Атмосфера

Атмосферой, или воздушной оболочкой 3., называют газовую среду, окружающую "твёрдую" 3. и
вращающуюся вместе с ней. Масса атмосферы составляет ~5,15*10^18 кг. Ср. давление атмосферы на
поверхность 3. на ур. м. равно 101 325 н/м2 (это соответствует 1 атмосфере или 760 мм рт. ст.). Плотность
и давление атмосферы быстро убывают с высотой (см. Барометрическая формула): у поверхности 3. ср.
плотность воздуха р = 1,22 кг/м3(число молекул в 1 м3 п = 2,55*10^25), на высоте 10 км р = 0,41 кг/м3 (п =
8,6*10^24), а на высоте 100 км р=8,8*10^-7 кг/м3 (n=1,8*10^18). Атмосфера имеет слоистое строение, слои
различаются своими физич. и химич. свойствами (темп-рой, химич. составом, ионизацией молекул и др.).

Принятое деление атмосферы на слои основано гл. обр. на изменении в ней темп-ры с высотой, поскольку
оно отражает баланс основных энергетич. процессов в атмосфере (см. Тепловой баланс атмосферы).

Нижняя часть атмосферы, содержащая ок. 80% всей её массы, наз. тропосферой. Она распространяется до
высоты 16-18 км в экваториальном поясе и до 8-10 км в полярных широтах. Темп-pa тропосферы
понижается с высотой в ср. на 0,6 К на каждые 100 м. Над тропосферой до выс. 55 км расположена
стратосфера, в к-рой заключено почти 20% массы атмосферы. От тропосферы она отделена переходным
слоем - тропопаузой, с температурой 190-220 К. До высоты ~25 км темп-pa стратосферы несколько падает,
но дальше начинает расти, достигая максимума (~270К) на высоте 50- 55 км. Этот рост связан гл. обр. с
увеличением в верхних слоях стратосферы концентрации озона, интенсивно поглощающего
ультрафиолетовое излучение Солнца.

Над стратосферой расположены мезосфера (до 80 км), термосфера (от 80 км до 800 -1000 км) и экзосфера
(выше 800 -1000 км). Общая масса всех этих слоев не превышает 0,5% массы атмосферы. В мезосфере,
отделённой от стратосферы стратопаузой, озон исчезает, темп-pa вновь падает до 180-200К вблизи её
верхней границы (мезопаузы). В термосфере происходит быстрый рост темп-ры, связанный гл. обр. с
поглощением в ней солнечного коротковолнового излучения. Рост темп-ры наблюдается до выс. 200- 300
км. Выше, примерно до 800- 1000 км, темп-pa остаётся постоянной (~1000К), т. к. здесь разреженная
атмосфера слабо поглощает солнечное излучение.

Верхний слой атмосферы - экзосфера - крайне разрежен (у его нижней границы число протонов в 1
м3 составляет ~ 10^11) и столкновения частиц в нём происходят редко. Скорости отдельных частиц экзосферы
могут превышать критич. скорость ускользания (вторую космическую скорость). Эти частицы, если им не
помешают столкновения, могут, преодолев притяжение 3., покинуть атмосферу и уйти в межпланетное
пространство. Так происходит рассеяние (диссипация) атмосферы. Поэтому экзосферу наз. также сферой
рассеяния. Ускользают из атмосферы в межпланетное пространство гл. обр. атомы водорода и гелия.

Приведённые характеристики слоев атмосферы следует рассматривать как усреднённые. В зависимости от
географич. широты, времени года, суток и др. они могут заметно меняться.

Хим. состав земной атмосферы неоднороден. Сухой атмосферный воздух у поверхности 3. содержит по
объёму 78,08% азота,20,95% кислорода (~10^-6 % озона), 0,93% аргона и ок. 0,03% углекислого газа. Не более
0,1% составляют вместе водород, неон, гелий, метан, криптон и др. газы. В слое атмосферы до высот 90-100
км, в к-ром происходит интенсивное перемешивание атмосферы, относит. состав её основных компонентов
не меняется (этот слой наз. гомосферой). В атмосфере содержится (1,3- 1,5)*10^16 кг воды (см. Вода). Главная
масса атмосферной воды (в виде пара, взвешенных капель и кристалликов льда) сосредоточена в
тропосфере, причём с высотой её содержание резко убывает. Во влажном воздухе содержание водяного пара
у земной поверхности колеблется от 3-4% в тропиках до 2*10^-5 % в Антарктиде. Очень изменчивы
аэрозольные компоненты воздуха, включающие пыль почвенного, органич. и космич. происхождения,
частички сажи, пепла и минеральных солей.

У верхней границы тропосферы и в стратосфере наблюдается повышенное содержание озона. Слой макс.
концентрации озона расположен на высотах ~21 - 25 км. Начиная с высоты ~ 40 км увеличивается
содержание атомарного кислорода. Диссоциация молекулярного азота начинается на высоте ок. 200 км.
Нарядус диссоциацией молекул под действием коротковолнового и корпускулярного излучений Солнца на
высотах от 50 до 400 км происходит ионизация атмосферных газов. От степени ионизации зависит
электропроводность атмосферы. На высоте 250-300 км, где расположен максимум ионизации,
электропроводность атмосферы в 10^12 раз больше, чем у земной поверхности.

Для верхних слоев атмосферы характерен также процесс диффузионного разделения газов под действием
силы тяжести (гравитац. разделение): газы распределяются с высотой в соответствии с их молекулярной
массой. Верхние слои атмосферы в результате оказываются обогащёнными более лёгкими газами.
Совокупность процессов диссоциации, ионизации и гравитац. разделения определяет химич.
неоднородность верхних слоев атмосферы. Примерно до 200 км основным компонентом воздуха является
азот N2. Выше начинает превалировать атомарный кислород. На высоте более 600 км преобладающим
компонентом становится гелий, а в слое от 2 тыс. км и выше - водород, к-рый образует вокруг 3. т. н.
водородную корону.

Через атмосферу к поверхности 3. поступает электромагнитное излучение Солнца - главный источник
энергии физич., химич. и биологич. процессов в географич. оболочке 3. Атмосфера прозрачна для
электромагнитного излучения в диапазоне длин волн  от 0,3 мкм (3000) до 5,2 мкм (в к-ром заключено ок.
88 % всей энергии солнечного излучения) и радиодиапазоне - от 1 мм до 30 м. Излучение инфракрасного
диапазона ( 5,2 мкм) поглощается в основном парами воды и углекислым газом тропосферы и
стратосферы. Непрозрачность атмосферы в радиодиапазоне обусловлена отражением радиоволн от её
ионизованных слоев (ионосферы). Излучение ультрафиолетового диапазона ( от 3000 до 1800 А)
поглощается озоном на высотах 15-60 км, а волны длиной 1800-1000А и короче- азотом, молекулярным и
атомарным кислородом (на высоте от неск. десятков до неск. сот км над поверхностью 3.). Жёсткое
коротковолновое излучение (рентгеновское и гамма-излучение) поглощается всей толщей атмосферы, до
поверхности 3. оно не доходит. Т. о., биосфера оказывается защищённой от губительного воздействия
коротковолнового излучения Солнца. В виде прямой и рассеянной радиации поверхности 3. достигает лишь
48% энергии солнечного излучения, падающего на внешнюю границу атмосферы. В то же время атмосфера
почти непрозрачна для теплового излучения 3. (за счёт присутствия в атмосфере углекислого газа и паров
воды, см. Парниковый эффект). Если бы 3. была лишена атмосферы, то ср. темп-pa её поверхности была бы
-23°С, в действительности ср. годовая темп-pa поверхности 3. составляет 14,8 °С. Атмосфера задерживает
также часть космич. лучей и служит бронёй против разрушительного действия метеоритов. Насколько
велико защитное значение земной атмосферы, показывает испещрённая метеоритными кратерами
поверхность Луны, лишённая атмосферной защиты.

Между атмосферой и подстилающей поверхностью происходит непрерывный обмен энергией
(теплооборот) и веществом (влагооборот, обмен кислородом и др. газами). Теплооборот включаетперенос
теплоты излучением (лучистый теплообмен), передачу теплоты за счёт теплопроводности, конвекции и
фазовых переходов воды (испарения, конденсации, кристаллизации).

Неравномерный нагрев атмосферы над сушей, морем на разных высотах и в разных широтах приводит к
неравномерному распределению атмосферного давления. Возникающие в атмосфере устойчивые перепады
давления вызывают общую циркуляцию атмосферы, с к-рой связан влагооборот, включающий процессы
испарения воды с поверхности гидросферы, переноса водяного пара воздушными потоками, выпадение
осадков и их сток. Теплооборот, влагооборот и циркуляция атмосферы являются основными
климатообразующими процессами. Атмосфера является активным агентом в различных процессах,
происходящих на поверхности суши и в верхних слоях водоёмов. Важнейшую роль играет атмосфера в
развитии жизни на 3.