Границы и основные слои атмосферы

Исследования последних лет показали, что ионосфера простирается до высот в тысячи и десятки тысяч километров. Поэтому понятие границы атмосферы весьма условно. Часто принимают высоту этой границы в 2000 км. То, что выше, называют протоносферой — оболочкой, состоящей из ядер атомов водорода — протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц, захваченных магнитным полем нашей планеты и движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли По температурному режиму и другим свойствам атмосферу подразделяют на несколько слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Два нижних слоя активно участвуют в круговоротах, взаимодействуя с другими геосферами географической оболочки, именно здесь формируются воздушные массы.

Тропосфера (греч. поворот) — простирается до высоты 18 км на экваторе, 10−12 км в умеренных широтах, 8−9 км в полярных широтах. Она отделяется от стратосферы узким переходным слоем мощностью 1−2 км — тропопаузой. Температура в тропосфере быстро падает с высотой: на 6−7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). Это происходит потому, что нижние, (приземные) слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. В тропосфере происходят интенсивные горизонтальные (адвекция) и вертикальные (конвекция) перемещения воздуха. Нижний слой тропосферы, примыкающий непосредственно к земной поверхности, называют приземным слоем. Физические процессы в этом слое весьма своеобразны: резко выражены суточные и сезонные колебания всех метеоэлементов: температуры, влажности, осадков, ветров.

В пятикилометровом слое тропосферы заключено 90% всего водяного пара, 50% всего воздуха. Влияние земной поверхности простирается приблизительно до высоты 20 км, а далее нагревание воздуха происходит непосредственно Солнцем. Таким образом, граница географической оболочки, лежащая на высоте 20−25 км, определяется в том числе и тепловым воздействием земной поверхности. На этой высоте исчезают широтные различия в температуре воздуха и географическая зональность размывается.

Стратосфера — сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34−36 км и ростом температуры до уровня 50 км. В нижней части стратосферы температура постоянна, здесь располагается изотермический слой. Начиная с высоты 22 км температура воздуха начинает повышаться, на верхней границе стратосферы она достигает 0⁰С. Повышение температуры объясняется наличием здесь озона, поглощающего солнечную радиацию.

В стратосфере происходят интенсивные горизонтальные перемещения воздуха, скорость воздушных потоков достигает 300−400 км/ч. Воды в стратосфере мало, только на высоте 22−25 км образуются перламутровые облака, состоящие из переохлажденных ледяных капель — явление гораздо более редкое, чем серебристые облака. В стратосфере содержится менее 20% воздуха атмосферы. Стратосфера отделяется от мезосферы стратопаузой.

Выше стратосферы, примерно от уровня озонного пика температуры и до 80−85 км простирается мезосфера — область нового падения температуры с высотой, в этом слое температура воздуха с высотой уменьшается и вблизи верхней границы падает до -80⁰С. В верхней мезосфере на высоте 80 км в сумерки видны серебристые облака.

На высотах от 70 до 120 км происходит испарение и плавление входящих в атмосферу метеорных тел — наблюдаются метеоры, свечение которых в основном определяется излучением атомов и ионов метеорных паров. На уровнях 80−100 км наблюдается некоторое относительное изобилие метеорных атомов и ионов: здесь они образуются, после чего смешиваются в ходе диффузии с атомами и молекулами воздуха.

При полете метеора за ним формируется ионно-электронный след, отражающий метровые радиоволны. Весь этот комплекс явлений принято называть метеорными явлениями.

Еще выше расположена область полярных сияний. Обычно разные формы полярных сияний располагаются на высотах от 100 до 1000 км, хотя иногда нижние границы дуг полярных сияний спускаются до 80 км. Как показывает спектральный анализ, основной вклад в свечение полярных сияний вносит излучение атомарного кислорода, атомарного азота, их ионов, молекул азота и кислорода и их ионов, а также водорода, гелия, натрия. Возбуждение свечения всех этих частиц происходит за счет их соударений с быстрыми заряженными частицами, летящими от Солнца (солнечный ветер). Это — протоны, электроны и ионы различных элементов, а также нейтральные атомы. Но основную роль в возбуждении свечения полярных сияний играют протоны и электроны. Поскольку эти частицы — заряженные, их траектории отклоняются магнитным полем Земли в сторону геомагнитных полюсов, поэтому сияния наблюдаются преимущественно в полярных районах.

Кроме полярных сияний, наблюдается еще общее свечение ночного неба, вызванное как возбуждением за счет столкновений, так и флуоресценцией газов атмосферы в результате фотовозбуждения (это свечение наблюдается вскоре после захода Солнца).

В термосфере температура воздуха быстро растет с высотой и достигает 1000⁰С на высоте 800 км. Рост температуры объясняется поглощением солнечной радиации, вызывающей увеличение скорости движения молекул.

Выше на высотах от 800 до 1200 км располагается сфера рассеяния — экзосфера. Как показывают расчеты, вследствие поглощения корпускулярного излучения Солнца температура экзосферы может увеличиться до 15 000⁰С. При такой температуре молекулы легки газов развивают скорость до 11 200 м/с и покидают сферу притяжения Земли.