Строение  атмосферы Земли

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля и движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое. Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь. Атмосфера возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формируется и за счет газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения. Сколько газов поступает из недр Земли, примерно столько же их и рассеивается в открытом космосе. Масса атмосферы примерно 5,3 млрд тонн.

В зависимости от изменения температуры в атмосфере выделяют следующие слои (рисунок 1):

· Тропосфера - это нижний слой атмосферы. Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом g=0,65°С/100 м. Тропосфера нагревается от Земли, которая в свою очередь нагревается солнечными лучами. Содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны.

· Тропопауза – это переходный слой между тропосферой и стратосферой, толщиной примерно 2 км, температура в котором изменяется мало, вертикальный температурный  градиент g£0,2°С/100 м.

· Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся примерно на высоте от 10 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 10—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—50 км от −56,5 до 0 °С. Нагревание происходит за счет поглощения озоном ультрафиолетовой солнечной радиации. В стратосфере содержится около 20 % всей массы атмосферного воздуха.

· Стратопауза – это переходный слой между стратосферой и мезосферой, температура практически не изменяется.

· Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. В мезосфере содержится  около 0,3% всей массы атмосферного воздуха

· Мезопауза - переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90°C).

· Термосфера имеет верхнюю границу около 600 - 800 км. Суточные колебания температуры здесь составляют сотни градусов. Но воздух здесь настолько разряжен, что понятие «температуры» в нашем понимании здесь мало что значит. Кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре порядка 1500°К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Сравнительная характеристика некоторых параметров атмосферы на уровне моря и на верхней границе термосферы приведена в таблице 1.

Таблица 1.

В термосфере содержится около 0,05% всей массы атмосферного воздуха.  Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха, наблюдаются полярные сияния. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Мезосферу и термосферу называют также ионосферой. В ионосфере создаются слои, отражающие радиоволны. Это позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь вокруг Земли.

Экзосфера (сфера рассеяния) - это внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство.  Экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода, и пылевидными час­тицами кометного и метеорного происхождения. Краткая характеристика различных слоев атмосферы приведена в таблице 2.

Таблица 2

Озоносфера. Ее главная особенность – повышенное содержание трехатомного кислорода (О₃) – озона. Озон сконцентрирован главным образом в слое 10—50 км, причем его максимальная концентрация приходится на высоту около 25 км. Толщина слоя озона, приведенная к нормальным условиям (t = 0°С, р = 760 мм. рт. ст), составляет 2 – 4 мм.Озон образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетовых лучей, которые он поглощает, предохраняя от них живые организмы. В вышележащих слоях для образования озона не хватает кислорода, а в нижележащих слоях – ультрафиолетовой радиации. Содержание озона заметно изменяется. Среднее содержание его ночью больше, чем днем. В годовом ходе наибольшее содержание озона наблюдается весной и наименьшее — осенью в обоих полушариях. Годовые колебания резко выражены в высоких широтах и совершенно исчезают на экваторе. Общее количество озона на экваторе мало (около 2,0 мм), а в высоких широтах велико (до 4,0 мм).

Гомосфера – это область атмосферы от поверхности земли до высоты примерно 100 - 120 км, которая представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов.

Гетеросфера — это область с переменным газовым составом, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, а их перемешивание на такой высоте незначительно. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли.