публичный образовательный интернет-портал

Как устроена земная атмосфера?

02/11/2020
Слои атмосферы
Схема всех слоёв атмосферы Земли
Схема всех слоёв атмосферы Земли

Одно из самых удивительных чудес природы мы, как положено, не замечаем, хотя оно находится у нас над головами. Это – атмосфера, воздушная оболочка нашей планеты, дающая нам жизнь и защищающая от тысячи гибельных напастей космического пространства, безвоздушного и безжалостного.

Воздушная оболочка Земли делится на несколько слоёв (сфер), отличающихся друг от друга своими свойствами. Переходы между атмосферными слоями не резкие. Сфера в сферу переходит не скачком, а плавно, между ними выделяют большие промежуточные области, которые называют паузами.

Как определить, что произошёл переход из одной сферы в другую? По изменению зависимости температуры воздуха от высоты над поверхностью Земли.

Первый слой атмосферы называется тропосферой. «Тропос» в переводе с древнегреческого означает «оборот». Название отражает тот факт, что нижнему слою атмосферы свойственна круговерть воздушных масс. Фактически вся погода планеты «делается» здесь, где сосредоточено 80% массы атмосферы.

В тропосфере при подъёме на каждые 100 метров температура воздуха снижается на 0.65 oC.  Почему? Потому что при подъёме воздух расширяется без притока внешней энергии, а значит, охлаждается. Маленькое упражнение для желающих: прикиньте, начиная с какой высоты горы будут покрыты снегом, если температура воздуха у подножья 20 oC? А какая температура встречает альпинистов при подъёме на вершину самой высокой на Земле горы, Эвереста, высота которой равна 8848 метра?

Слои атмосферы и изменение температуры в атмосфере
Слои атмосферы и изменение температуры в атмосфере

Подъём на вершину Эвереста – смертельно опасное приключение. Слишком уж разрежен здесь воздух.  Совсем недалеко от вершины Эвереста, в 12 километрах над поверхностью Земли, проходит верхняя граница тропосферы. До этой границы поднимаются в своём полёте современные гражданские самолеты. Их реактивные двигатели на таких высотах ещё не «задыхаются» от недостатка кислорода, а лететь здесь удобно, потому что облака и связанные с ними пертурбации остаются внизу.

Но что ожидает тех, кто хочет подняться ещё выше? Их ожидает переход в следующий слой атмосферы. Переход этот начинается на высоте 10 километров (у полюсов) или 18 километров (у экватора).  Температура воздуха здесь снижается до -55 oC, но затем, по мере подъёма, остаётся неизменной. Это сигнал того, что мы поднялись в тропопаузу, промежуточное пространство между тропосферой и следующим слоем, стратосферой.

Греческое слово «страта» означает «слой». В стратосфере ещё достаточно воздуха, хотя он и сильно разрежен. Температура воздуха по мере подъёма повышается. У верхней границы стратосферы, на высоте около 50 километров, она достигает 0 oC. Воздух в стратосфере движется не вверх или вниз, как в тропосфере, а в очень быстрых воздушных потоках, параллельных поверхности Земли. Водяного пара здесь практически нет, а значит, нет и крупных облаков. Правда, тонкие облака, которые называются перламутровыми и которые можно наблюдать на закате, здесь есть.

За счёт чего повышается температура воздуха в стратосфере? За счёт того, что здесь на высоте 20 – 25 км имеется тонкий слой с повышенным содержанием озона, чрезвычайно активного вещества, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (О3). Под воздействием чрезвычайно энергичных ультрафиолетовых лучей в этом слое постоянно происходит реакция распада молекул кислорода (О2) на два составляющих их атома, в результате чего образуется атомарный кислород, вещество ещё более активное, чем озон. Беда в том, что на такой высоте атомарному кислороду соединяться не с чем, кроме как с кислородом молекулярным. Что и происходит. Так образуются молекулы озона, весьма неустойчивые, которая стремятся распасться при малейшем внешнем воздействии. Таким внешним воздействием служит всё то же жёсткое ультрафиолетовое излучение. Поглощая его, озон вновь распадается на атомарный кислород и обычный кислород. Этот самоподдерживающийся механизм возникновения озона, его недолгого существования и распада, который постоянно происходит в стратосфере называется механизмом Чепмена по имени Стивена Чепмена, открывшего его в 1930 году.

Механизм Чапмена. Как озон поглощает ультрафиолетовые лучи
Механизм Чапмена. Как озон поглощает ультрафиолетовые лучи

Озона в верхних слоях атмосферы немного. Для измерения его количества придумана особенная единица, называемая числом Добсона. Однако тонкий слой озона успешно поглощает бóльшую часть падающего на нашу планету очень жёсткого ультрафиолетового излучения. Без этого фильтра существование жизни на Земле находилось бы под очень большим вопросом. По крайней мере, человеку бы под таким «дождём» жёсткого излучения было не выжить.

Боевые самолёты освоили высоты стратосферы. В начале 1950-х годов американская фирма «Локхид» сделала самолёт-разведчик U2, совершенные двигатели и необычайно огромные крылья которого позволяли ему лететь на высоте 21 километр, вне досягаемости советских истребителей МиГ-17 и советских радиолокационных систем. Современный истребитель без труда поднимается на высоту около 20 километров.

Выше стратосферы на высоте от 50 до 90 километров располагается мезосфера. Серединка нашего атмосферного тортика, ведь слово «мезо» по-гречески означает «середина» Температура воздуха в мезосфере снова уменьшается с высотой: от 0°С на нижней границе до 80 – 90°С на верхней.

Водяной пар поднимается даже в мезосферу. Поэтому и здесь образуются облака, которые называются серебристыми. Серебристые облака – самые высокие облака. Более того, здесь даже происходят грозы. Это очень интересное явление было случайно открыто в 1989 году. Длинные молнии в мезосфере не образуются, электрические разряды здесь очень быстрые и короткие.

Вообще мезосфера исследована хуже, чем более низкие и более высокие слои атмосферы. Это не удивительно. Воздух здесь чрезвычайно разрежён, и на самолёте в мезосферу не поднимешься. С другой стороны, для космических аппаратов этот слой всё ещё слишком плотный.  Мёртвая зона для полётов! Поэтому чаще всего мезосферу изучают снизу, с борта высотных самолётов, или сверху, с летящих выше спутников. Ну, и совсем ненадолго сюда залетают исследовательские ракеты. Мезосфера – это ещё не космос. Метеоры, прилетающие из космоса, сгорают, как правило, в мезосфере.

Границей космоса, с определённой степенью условности, принято считать так называемую линию Кáрмана. Эта линия – физический порог между воздушным пространством, в котором возможен (хотя бы теоретически) полёт самолёта и пространством, в котором летают спутники или космические корабли. Американский физик венгерского происхождения Теодор фон Карман вычислил высоту, за которой начинается космическое пространство, на основе достаточно простых рассуждений. Чем выше, тем более разреженным становится воздух, а значит самолёт должен лететь всё быстрее, чтобы обеспечить подъёмную силу. В какой-то момент для этого ему понадобится развить скорость, равную первой космической скорости, при достижении которой самолёт превратится в искусственный спутник Земли, которому уже не нужны никакие крылья. Согласно расчётам, линия Кармана находится над Землёй на высоте около 100 километров. На эту высоту уже в 1944 году поднимались немецкие ракеты «Фау-2». Можно считать, что именно тогда начались космические полёты.

Полярное сияние
Полярное сияние

Линия Кармана располагается в следующем за мезосферой слое атмосферы, в термосфере. Нижняя граница термосферы находится на высоте 80 – 90, а верхняя – 800 километров. Название термосферы происходит от греческого слова «термо», которое переводится, как «тёплый». В термосфере, действительно, очень тепло. Даже жарко. Здесь происходит резкое повышение температуры воздуха до 1500°С. Казалось бы, при такой температуре многие материалы должны сгореть или, по крайней мере, оплавиться. Этого не происходит из-за крайне низкой плотности воздуха на этой высоте. Молекулы воздуха движутся очень быстро, но их мало.

Именно в термосфере происходят все пилотируемые орбитальные полёты, а также полёты беспилотных спутников. Пилотируемые корабли запускают на орбиты, которые лежат на высотах от 200 до 500 километров. Выше находятся радиационные пояса, жёсткое излучение которых оказывает на людей вредное воздействие. А ниже ещё сравнительно много воздуха, который будет сильно тормозить космический корабль. Вывод же спутника на слишком высокую орбиту потребует больших затрат энергии. Поэтому на высокую орбиту запускают только спутники специального назначения (например, спутники связи). А спутники, предназначенные для исследования поверхности Земли лучше запускать на небольшие высоты.

Причиной повышения температуры в термосфере является опять же поглощение ультрафиолетового излучения Солнца. Но механизм поглощения здесь другой, нежели в озоновом слое. Ультрафиолетовые лучи поглощают молекулы кислорода, распадаясь при этом на атомы. Спустя некоторое время атомарный кислород рекомбинирует, то есть снова превращается в молекулы, но при этом энергия, полученная при поглощении ультрафиолета, не выделяется, и кислород нагревается. Процессы распада молекул кислорода на активные атомы и последующее соединение этих атомов в более «нагретые» молекулы способствуют поглощению жёсткого ультрафиолетового облучения. Так же, как озоновый слой, находящийся в стратосфере, термосфера защищает поверхность Земли от агрессивного излучения.   

Термосфера принимает на себя первый удар потока заряженных частиц, под воздействием которого чрезвычайно разреженный воздух верхних слоёв атмосферы ионизируется, образуя облака заряженных частиц-ионов. Поэтому раньше внешние слои атмосферы называли ионосферой. Существование ионосферы предсказал в 1902 году английский физик и математик Оливер Хевисайд. Он же предположил, что если направить вверх радиосигнал, то он отразится от ионосферы (слоя Кеннели – Хевисайда)  и может быть принят на поверхности земли далеко от места передачи. Таким образом была предсказана возможность радиосвязи на очень дальние расстояния.  

В термосфере также наблюдается красивейшее явление, полярное сияние, свечение чрезвычайно разреженного воздуха под воздействием испускаемых Солнцем заряженных частиц.

Самый внешний слой атмосферы называется экзосферой. Слово «экзо» переводится с греческого как «снаружи». Начинается экзосфера на высоте около 800 километров и тянется вверх до 3 тысяч километров.

Воздух в экзосфере чрезвычайно разрежен, а скорость движения молекул очень высока и соответствует температурам 1500 - 3000°С.  Если скорость молекул превышает вторую космическую скорость (около 11 километров в секунду), то они покидают атмосферу нашей планеты, улетая в космос. Так что за Землёй при движении её в космосе тянется «хвост» теряемых частиц, словно за кометой.


Text.ru - 100.00%