют в образовании облаков, туманов и осадков.