Атмосфера - meteonaa.esy.es

Атмосфера Земли
Лектор: Меликов Б.М.
Общие сведения
Атмосфера (от древне греческого слова
atmos — пар и sphera — шар) — газовая
оболочка (геосфера), окружающая планету
Земля. Масштабы атмосферы простираются
начиная от Земной поверхности до ее внешней
границы, достигающей околоземной части
космического пространства.
Нижние слои атмосферы определяют погоду,
изучением погоды занимается метеорология, а
длительными вариациями погоды —
климатология.
Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной
системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь.
Когда 4,5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей
видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была
сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с
примесями диоксида углерода, азота и других химических веществ из
недр молодой планеты.
Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию
озонового слоя на высотах примерно 8 – 30 км. И, тем самым, наша
планета приобрела защиту от губительного воздействия
ультрафиолетового излучения. Это обстоятельство послужило толчком
для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, т.к. в результате
усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало
стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию
жизненных форм в том числе и на суше.
На частицы газа, содержащиеся в атмосфере, действует сила притяжения
Земли. А, учитывая то, что воздух сжимаем, то его плотность с высотой
постепенно убывает, переходя в космическое пространство без четкой
границы. Половина всей массы земной атмосферы сосредоточена в
нижних 5 км, три четверти – в нижних 10 км, девять десятых – в нижних 20
км. 99% массы атмосферы Земли сосредоточено ниже высоты 30 км.
Физические свойства
Толщина атмосферы — примерно 2000—3000 км от
поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в
атмосфере — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого
воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·1018 кг, общая
масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.
Химический состав
Атмосфера Земли
состоит в основном из
газов и различных
примесей (аэрозоли пыль, капли воды,
кристаллы льда,
морские соли, продукты
горения).
Рис. 1. Диаграмма
распределения
химического состава
газов атмосферы
Состав сухого воздуха
Газ
Содержание по объему, %
Азот
78,0
Кислород
20,1
Аргон
0,9
Углекислый газ
0,03
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Водород
Ксенон
Закис озота
1,07
Схема строения атмосферы
Согласно физическому свойству
изменения температуры по высоте
атмосферу Земли принято условно
разделить на следующие слои:
Тропосфера;
Стратосфера;
Мезосфера;
Термосфера;
Экзосфера.
Тропосфера
В средних широтах тропосфера простирается в среднем от поверхности Земли до
12 км. Именно в ней происходит формирование нашей погоды. Температура в
тропосфере с высотой понижается адиабатически, т.е. изменение температуры
происходит вследствие убывания давления с высотой. Температурный профиль
тропосферы во многом обусловлен поступающей к поверхности Земли солнечной
радиацией. В результате нагрева поверхности Земли Солнцем формируются
конвективные и турбулентные потоки, направленные верх, которые формируют
погоду. Стоит заметить, что влияние подстилающей поверхности на нижние слои
тропосферы распространяется до высоты примерно 1,5 км. Конечно, исключая
горные районы.
Верхней границей тропосферы является тропопауза – изотермический слой.
Высота тропопаузы зависит от географической широты. Так, на экваторе она
находится на высоте примерно 16 км, и ее температура составляет около –80°C.
На полюсах тропопауза расположена ниже – примерно на высоте 8 км. Летом ее
температура здесь составляет –40°C, и –60°C зимой.
Ширина слоя тропопаузы колеблется в пределах 1- 2 км.
В тропопаузе встречаются струйные течения, скорость которого достигает 200 –
300 км/ч.
Стратосфера
Далее в стратосфере температура с высотой не понижается, а
наоборот, растет, пока не достигает в зависимости от сезона и
широты -30°C…+20°C на высоте примерно 48 км. Такой рост
температуры обусловлен взаимодействием ультрафиолетового
излучения с озоновым слоем, который располагается как раз в
стратосфере.
Ультрафиолетовые лучи поглощаясь озоновым слоем обратно
излучаются в виде инфракрасных лучей, которые согревают
окружающий воздух.
Стратосфера простирается примерно до 48 км над поверхностью
нашей планеты и вместе с тропосферой составляет 99,9% нашей
атмосферы.
Верхней границей стратосферы является стратопауза.
В авиации тропосферу и нижнюю стратосферу называют
авиационной атмосферой.
Мезосфера
Над стратопаузой температура снова начинает понижаться. Этот слой
называется мезосферой. В верхних слоях мезосферы температура
падает от -90°C до -110°C.
В мезосфере рождается такое красивое световое явление в атмосфере,
как вспышки метеоров (рис. 2). Поэтому, наблюдая «падающие звезды».
Также в верхних слоях мезосферы формируются загадочные серебристые
облака, которые в северном полушарии Земли можно наблюдать
короткими летними ночами с мая по август над северным горизонтом.
Тонкие серебристые облака образуются вследствие восходящих потоков,
формирующихся из-за достижения максимальной температуры
стратопаузы вследствие максимального притока солнечной радиации.
Они формируются в верхней мезосфере на высотах примерно 80 км над
поверхностью Земли.
Заканчивается мезосфера мезопаузой на высоте примерно 85 км.
Рис. 2. Падение метеора
Термосфера
Верхний слой атмосферы называется термосферой. Здесь температура снова
начинает расти, причем до значительных значений (до 500–1000°К в зависимости
от солнечной активности).
Суточные колебания температуры здесь составляют сотни градусов. Но воздух
здесь настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем понимании здесь
мало что значит. Во периоды солнечных вспышек температура достигает до 2000
K.
Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и
космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния» рис.
3) — основные области ионосферы лежат внутри термосферы.
Высота термопаузы в зависимости от солнечной активности меняется от 200 до
500 км. Выше 500 км определение температуры является очень сложной задачей
из-за крайней разреженности этих самых верхних границ земной атмосферы.
Экзосфера — Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно
в межпланетное пространство. зона рассеяния, внешняя часть атмосферы,
расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт
утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). На высоте около
2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый
ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разрежёнными частицами
межпланетного газа, главным образом атомами водорода.
Рис. 3. Полярное сияние
Схема структуры атмосферы
Международная стандартная атмосфера
Международная стандартная атмосфера (сокр.
МСА, англ. ISA) — гипотетическое вертикальное
распределение температуры, давления и плотности
воздуха в атмосфере Земли, которое по
международному соглашению представляет
среднегодовое и среднеширотное состояние.
Для МСА принимают следующие условия: давление
воздуха на среднем уровне моря при температуре
15 °C равно 1013 мб (760 мм рт. cт.), температура
уменьшается по вертикали с увеличением высоты на
6,5 °C на 1 км (1,98 °C на 1000 фут) до уровня 11 км
(условная высота начала тропопаузы), где
температура становится равной −56,5 °C и почти
перестаёт меняться.
Все параметры атмосферы значительно изменяются
в пространстве и времени. Такие изменения
значений метеорологических величин приводят к
тому, что становится невозможным прямое
сравнение результатов различных испытаний
авиационной техники. Для того чтобы результаты
испытаний можно было сравнивать, а также для
выполнения в оперативной работе общих
международных процедур (например, определение
эшелонирования) введено понятие стандартная
атмосфера.
Стандартная атмосфера представляет собой
осредненные значения метеорологических величин у
Земли и на высотах, которые приняты во всем мире
и которые не зависят не от географического района,
не от времени года, не от времени суток.
Примеры задач по теме пройденного
материала
Задача 1.
Высота полета H=30 000 фут (10 000 м), фактическая температура на
высоте T=-50°C. Определить различие от МСА.
Решение: учитывая стандартное значение вертикального градиента
температуры (1,98 на 1000 футов), значение стандартной температуры на
высоте 30 000 фут можно определить по следующей несложной формуле
МСА=15-(1,98х30)=-44 °C
Подставляя значения можно определить разницу температур
Tфакт=МСА±Δ.
Результат: значение фактической температуры различается от
МСА на (-6 °C)
Задача 2.
Высота полета H=22 000 фут, различие от МСА +10 °C.
Определить фактическую температуру на указанной высоте.
Решение: Определяем температуру по МСА для указанной высоты
МСА=15-(1,98х22)=-28,56 °C
Далее по известному значению разницы между температурами
определяем фактическую температуру
Tфакт=МСА±Δ =-28,56 °C+10 °C=-18,56
Результат: значение фактической температуры на высоте 22 000
фут составляет
-18,56 °C
Ссылка литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Баранов А.М. и др. Авиационная метеорология.
С.П. Гидрометиздат, 1992 г.
Богаткин О.Г. Авиационная метеорология. Санкт
Петербург – 2005 г.
Гусейнов Н.Ш. Диспетчеру управления воздушным
движением и летчику о метеорологии. Баку.
Ширваннешр. 1998 г.
Лещенко Г.П. Авиационная метеорология.
Кировоград – 2009 г.
Позднякова В.А. Практическая авиационная
метеорология. Екатеринбург 2010 г.
Meteorology – JAR.