Розподіл атмосфери за вертикальним напрямком

Склад повітря у верхніх шарах атмосфери

Спочатку панувало уявлення про те, що в атмосфері гази розміщуються згідно закону Дальтона, тобто кожен газ складає ніби свою атмосферу та розподіляється в ній незалежно від наявності інших газів. У відповідності з цим вміст важких газів повинен був би з висотою зменшуватися швидше, ніж легких. За розрахунками цих даних, починаючи з висоти 100 км в атмосфері були б тільки гелій і водень. Але це не відповідає дійсності, так як в атмосфері відбувається постійне перемішування газів по висоті в результаті турбулентності та горизонтальних рухів.

На основі вивчення спектрів північних сяйв нічного неба точно встановлено, що атмосфера являє собою азотно-кисневу оболонку. На великих висотах під дією ультрафіолетової радіації Сонця відбувається розчеплення молекул кисню на атоми. Вище 100 км кисень уже повністю дисоційований (дисоціація – це розкладення молекул на атоми). Очевидно, що й азот вище 200-300 км знаходиться в такому ж стані. Відсутність у високих шарах атмосфери легких газів (гелія та водню) спричиняється їх виходом (дисипацією) із сфери тяжіння Землі за межі атмосфери в міжпланетний простір (В.Г.Фесенков). Це відбувається за рахунок великих швидкостей молекул цих газів.

Атмосфера ділиться на ряд вертикальних шарів, які розрізняються за своїми властивостями та головними процесами, що протікають у цих шарах. Це

- Тропосфера (0–17(18) км),

- Стратосфера (10–80 км),

- Іоносфера (80–100 км).

Найнижчій шар називається тропосферою («тропос» - по-грецьки «поворот») або шаром перемішування. Її потужність у середньому до 11 км, на полюсах 8-10 км, у помірних широтах 10-12 км, 16-18 км на екваторі. Повітря в тропосфері знаходиться в постійному русі як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. У тропосфері відбувається більшість метеорологічних процесів, там зосереджене життя. У ній повітря більш щільне, тут знаходиться 80 % повітря (або ¾ всієї маси), головна кількість домішок, практично вся водяна пара. В тропосфері формуються хмари, дощ і сніг, грози і шторми, з’являються і розсіюються тумани, виникають і руйнуються велетенські смерчі, циклони, антициклони та інші фізичні процеси, що формують погоду та кліматичні умови різних областей планети.

Суттєвою особливістю атмосфери є зменшення температури з висотою. В середньому на кожні 100 м висоти температура знижується на 0,6. На верхній межі тропосфери в середніх широтах температура досягає -50 – -60⁰.

Тропосфера добре вивчена прямими аерологічними та метеорологічними методами. Умовно тропосферу можна розділити на 3 шари:

1. Нижній шар або шар обурення, висота його 1–2 км. У ньому найбільш різко виявляється вплив (механічний і тепловий) земної поверхні. Часто його називають шаром перемішування. В цьому шарі розвиваються хмари нижнього ярусу (шаруваті, шарувато-купчасті, низькі купчасті, купчасто-дощові, шарувато-дощові).

2. Середній шар товщиною від 2 до 6 км. Тут менше проявляється вплив земної поверхні, відбувається головне перенесення повітряної маси по горизонталі, розвивається потужна конвекція та утворюються хмари середнього ярусу (висококупчасті з малими та крупними хвилями, високі шаруваті непрозорі хмари, що просвічуються).

3. Верхній шар – від 6 км до тропопаузи. В ньому вплив земної поверхні виявляється дуже малим. Сюди проникають вершини потужних хмар і утворюються льодові хмари верхнього ярусу. Температура цього шару завжди від’ємна (перисто-купчасті, перисті щільні, перисто-шаруваті, перисті).

Вище тропосфери розташовується шар тропопаузи або субстратосфери, що є перехідним шаром між тропосферою та стратосферою. Тут відбувається обмін шарами між верхніми та нижніми. Потужність тропопаузи невелика та коливається від декількох сотень метрів до 1-2 км товщини. Положення тропопаузи визначається за характером змінювання температури з висотою – за її початок приймається або постійна температура з висотою (ізотермія), або її підвищення (інверсія).

Шар стратосфери (стратум – шар) розташовується над шаром тропопаузи. За розподілом температури та іншими фізичними особливостями стратосферу ділять на 3 шари:

1. Нижній (ізотермічний) шар – від тропопаузи до висоти 30-35 км. Температура цього шару біля -55°. Незмінність температури в цьому шарі пояснюється променевою рівновагою – притік тепла дорівнює його відтоку.

2. Середній (теплий) шар відрізняється сильною інверсією температури, що виникає завдяки поглинанню шаром озону ультрафіолетової радіації Сонця. Протяжність цього шару від 35 до 60 км. Температура в ньому з висоти 30-35 км починає підвищуватися та на висоті 60 км досягає 65-75°. Деякі дослідники вважають, що температура на цій висоті може досягати навіть 100°. Ці дані отримані на основі спостережень за розповсюдженням звуку під час сильних вибухів, які дозволили уточнити величини температури до висоти 60 км.

3. Верхній (холодний) шар простягається від 60 до 80 км. У ньому температура повітря знову швидко зменшується з висотою (до -70 – -80° на верхній межі шару), що сприяє розвитку тут вертикального перемішування та конвекції, тому цей шар іще інколи називають верхньою тропосферою.

Шар стратосфери значно розріджений, з висотою кількість головних газів (азот, кисень) зменшується, а водню та гелію – збільшується. Тут утворюється озоновий шар.

Іоносфера (іон – блукаючий, той, що йде) відрізняється великою кількістю іонізованих молекул, атомів газів, вільних електронів, які разом з нейтральними частинками утворюють іонізовану плазму. Цей шар відрізняється також особливими електричними властивостями. Велика електропровідність повітря в шарі іоносфери слугує причиною відбиття від іоносфери радіохвиль, які розповсюджуються від земної поверхні. У відповідності з характером розподілення іонізації по висоті іоносферу також розподіляють на шари, висота яких зазнає добових і річних коливань:

- нижній шар Е лежить на висоті 80 – 100 км;

- верхній F – на висоті 250 – 300 км.

Іоносфера розповсюджується до великих висот (порядку 800-1000 км), верхня її границя ще не визначена. Спостереженнями за поглинаннями радіохвиль встановлено, що на висотах 300-400 км господарюють високі температури, що досягають 1500⁰.

Знедавна виділяють ще одну газову оболонку Землі – сферу розсіювання чи дисипації. В ній відбувається розсіювання газів у атмосфері у світовий простір.

Дата добавления: 2014-01-11