|
|
|
|
|
|
||
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. Важные сведения об атмосфере получены с помощью космических аппаратов серии "Космос" и геофизических ракет.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 перемещения воздушных масс в виде ветра. Вследствие этого состав атмосферы до высот порядка 100 км существенно не меняется. Выше же состав атмосферы хотя и почти постоянен (это главным образом азот и кислород), но под действием ультрафиолетовой солнечной радиации молекулы кислорода здесь расщеплены на атомы. Выше 110-120 км кислород встречается вообще только в атомарном состоянии. Предполагается, что выше 400-500 км в атомарном состоянии находится и азот.
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 ее 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 +30oС в кубометре воздуха может находиться максимум 0,030 кг водяного пара, а при температуре -30oС всего лишь 0,003 кг. Не насыщенный водяным паром воздух с понижением температуры может стать насыщенным. Если воздух уже насыщен водяным паром, а температура продолжает уменьшаться, то пар конденсируется, т.е. превращается в мельчайшие капельки воды. Так образуются облака: при восходящем движении воздуха он 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 массы атмосферы 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 кг/м3, на высоте 40 км - всего 0,004 кг/м3.Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на все, что находит на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление в 12-15 тыс. кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравновешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так из-за пониженного атмосферного давления.
Установлено, что по вертикали атмосфера неоднородна. С высотой изменяется не только атмосферное давление, плотность и температура воздуха, но и электрическое состояние атмосферы, а 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. 21). 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 км до 12-14 км.
Характерная особенность тропосферы - понижение температуры в среднем на 6oС на каждый километр высоты. Объясняется это тем, что для солнечных лучей тропосферный воздух почти прозрачен, он нагревается и охлаждается главным образом от поверхности Земли.
Там, где приток солнечной радиации больше, температура воздуха выше. Поэтому в экваториальной и тропической зонах приземная температура в течение года колеблется около 27oС, а в Центральной Арктике она равна примерно -35oС зимой и около нуля - летом. В Антарктиде воздух еще холоднее: в центре ее ледяного плато средняя температура воздуха зимой достигает -40oС и ниже, а летом температура не поднимается выше -15oС.Вследствие широтного распределения температуры в тропосфере преобладает западный горизонтальный перенос воздуха, т.е. между тропиками и высокими широтами Земли преобладают западные ветры. Чем выше над поверхностью Земли, тем ярче они выражены. Эти ветры достигают наибольшей скорости, как правило, на высоте 9-12 км. На этих высотах западные ветры могут стать при определенных условиях сверхураганными: их скорость может превышать 300 км/ч. Горизонтальный перенос воздуха сопровождается вертикальными и турбулентными (неупорядочными) 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 между высотами 8-17 и 50-55 км находится стратосфера.* Она характеризуется возрастанием температуры с высотой в экваториальной зоне от -40oС, а в полярных зонах от -80oС. до температур, близких к 0oС. 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 тонкий слой атмосферы, измеряемый десятками и сотнями метров.
Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы -80oС. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, 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 (рис. 21) температура переходит через 0oС, в слое 150-200 км она доходит до 500oС, а на высотах 500-600 км превышает 1500oС. По данным, полученным с искусственных спутников Земли, в верхней термосфере температура достигает почти 2000oС и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают +100oС. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.
В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, от нейтральных атомов и молекул воздуха отщепляются электроны. Атомы и молекулы, потерявшие по одному или несколько электронов, приобретают положительные заряды, а свободные электроны снова присоединяются к нейтральным атомам или молекулам и наделяют их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Газы, содержащие ионы, т.е. получившие электрический заряд, называются ионизированными. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, ее называют также ионосферой.*При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения - корпускулы* - под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния: красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загорающиеся в ночном небе, преимущественно в высоких 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 на высотах и в нескольких сотен километров.
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 способны совершать несколько раз. Это позволяет реализовать с их помощью дальнюю радиосвязь. Однако при вспышках на Солнце и усилении его 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.В некоторых слоях ионосферы концентрация свободных электронов достигает большей, чем в других слоях, величины. Известны четыре таких слоя. Они располагаются на высотах 60-80, 100-120, 180-200 и 300-400 км.
Экзосфера* - самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает до 2000oСВ конце 1950-х годов 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, называемый озоносфера,* достаточно тонок: если при нормальном давлении и температуре удалось бы сконцентрировать весь распространенный в атмосфере озон, то образовалась бы пленка толщиной всего около 3 мм !Озоносфера практически полностью принимает на себя, т.е. 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 обиход были введены такие термины, как озоновые "дыры" и "мини-дыры".Например, озоновая дыра, сравнимым по своим размерам с территорией США, стала развиваться над Антарктидой. Эта "дыра" достигла максимальных размеров в 1987 году. Толщина основного слоя озоносферы по всей площади "дыры" была при этом всего лишь 10-15 см. Развитие озоновой "дыры" в стратосфере Антарктиды в период с 1984 по 1988 год показано на рис. 22. Здесь изображены виды Земли со стороны Южного полюса, соответствующие пяти указанным годам. Сплошными линиями отмечены контуры Антарктиды и других материков, а изображения озоновой "дыры" заштрихованы.
Дело в том, что Антарктида представляет собой монолитный ледяной материк.В Арктике же совершенно иные условия: через льды, а особенно полыньи и разводья, океан постоянно отдает тепло атмосфере, воздух активно обменивается с воздушными массами более южных широт. Поэтому полярные вихри здесь существуют недолго и достаточно быстро разделяются на отдельные вихри. Это предохраняет озоновый слой от разрушения. Именно поэтому в Северном полушарии заметного уменьшения общего содержания озона пока не наблюдалось. Здесь в зимние месяцы она уменьшается местами всего на 6-8%. В частности, в субтропических и тропических областях Земли содержание озона понижается иногда вдвое по сравнению с нормой, приводя к возникновению. "Мини-дыр" диаметром не более 3000 километров. Последние существуют обычно от нескольких дней до 2-3 недель. Над Россией озоновая "мини-дыра" была зафиксирована только однажды - в 1986 году (над Московской областью).
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 с горизонтальными меридиональными движениями он распространяется по всей атмосфере. При этом над районами с интенсивными восходящими движениями общее содержание озона заметно падает.
Эту гипотезу удалось проверить экспериментально американским ученым. В периоды возникновения озоновых "дыр" в Антарктиде. Они измеряли концентрацию малых составляющих атмосферы на различных высотах. Оказалось, что при возникновении озоновых "дыр" отсутствуют восходящие потоки воздуха. Скорее наоборот, имеются явно выраженные нисходящие потоки. Это может приводить только к увеличению содержания озона. Другими словами, прямые градиентные измерения гипотезу естественного разрушения озона не подтверждают.Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии на него, прежде всего 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. Но 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, кондиционерах, аэрозольных упаковках лаков, красок, инсектицидов. Сами по себе фреоны нетоксичны и неопасны 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" держится устойчиво. Лишь к середине весны полярный вихрь распадается, и "дыра" начинает затягиваться.
Если сократить выброс фреонов в атмосферу, то она сама сможет восстановиться. В 1987 году в Монреале был выработан, принят и сейчас выполняется рядом стран, в том числе Россией, Протокол об озоноразрушающих веществах. Он предусматривает замораживание и последующее сокращение производства наиболее опасных для озонового слоя веществ. Предполагается, что в 2000 году человечество полностью откажется от использования в промышленности всех веществ, воздействующих на озоновый слой Земли.