Строение атмосферы и ее особенности

Строение атмосферы Земли является слоистым, где все слои отличаются друг от друга по своим физическим и химическим свойствам. Среди наиболее важных свойств – температура и давление. Какие слои выделяются в строении атмосферы? Исходя из этого в атмосфере выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

С высотой происходит изменение плотности атмосферы. На высоте 11 км она становится в 4 раза меньше, чем в приземном слое. Разберемся со всеми слоями атмосферы с учетом плотности, состава, а также свойства газов.

Тропосфера

Слово «тропосфера» происходит из греческого языка и переводится как «поворот» или «изменение», что точно отражает её особенности. Именно в этом слое атмосферы происходит активное перемешивание воздуха и его движение в различных направлениях. Здесь формируются основные погодные явления, такие как дожди, снегопады, туманы.

Тропосфера является самым нижним слоем атмосферы. Её верхняя граница варьируется: на полюсах она достигает высоты 8–10 км, а на экваторе — 16–18 км. Толщина слоя меняется в зависимости от времени года — летом, в условиях прогретого воздуха, верхняя граница тропосферы поднимается выше.

На долю тропосферы приходится до 80% всей массы атмосферы, а также практически весь водяной пар, что объясняет её плотность и массу. В этом слое температура воздуха понижается с высотой — примерно на 0,6 градуса каждые 100 метров. На верхней границе температура становится отрицательной. Это изменение температуры характерно только для тропосферы. За её пределами, в следующем слое — стратосфере — температура начинает постепенно повышаться.

Граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. Здесь температура воздуха остаётся неизменной. Нижняя часть тропосферы, известная как приземной пограничный слой, непосредственно взаимодействует с поверхностью Земли. Этот слой играет важнейшую роль в атмосферной циркуляции. Он участвует в водообмене: вода, испарённая с поверхности суши и океанов, возвращается обратно в виде осадков за 8–12 дней.

С тропосферой имеет связь атмосферное давление у поверхности Земли: в норме оно равно 1000 миллибар. Давление в 1013 миллибар – эталон и равно одной «атмосфере». С набором высоты происходит резкое снижение давления. На 45 километрах оно падает до 1 мБара.

Стратосфера

Стратосфера, название которой в переводе с греческого означает «настил» или «слой», располагается над тропосферой и простирается на высоты от 50 до 55 км.

Главными особенностями этого слоя являются низкая плотность и малое давление воздуха. Хотя газы, составляющие воздух в стратосфере, те же, что и в тропосфере, их концентрация значительно ниже. Водяной пар здесь практически отсутствует. Давление в стратосфере падает по мере увеличения высоты: в её нижней части оно в 10 раз ниже, чем у поверхности Земли, а в верхней части уменьшается в 100 раз.

На высоте 15–30 км в стратосфере находится озоновый слой. Он поглощает коротковолновое излучение Солнца, что вызывает нагрев воздуха. Благодаря этому в нижней части стратосферы температура может повышаться до +56 градусов, а ближе к её верхней границе, в стратопаузе, достигает 0 градусов. Нагрев прекращается на стыке стратосферы с мезосферой.

Мезосфера

Мезосфера находится над стратосферой и простирается до высоты 80 км. Плотность воздуха здесь примерно в 200 раз меньше, чем на поверхности Земли, а температура опускается до –90 градусов. Верхний слой мезосферы считается самым холодным местом на планете — воздух может охлаждаться до –143 градусов. Этот слой атмосферы исследован хуже всего.

Давление газа в мезосфере крайне низкое — от 1000 до 100 000 раз меньше, чем у поверхности Земли. Из-за этого движение воздушных потоков практически отсутствует, а подъемная сила становится нулевой. Летательные аппараты, такие как реактивные самолеты, не могут функционировать в этих условиях. Для полетов в мезосфере используются ракеты или самолеты с ракетным двигателем. Например, ракетоплан X-15, признанный самым быстрым самолетом в мире, смог продержаться в мезосфере всего 15 минут.

Аппараты, исследующие мезосферу, способны находиться на заданной высоте ограниченное время. Если они не улетают выше, то теряют устойчивость и падают. Даже спутники и суборбитальные зонды испытывают трудности из-за крайне низкого давления и трения, что может привести к повреждениям или разрушениям.

Мезосфера также является зоной сгорания метеоров. Метеориты, входящие в атмосферу Земли под острым углом со скоростью 11 км/с, загораются из-за трения и превращаются в космическую пыль. Ежедневно на поверхность планеты оседает около 100–10 тысяч тонн метеоритного вещества.

Термосфера

Термосфера расположена выше мезосферы и достигает высоты 800 км. Основной её функцией является поглощение и преобразование ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

На высоте 100 км проходит условная граница между Землей и космосом, известная как линия Кармана. Нижняя граница термосферы совпадает с этой линией. В термосфере сохраняется небольшое количество газов, вращающихся вместе с Землей. Однако выше линии Кармана концентрация газов существенно снижается, и любая высота за пределами 100 км считается космической.

Температура в термосфере вновь начинает расти: на высоте 150 км она достигает 220 градусов, а на уровне 400 км может подниматься до 1800 градусов. Несмотря на такие показатели температуры, давление в центральной части термосферы в 1 миллион раз меньше, чем у поверхности Земли, а сами частицы газа имеют огромные расстояния между собой. Это создает условия, при которых космические аппараты практически находятся в вакууме.

В пределах термосферы выделяется ионосфера — область, где под воздействием солнечной радиации электроны отделяются от атомов, формируя слои заряженных частиц. Эти процессы делают небо черным, а звезды на нем — яркими. Ионосфера играет важную роль в создании электрических токов, которые могут нарушать магнитное поле Земли и вызывать такие явления, как полярные сияния.

Фактически термосфера является открытым космосом. На этой высоте проходила орбита первого советского спутника. Сегодня здесь работают многие искусственные спутники, исследующие Землю, океаны и атмосферу.

Экзосфера

Экзосфера, что в переводе означает «сфера рассеивания», представляет собой самый внешний слой атмосферы, который граничит с космосом. Она состоит из сильно разреженного воздуха, который постепенно рассеивается в межпланетное пространство. Основу экзосферы составляют атомы водорода — самые легкие элементы, к которым добавляются ионизированные атомы кислорода и азота, подвергшиеся воздействию солнечной радиации.

Экзосфера простирается на высоте от 800 до 3000 км, при этом температура здесь может превышать 2000 градусов. Основные газы, составляющие этот слой, — водород и гелий, которые движутся с огромной скоростью, достигая критических значений около 11,2 км/с. Благодаря такой скорости частицы способны преодолевать земное притяжение и уходить в открытый космос.

По своим размерам экзосфера является небольшим слоем, который плавно переходит в так называемую корону Земли, простирающуюся до 100 тысяч км от поверхности планеты.

Роль атмосферы

Атмосфера играет ключевую роль в существовании Земли. Без нее планета была бы безжизненной. Атмосфера обеспечивает условия для формирования погоды и выступает посредником между Землей и космосом, выполняя защитные функции. Она служит своего рода щитом, предохраняющим планету от метеорных потоков. Благодаря атмосфере на Земле наблюдаются такие явления, как ветер, осадки, полярные сияния и сумерки. Этот воздушный слой обеспечивает постоянный обмен теплом и влагой, поддерживая жизнь на нашей планете.