Лекция 5. Атмосфера – воздушная оболочка Земли

1. Происхождение и состав атмосферы

2. Солнечная радиация: понятие, виды, характеристики

3. Тепловой режим подстилающей поверхности и атмосферы

4. Влагооборот в атмосфере

5. Общая циркуляция атмосферы

6. Погода и климат

Происхождение и состав атмосферы

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, удерживаемая силой притяжения и участвующая во вращении планеты. Сила земного притяжения удерживает атмосферу вблизи поверхности Земли. Наибольшее давление и плотность атмосферы наблюдаются у земной поверхности, по мере поднятия вверх давление и плотность уменьшаются.

Атмосфера, как и планета в целом, вращается против часовой стрелки с запада на восток. Из-за вращения она приобретает форму эллипсоида, т. е. толщина атмосферы у экватора больше, чем вблизи полюсов. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменом. Энергией атмосферных процессов служит электромагнитное излучение Солнца.

Атмосфера Земли прошла в своем развитии три этапа.

1. Первичная атмосфера планеты состояла из водорода и гелия – газов первичного протопланетного облака. Такая атмосфера наблюдается у планет-гигантов. Очевидно, из-за большого притяжения планет и удаленности от Солнца они сохранили первичные атмосферы. Планеты земной группы первичные атмосферы потеряли.

2. На втором этапе благодаря разогреву недр, вулканической активности и дегазации мантии началось выделение углекислого газа, аммиака, метана, паров воды – сформировалась вторичная атмосфера. Сейчас подобные атмосферы наблюдаются у Марса и Венеры, они на 95 % состоят из углекислого газа. Вероятно, подобная атмосфера была у Земли. И в настоящее время водяной пар и углекислый газ составляют основную часть вулканических газов современных извержений, количество воды достигает 20 % от объема изливающихся базальтов. Понадобилось длительное время, прежде чем произошло связывание большого количества углекислого газа и накопление свободного азота и кислорода в атмосфере.

3. Третий этап – формирование азотно-кислородной атмосферы Земли. Предполагается, что решающее влияние на эволюцию земной атмосферы оказали процессы фотосинтеза под воздействием солнечной радиации. Фотосинтез обусловил уменьшение содержания углекислого газа и появление свободного кислорода в атмосфере. В свою очередь, свободный кислород обеспечил окисление аммиака вулканических газов и накопление азота – химически неактивного газа. Биологическая эволюция атмосферы Земли началась около 3 млрд лет назад, когда появились автотрофы. Кислород мог высвобождаться за счет расщепления молекулы воды в реакции фотосинтеза и постепенно стимулировать переход от примитивных автотрофов к более развитым формам фотосинтеза.

В жизни географической оболочки атмосфера имеет огромноезначение. Она является защитным экраном, не пропуская к Земле метеоры и жесткое солнечное излучение. Благодаря атмосфере амплитуда температур на планете невелика, ночная сторона сильно не остывает, а дневная – не нагревается. Без атмосферы не было бы звука, полярных сияний, облаков и осадков. Воздух нужен всему живому.

Атмосферный воздух – механическая смесь газов, в которой во взвешенном состоянии содержатся пыль и вода. Чистый сухой воздух состоит из 78,09 % азота и 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03% углекислого газа. Остальные газы: неон, гелий, криптон, водород – составляют менее 0,1 % (таблица 2). Процентное соотношение газов сохраняется неизменным до высоты 80 –100 км, здесь простирается гомосфера. Выше происходит диссоциация (расщепление) молекул газа на атомы под действием ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца; атмосфера выше 100 км называется гетеросферой. До высоты 200 –250 км преобладают атомарные азот и кислород, до 700 км – атомарный кислород, выше – атомарный водород. В верхних слоях атмосферы обнаружено новое соединение – гидроксил ОН. Наличие этого соединенияобъясняет образование водяного пара на больших высотах в атмосфере.

Таблица 2 – Газовый состав атмосферы

Строение атмосферы. 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 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 уменьшается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. Если на поверхности Земли температура равна +15°С, на верхней границе тропосферы она равна от - 55 °С до - 50 °С. 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 простирается до высот 50 – 55 км отделяется от мезосферы стратопаузой. В нижней части стратосферы температура воздуха постоянна, здесь располагается изотермический слой. Начиная с высоты 22 км температура воздуха начинает повышаться, на верхней границе стратосферы она достигает 0 °С. 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. В стратосфере содержится менее 20 % воздуха атмосферы.

Мезосфера располагается на высотах от 55 до 80 км, в этом слое температура воздуха с высотой уменьшается и вблизи верхней границы падает до -80 °С. В верхней мезосфере на высоте 80 км в сумерки видны серебристые облака. Природа их еще не изучена, предполагают, что они состоят из смерзшихся газов.

В термосфере температура воздуха быстро растет с высотой и достигает 1000 °С 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 15 000 °С. При такой температуре молекулы легких газов развивают скорость до 11 200 м/с и покидают сферу притяжения Земли.