Строение атмосферы — в помощь студенту

Значение атмосферы для Земли было осознано человечеством давно. Ее воздушные слои служат щитом от жесткого космического излучения и метеоритов, не составляя преграды для солнечных лучей, не пропускают обратно тепловое излучение поверхности планеты.

Зачем нужно изучать процессы в атмосфере

Можно ли было предотвратить потопление эскадры из шестидесяти британских и французских военных кораблей в Черном море? Это случилось четырнадцатого ноября 1854 года во время Крымской Войны.

После изучения предоставленных метеорологических сводок Урбен Леверье (Парижская обсерватория) пришел к выводу, что можно было предвидеть ураган (значит, не давать приказа выходить в открытое море), спрогнозировать это явление.

Этот исторический пример доказывает неизбежность развития науки, позволяющей наблюдать за атмосферой и прогнозировать ее поведение.

От того, как изучают атмосферу сегодня метеорологи, зависит определение оптимальных погодных сроков работы на полях, авиация без срочных прогнозов поведения воздушных масс становится не безопасной. Подтопления, град, ураганы, засухи — это неполный список природных явлений, происходящих в атмосфере.

Чем и как изучают атмосферу: первые исторические попытки организации наблюдений

Аристотель еще в четвертом столетии до нашей эры написал труд, названный им «Метеорологика» (Ликейский период Аристотеля — с 334 по 322 год до н. э.). Поэтому наука, изучающаяя атмосферу, называется метеорология.

Возможность изучения метеоусловий возникла после изобретений в 17 веке Галилео Галилеем термометра (фиксация температуры) и барометра (измерение давления) Отто фон Герике.

Флюгер (измерение направления ветра), анемометр (измерение скорости движения воздуха), гигрометр (измерение влажности), плювиограф (измерение количества осадков), созданные в этом же веке, расширили список фиксируемых параметров атмосферы.

• Сеть из девяти метеостанций (самая первая в истории) в Италии с 1854 по 1667 собирала информацию о параметрах атмосферы.
• Вторая европейская сеть метеостанций (1723-1735) работала по инструкции, содержащей стандартные таблицы измерений с методическими указаниями по пользованию приборами, написанной Джеймсом Джурином (Лондон).
• Одновременно в России на двадцати четырех метеостанциях (1733-1744) велись наблюдения за атмосферой (инструкция Даниила Бернулли).

Строение атмосферы

В зависимости от процентного состава газообразных составляющих, их температуры воздушную оболочку планеты принято делить послойно.

Тропосфера — воздушная масса, прилегающая к поверхности. Высота нижнего слоя меняется от полюсов к экватору — над полюсами до 8 километров, над экватором до 17. Нагрев воздуха в нем происходит от поверхности планеты, через каждые сто метров температура понижается на 0,6 градуса Цельсия. На верхней границе слоя температура равна приблизительно минус 55 градусов.

Воздушные массы в тропосфере самые плотные (действует притяжение Земли), они находятся в постоянном движении, именно здесь образуются облака из маленьких капелек испаряющейся с поверхности воды.

Стратосфера — следующий большой воздушный слой, его высота — до пятидесяти пяти километров. Воздух разрежен, температура сначала падает, затем подымается с высоты в двадцать пять километров (на один-два градуса на каждый километр высоты).

Мезосфера — высота до восьмидесяти-восьмидесяти пяти километров, рост температуры продолжается.

Термосфера — ее высота — восемьсот километров.

Мезосфера и термосфера — это ионосфера. Атмосферное явление — полярное сияние — формируется именно в ионосфере.

Самый дальний от поверхности планеты слой с температурой в две тысячи градусов — экзосфера.

Какими способами изучают атмосферу

Количество параметров, характеризующих воздушные массы, известны давно. Ученые разных стран еще в девятнадцатом веке пришли к соглашению о единой системе, в которой должны производиться измерения.

К методам изучения атмосферы относятся наземные (метеорологические станции), аэродинамические (радиозонды, ракеты), спутниковые и орбитальные (искусственные спутники Земли и орбитальные космические станции).

Метеостанции

Во всем мире на сегодняшний момент существует порядка восьми тысяч метеоплощадок, оснащенных единообразными измерительными приборами для изучения атмосферы. Они фиксируют следующие параметры:

• температура (используются различные виды термометров, максимальный и минимальный — для измерения максимума и минимума температуры воздуха за определенный период, термометры для измерения температуры почвы, термограф (самописец) — для регистрации показаний);
• атмосферное давление (барометр и барограф — для регистрации);
• влажность воздуха (абсолютная и относительная — гигрометром и психрометром, гигрограф — для регистрации);
• скорость ветра и направление (флюгер со шкалой — анеморумбометр);
• количество осадков за период измерений (осадкомер и плювиограф — для регистрации);
• высота снежного покрова (специальная рейка).

На части метеостанций регистрируются гололед, изморось, лед.

Часть метеостанций с более высоким статусом (определяются государственными метеокомитетами) измеряю нижнюю границу облачности (направленными прожекторами), оптическую дальность, испарение почвы, солнечное излучение.

Все метеостанции свои наблюдения передают в единые центры. В России это Росгидромет.

Аэрологические станции

Скорость и направление ветра, температуру, давление на высотах от тридцати метров до сорока километров (тропосфера и часть стратосферы) регистрируют с помощью системы АРЗ-РЛС (аэрологический зонд — радиолокационная станция).

Зонд — это специальный баллон (из резины или пластика, заполненный водородом или гелием (несколько реже, хотя менее опасно) для поднятия вверх и контейнер с датчиками температуры, давления. Сигналы датчиков преобразуются в радиосигнал, затем передаются на РЛС.

Радиолокационная станция принимает сигналы и расшифровывает их. РЛС «ведет» радиозонд, отслеживая его положение по вертикали и горизонтали.

1. Таким образом аэрологическая станция получает самые достоверные данные о температурах, давлении и о скорости и направлении ветра на различных высотах.
2. Так как изучают атмосферу с помощью зондов всего лишь от двух до четырех раз в сутки, этого совершенно недостаточно для сиюминутного знания о состоянии воздушных масс (перемещение, облачность).
3. Для нужд ветровых станций и аэродромов в последнее время разработаны содары (работают на акустических волнах), лидары (используют оптическое излучение), радиолокаторы — радары (радиоволны) и профайдеры (радиоакустическое и электромагнитное излучение).

Метеорологические ракеты

Исследование атмосферы на высотах до ста километров проводятся с помощью запусков геофизических (метеорологических) ракет. К сегодняшнему дню многие страны создали станции для пуска ракет по всему миру (около пятидесяти).

Принципы ракетостроения, система запусков, обработки сигналов и отслеживание ракеты разработаны были еще в Советском Союзе в пятидесятых годах прошлого столетия.

То, как изучают атмосферу с помощью ракет, достаточно уникально. Суть методики изучения атмосферы данным способом состоит в следующем. В голову ракеты устанавливаются и крепятся измерительные приборы. Ракету вывозят на стартовую площадку станции, размещают в пусковой установке.

Все производимые на спуске измерения передаются на наземные станции. На начальном этапе падения скорость начинает увеличиваться, достигая своего максимума на высоте около шестидесяти километров. Плотность воздуха на этой высоте достаточна для начала работы парашюта.

Головная часть ракеты на парашюте плавно спускается на поверхность. Траектория падения (дрейфа в атмосфере) отслеживается локатором.

Давление, температура и, наконец, основное — скорость и направление ветра, измеряются ракетой с высокой точностью.

Научные исследования с помощью пусков ракет не ограничиваются только этими измерениями, на этих высотах предметом изучения могут быть и состав воздуха и озоновый слой, и солнечное излучение, и радио магнитное излучение.

Исследования с помощью спутников и орбитальных станций

Космическая эра наблюдений (исследований) началась с запусков искусственных спутников земли (4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник).

На сегодняшний день спутники, облетая планету, предают информацию через каждый час-полтора, охватывая полосу поверхности планеты шириной от километра до трех. Следующий виток проходит рядом, поэтому за двенадцать-четырнадцать оборотов метеорологи получают полную (кроме полюсов) фотографическую картинку поверхности и облачных масс.

Источник: https://www.syl.ru/article/360168/kak-izuchayut-atmosferu-znachenie-atmosferyi-dlya-zemli-nauka-izuchayuschaya-atmosferu

Основные слои атмосферы Земли в порядке возрастания

Газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля, известная как атмосфера, состоит из пяти основных слоев. Эти слои берут начало на поверхности планеты, от уровня моря (иногда ниже) и поднимаются до космического пространства в следующей последовательности:

• Тропосфера;
• Стратосфера;
• Мезосфера;
• Термосфера;
• Экзосфера.

Схема основных слоев атмосферы Земли

В промежутке между каждым из этих основных пяти слоев находятся переходные зоны, называемые «паузами», где происходят изменения температуры, состава и плотности воздуха. Вместе с паузами, атмосфера Земли в общей сложности включает 9 слоев.

Тропосфера: где происходит погода

Из всех слоев атмосферы тропосфера является тем, с которым мы больше всего знакомы (осознаете ли вы это или нет), так как мы живем на ее дне — поверхности планеты. Она окутывает поверхность Земли и простирается вверх на несколько километров. Слово тропосфера означает «изменение шара». Очень подходящее название, так как этот слой, где происходит наша повседневная погода.

Начиная с поверхности планеты, тропосфера поднимается на высоту от 6 до 20 км. Нижняя треть слоя, ближайшая к нам, содержит 50% всех атмосферных газов. Это единственная часть всего состава атмосферы, которая дышит. Благодаря тому, что воздух нагревается снизу земной поверхностью, поглощающей тепловую энергию Солнца, с увеличением высоты температура и давление тропосферы понижаются.

На вершине находится тонкий слой, называемый тропопаузой, который является всего лишь буфером между тропосферой и стратосферой.

Стратосфера: дом озона

Стратосфера — следующий слой атмосферы. Он простирается от 6-20 км до 50 км над земной поверхностью Земли. Это слой, в котором летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары.

Здесь воздух не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках.

По мере того, как вы поднимаетесь, температура увеличивается, благодаря обилию природного озона (O3) — побочного продукта солнечной радиации и кислорода, который обладает способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи солнца (любое повышение температуры с высотой в метеорологии, известно как «инверсия»).

Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы бушующую в тропосфере бурю, поскольку слой действует как «колпачок» для конвекции, через который не проникают штормовые облака.

После стратосферы снова следует буферный слой, на этот раз называемый стратопаузой.

Мезосфера: средняя атмосфера

Мезосфера находится примерно на расстоянии 50-80 км от поверхности Земли. Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.

Термосфера: верхняя атмосфера

После мезосферы и мезопаузы следует термосфера, расположенная между 80 и 700 км над поверхностью планеты, и содержит менее 0,01% всего воздуха в атмосферной оболочке. Температуры здесь достигают до +2000° C, но из-за сильной разреженности воздуха и нехватки молекул газа для переноса тепла, эти высокие температуры воспринимаются, как очень холодные.

Экзосфера: граница атмосферы и космоса

На высоте около 700-10000 км над земной поверхностью находится экзосфера — внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли.

Как насчет ионосферы?

Ионосфера не является отдельным слоем, а на самом деле этот термин используется для обозначения атмосферы на высоте от 60 до 1000 км.

Она включает в себя самые верхние части мезосферы, всю термосферу и часть экзосферы.

Ионосфера получила свое название, потому что в этой части атмосферы излучение Солнца ионизируется, когда проходит магнитные поля Земли на севере и юге. Это явления наблюдается с земли как северное сияние.

Источник: https://NatWorld.info/raznoe-o-prirode/osnovnye-sloi-atmosfery-zemli-v-porjadke-vozrastanija

Методы исследования атмосферы

Для изучения физического состояния атмосферы произво­дятся как инструментальные, так и визуальные наблюдения.

Инструментальные наблюдения осуществляются с помощью специальных приборов, устанавливаемых у поверхности земли на метеорологических станциях, и приборов, поднимаемых на резиновых шарах, самолетах, аэростатах и воздушных змеях.

Визуальные наблюдения ведутся на метеорологических станциях (рис. 3). В процессе этих наблюдений определяют форму и количество облаков (т. е. степень покрытия неба), дальность горизонтальной видимости (степень прозрачности воздуха), характер выпадающих атмосферных осадков, интен­сивность метелей и пр.

Метеорологическая станция

Существуют и косвенные методы изучения строения атмо­сферы. Косвенные методы применяются главным образом для получения сведений о высоких слоях атмосферы, которые пока малодоступны для зондирования.

К косвенным методам отно­сятся наблюдения за световыми явлениями в атмосфере, рас­пространением звуковых волн и радиоволн. Такие световые явления, как полярные сияния, светимость ночного неба, след метеоров, яркость сумеречного неба и др.

, позволяют судить о плотности и температуре воздуха, скорости и направлении воздушных потоков.

Из косвенных способов изучения атмосферы можно также отметить следующие:
по перламутровым облакам определяется ветер и влаж­ность воздуха на высотах 22—26 км, по серебристым обла­кам — воздушные течения на высотах 80—90 км;
по аномальному распространению звука устанавливается температура, давление, ветер; те же элементы определяются по метеорным следам на высотах 50—150 км;
по ультрафиолетовой радиации определяется содержание озона, по излучению ночного неба — состав и температура воздуха на высотах 60—70 км, по полярным сияниям — на вы­сотах 80—1000 км.
Метеорологическими и геофизическими ракетами определяется давление, плотность и температура воздуха, а также солнечный спектр и др.

Наиболее распространенным радиометеорологическим при­бором является радиозонд — изобретение П. А. Молчанова (рис. 4).

Выпускаемый на резиновом шаре в свободную атмосферу, радиозонд в полете регистрирует давление, температуру и влажность воздуха, а результаты измерений по радио пере­дает условными сигналами.

Сигналы улавливаются радио­приемниками и расшифровываются наблюдателями. После быстро произведенной обработки получают значения метеоро­логических элементов на раз­личных высотах.

Радиозонд, радиозонд в полете

Сведения о направлении и скорости воздушных течений на высотах получают с по­мощью шаров-пилотов и ра­диопилотов. Шары-пилоты — это небольшие резиновые ша­ры, наполненные водородом. После выпуска их в свободный полет за ними наблюдают в аэро­логический теодолит. По отсчетам величин углов вычисляется направление и скорость ветра на различных высотах.

В отличие от шаропилотных наблюдений, производящихся при ясной погоде, радиопилотные наблюдения с помощью радиолокатора или радиопеленгатора позволяют определять направление и скорость ветра и при облачной погоде.
Высота нижней границы облаков измеряется с помощью шаров-пилотов и прожекторов.

Для этой же цели используются самолеты, предназначенные для зондирования атмосферы, и облакомеры, поднимаемые на резиновых шарах.
В последние годы для изучения микроструктуры облаков и других целей оборудуются специальные самолеты-лабора­тории.

Почти все перечисленные средства наблюдений за физиче­ским состоянием свободной атмосферы созданы в текущем сто­летии, главным образом за последние 20—25 лет.
Изучением физических процессов и явлений, происходящих в свободной атмосфере, занимается аэрология, представляю­щая собой раздел метеорологии.
Первые сведения о строении атмосферы были получены с помощью аэростатов.

В России первое научное применение аэростата было осуществлено академиком Я. Д. Захаровым в 1804 г. В последующем полеты совершали известные ученые Д. И. Менделеев, М. А. Рыкачев и др. В частности, полет Д. И. Менделеева был произведен 7 (19) августа 1877 г. из го­рода Клина.

В нашей стране первый полет стратостата был совершен в 1933 г. Стратостат «СССР-1» поднялся на рекордную для того времени высоту 19 км (рис. 5). Другой советский страто­стат «Осоавиахим-1» в 1934 г.

достиг высоты 22 км. Наблю­дения, произведенные при полете, дали много ценных сведений о строении и составе воздуха в нижних слоях стратосферы. Полеты стратостатов в те годы были совершены и в США.

Стратостат «СССР-1»

Новые интересные данные об особенностях строения высо­ких слоев атмосферы, как уже говорилось, были получены в конце 40-х и в 50-х годах с помощью специальных метеоро­логических и геофизических ракет, искусственных спутников Земли и косвенных методов исследования атмосферы. Осо­бенно много запусков осуществлено в период МГГ, МГС и позднее, т. е. начиная с 1957 г.

Многочисленные запуски ракет как в СССР, так и за рубе­жом производились в самых различных пунктах северного и южного полушарий. В результате впервые были получены ценные сведения о высоких слоях атмосферы над Арктикой и Антарктикой, Европой и Азией, Америкой и Австралией, над океанами. Особенно интересны данные, полученные в Арктике, Антарктике и экваториальной зоне.

Большинство метеорологических ракет запускают на вы­соты 60—100 км. Геофизические ракеты достигают значительно больших высот. Так, например, созданная в СССР ракета с аппаратурой общим весом 2200 кг в мае 1957 г. поднялась на высоту 212 км, а 21 февраля 1958 г. другая советская ракета с научной аппаратурой общим весом 1520 кг достигла высоты 473 км.

Находящиеся в ракете приборы обычно возвращаются на Землю.
Регистрация различных метеорологических элементов и явлений происходит как при стремительном подъеме ракеты, так и во время плавного спуска на парашюте отделяющегося от нее контейнера с аппаратурой. Результаты наблюдений передаются на Землю с помощью радиотелеметрической аппа­ратуры.

Научные приборы регистрируют температуру, давление и химический состав атмосферы на разных высотах; с их по­мощью производится изучение физических свойств ионосферы, космических лучей, коротковол­новой ультрафиолетовой части солнечного спектра.

С запуском в высокие слои атмосферы первого искусствен­ного спутника Земли наряду с изучением этих слоев началось исследование граничащего с ни­ми космического пространства. Искусственные спутники Зем­ли для изучения атмосферы имеют значительные преимуще­ства по сравнению с метеороло­гическими ракетами.

Искусственные спутники, не­смотря на трудности запуска их на орбиту, обладают рядом преи­муществ. Представляя собой научную лабораторию, спутник в течение своего многодневного полета регистрирует и передает по радио сведения о составе атмосферы, космическом излу­чении, напряженности магнитного поля Земли, корпускулярном излучении Солнца и т. п. на всем земном шаре на высоте своей орбиты.

Специальные метеорологические спутники Земли произво­дят фотографирование облаков с высоты 300 км и более и тем самым регистрируют характер погоды одновременно над обширными районами Земли.

По данным, получаемым с по­мощью искусственных спутников Земли, производится расчет составляющих теплового баланса атмосферы, позволяющий опре­делить распределение температуры и ветра у поверхности земли и на высотах.

Очевидно, что на различные высоты одновременно может быть запущена серия метеорологических искусственных спут­ников, что позволит многократно и на протяжении длительного промежутка времени получать данные об особенностях про­цессов в высоких слоях атмосферы.

Правда, для длительного существования искусственного спутника необходимо, чтобы орбита его располагалась выше плотных слоев атмосферы, т. е. выше 200 км.
Искусственные спутники Земли, запускаемые на орбиты ниже 1000 км над земной поверхностью, проходят сквозь верх­ние слои атмосферы.

Соприкасаясь с атмосферой и испытывая сопротивление, спутники постепенно теряют свою скорость и переходят на более низкие орбиты. Искусственные спутники Земли, запущенные на орбиты выше 1000 км над земной по­верхностью, могут существовать длительное время.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в Со­ветском Союзе 4 октября 1957 г. на высоту – около 900 км, вто­рой — 3 ноября 1957 г.

на высоту 1700 км, третий — 15 мая 1958 г. на высоту 1880 км.
Большие перспективы в изучении космического простран­ства открылись в связи с запуском космических кораблей. Первый советский космический корабль-спутник был выведен на орбиту 15 мая 1960 г. Запуск второго космического корабля-спутника был осуществлен 19 августа 1960 г., третьего корабля-спутника— 1 декабря 1960 г.

12 фев­раля в Советском Союзе был осуществлен запуск ракеты к планете Венера, а 12 апреля 1961 г. первый космонавт мира Юрий Алексеевич Гагарин совершил полет вокруг Земли на ко­рабле-спутнике «Восток-1». Полет, продолжавшийся 108 мин., вызвал восхищение во всем мире.
12 апреля 1961 г. войдет в историю как первый день эпохи проникновения человека в космос.

Исторический подвиг Юрия Гагарина продемонстрировал силу творческого гения совет­ского народа.
Как известно, уже второй космический корабль-спутник весом до 4,6 т благополучно возвратился на Землю. Имелись все условия для полета человека. Но была необходима полная уверенность в безопасности полета и возвращении космонавта на Землю.

Лишь после ряда запусков советские ученые послали первого человека в космический полет. Позднее в США были осуществлены полеты человека в ракетах и в спутнике.
Осуществление полетов космических кораблей сопряжено с рядом трудностей. Еще в XVII в. великий Ньютон определил две величины скорости, необходимые для определения силы земного притяжения.

Одна из них — первая космическая ско­рость — у поверхности земли равна 8 км/сек. Эта скорость обе­спечивает полет запущенного объекта вокруг Земли в качестве искусственного спутника. Другая величина, называемая второй космической скоростью, равна 11 км/сек. Имея вторую косми­ческую скорость, запущенный объект преодолевает силу зем­ного притяжения и уходит в межпланетное пространство.

Такие скорости достигаются с помощью многоступенчатых ракет.
Для благополучного космического полета человека меж­планетные корабли должны быть управляемыми, так как при этом условии можно обеспечить возвращение на Землю. Но это еще не все. Необходимо создать такие условия, чтобы орга­низм человека мог выдержать полет. Человеческий организм легко переносит любые скорости.

Мы не чувствуем скорости движения поезда, полета самолета, движения Земли вокруг Солнца (последняя скорость равна примерно 30 км/сек) и т. п. Но организм человека очень чувствителен к изменениям ско­рости, т. е. к ускорению. Одни легко переносят катание на «аме­риканских» горах, а у других самочувствие ухудшается даже при подъеме и спуске в лифте.
Ускорение корабля-спутника огромно.

Это приводит к воз­растанию веса космонавта в момент взлета в несколько раз. Поэтому, помимо специальной тренировки организма для по­лета в космос, разработан такой режим подъема, который обеспечивает безопасность космонавта.
А какое влияние на человека оказывает невесомость?
При вертикальном запуске до высоты 100 км человек испы­тывает невесомость в течение примерно 3 мин.

, при запуске до 200 км — 5—6 мин., а до 500 км — около 10 мин. При орбитальном полете искусственных спутников Земли, как и кос­мических кораблей, невесомость продолжается непрерывно.
Полеты подопытных животных показали, что невесомость не должна заметно влиять на организм. После полета Юрия Гагарина вопрос о действии невесомости на тело человека был выяснен окончательно.

призем­лился в заданном районе, вблизи места посадки корабля-спутника «Восток-1» с пилотом-космонавтом Юрием Гагариным.
Полет космического корабля-спутника «Восток-2» происхо­дил по орбите с минимальным удалением корабля от поверх­ности Земли (в перигее) 183 км и максимальным удалением (в апогее) 244 км. Полет доказал возможность длительного пребывания человека в космическом пространстве.
11 августа 1962 г. в СССР на орбиту спутника Земли был выведен космический корабль «Восток-3», пилотировавшийся летчиком-космонавтом Андрияном Григорьевичем Николаевым. На следующий день, 12 августа, на орбиту был выведен ко­рабль «Восток-4» с летчиком-космонавтом Павлом Романовичем Поповичем.
Период обращения обоих кораблей вокруг Земли составлял 88,5 мин. Максимальное удаление кораблей от поверхности Земли (в апогее) достигало 251 и 254 км соответственно, а ми­нимальное (в перигее) — 183 и 180 км.
Первый в мире групповой полет космических кораблей про­исходил в ионосфере (термосфере), о которой наши знания пока весьма ограничены.
Советские корабли-спутники приземлились 15 августа около 10 часов. Программа полетов была выполнена полностью.
Корабль «Восток-3», облетев вокруг Земли более 64 раз, за 95 часов прошел расстояние свыше 2,6 млн. км, а корабль «Во­сток-4» за 71 час облетел Землю более 48 раз, пройдя расстоя­ние около 2 млн. км.

Замечательные полеты советских космонавтов Юрия Гага­рина, Германа Титова, Андрияна Николаева, Павла Поповича, американского космонавта Джона Гленна и др. показали, что в недалеком будущем человек сможет проникнуть в межпланет­ное пространство и осуществить мечты о полете на Луну и пла­неты солнечной системы.

Источник: https://collectedpapers.com.ua/ru/air_environment_of_the_earth/metodi-doslidzhennya-atmosferi

Вертикальное строение атмосферы

Тропосфера

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.

Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара.

В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м

Тропопауза

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км.

Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии).

Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.

Стратопауза

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

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. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).

Линия Кармана

Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.

Граница атмосферы Земли

Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.

Термосфера

Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот.

Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород.

Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.

Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. 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.

Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~150 °C.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода.

Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные час­тицы кометного и метеорного происхождения.

Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно.

Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера.

Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Источник: https://meteoinfo.ru/glossary/4806-atm-vert-structure

Состав и строение атмосферы Земли

Атмосферой называют воздушную (газовую) оболочку планеты, которая вращается вместе с ней. Ее верхняя граница пролегает на высоте 2-3 тыс. км, где оболочка плавно переходит в пространство космоса. А нижняя черта совпадает с земной поверхностью, поскольку воздух присутствует и в почве, и в воде. Строение атмосферы Земли сложное, однако, благодаря этому возможна жизнь на планете.

Особенности и значение атмосферы

Газовая оболочка полностью изменяет нашу планету. Ведь благодаря ей существует жизнь (воздух необходим для людей, животных, растений), мы слышим звуки (которые являются колебанием частиц воздуха).

Она придает небу голубой оттенок (лучи солнца проходят сквозь атмосферу и разлагаются на цвета, а голубой и синий оттенки рассеиваются лучше всех).

А еще эта оболочка задерживает на себе львиную долю ультрафиолета, не дает планете охлаждаться, удерживая тепло у ее поверхности.

Строение газовой оболочки

Без рассмотрения строения атмосферы Земли невозможно изучить ее полностью. Оболочка состоит из следующих слоев:

• Тропосфера;
• Стратосфера;
• Мезосфера;
• линия Кармана;
• термосфера;
• экосфера.

Каждый из них имеет свои особенности, плотность и температуру

Тропосфера – нижний слой с толщиной 8-18 км. Температура воздуха в нем зависит от высоты, поскольку тропосфера нагревается от земной поверхности. В среднем, при подъеме на каждую сотню метров, она понижается на 0,6 градусов. В этом слое атмосферы содержится 80 % ее массы, весь водяной пар, возникают осадки, грозы, ветер, то есть формируется погода.

Стратосфера – слой воздушной оболочки, расположенный на высоте 8-50 км над тропосферой. Ее оттенок – фиолетовый (из-за разреженности воздуха), здесь практически нет водяного пара, но сосредоточен озон. На стратосферу приходится около 20% массы атмосферы. Температура ее колеблется от -50 до 4-55 °С.

Мезосфера расположена на высоте 50-80 км. Она отличается очень низкой плотностью, черным оттенком и температурой -75–90°С. Термосфера начинается примерно на высоте 80 км.

Эти два слоя объединяют в ионосферу, которая характеризируется большой разреженностью воздуха и высокой наэлектризованностью. Здесь возникают полярные сияния.

Экзосферой именуют внешний слой воздушной оболочки Земли, расположенный выше 1000 км. В нем частицы газов двигаются с огромной скоростью и рассеиваются в космосе.

Между основными слоями оболочки расположены промежуточные или переходные – стратопауза, тропопауза, термопауза, мезопауза. Линия Кармана – это условная граница между космосом и атмосферой, которая пролегает на высоте 100 км над уровнем моря.

Состав оболочки

Строение атмосферы Земли невозможно изучать без ее состава. Воздушная оболочка состоит из смеси газов: кислорода, азота, аргона, углекислого газа и других веществ (неон, криптон, гелий, ксенон, озон), общая доля которых составляет 0,01 %.

Состав атмосферы установился очень давно, однако хозяйственная деятельность человека в последнее время привела к увеличению концентрации СО2 .

Атмосфера: строение, изучение — видео

Источник: https://life-students.ru/sostav-i-stroenie-atmosfery-zemli/

Строение атмосферы

• Тропосфера
• Стратосфера
• Мезосфера
• Термосфера
• Экзосфера

Термин «атмосфера» имеет греческое происхождение, представляет собой синтез двух слов: atmos — пар и sphaira — шар.

Современная наука под атмосферой понимает газовую оболочку какой-либо планеты, связанную с ней силами притяжения. Как и другие планеты, Земля окружена слоями воздушных масс, которые организованы определенным образом вокруг ее поверхности. Современный состав воздуха формировался постепенно.

Общепризнанной считается версия формирования газового состава атмосферы за счет выхода газов из недр планеты посредством сейсмической и вулканической активности.

В силу воздействия на частицы воздуха гравитационных сил Земли, ее воздушная оболочка имеет неоднородное строение. В ней можно условно выделить слои, отличающиеся друг от друга по ряду параметров их физико-химических свойств: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Каждый из слоев рассмотрим более детально, с указанием газового состава и ключевых особенностей.

Тропосфера

Характерным признаком этого слоя следует считать конвекцию — явление циркуляции пластов воздуха с разными физическими свойствами, главным образом, температуры. Дело в том, что нижние слои воздуха прогреваются за счет излучения тепла поверхностью земли.

Согласно законам физики, они перемещаются вверх и их место занимает более холодный воздух. Именно за счет наличия конвективных, а также турбулентных явлений тропосфера получила такое название (греческое слово“tropos”– перемена, изменение).

Отрицательный температурный градиент — еще один признак тропосферы: каждые 100 метров высоты соответствуют снижению температуры приблизительно на 0.6-0.7 o С.

Самому нижнему, непосредственно прилежащему к земле, условному слою тропосферы толщиной 1.5-2 км дано название приземного пограничного слоя. В нем непосредственно формируются специфические типы воздушных масс над крупными частями континентов и мирового океана.

Тропосферный слой имеет неодинаковую толщину: от 8 км над полюсами земли до 18-20 км над областью экватора. Различная толщина слоя обусловлена сильным влиянием свойств подлежащей поверхности.

Действие гравитационных сил на воздушные частицы здесь максимально, что обуславливает сосредоточение основной массы (около 80%) всех атмосферных частиц именно в тропосфере.

Именно тропосферное, максимальное среди всех прочих слоев давление в 1000 миллибар принято за эталон одной атмосферы (1 атм = 1013 миллибар).

Стратосфера

Занимает пространство между так называемой тропопаузой, в которую постепенно переходит тропосфера на уровне 8-18 км, и стратопаузой, соответствующей высоте в 50-55 км над уровнем земной поверхности.

Тропопаузой называют слой атмосферы, где прекращается снижение температуры, где уже не наблюдается отрицательный температурный градиент в 0.6о /100 м, столь характерный для тропосферы.

Еще на протяжении 10-15 км вверх температура остается стабильно отрицательной, а на уровне приблизительно равном 25 км над поверхностью земли она начинает повышаться, достигая максимума в 0,5 — 1 0 С на уровне приблизительно 38 — 40 км.

После достижения обозначенного максимума, температура на протяжении нескольких километров остается постоянной. Эту описанную переходную к мезосфере зону и называют стратопаузой, служащей условной верхней границей слоя.

Мезосфера

Находится на высоте 50-85 км над поверхностью Земли. Внутри слоя происходит дальнейшее прогрессивное падение атмосферного давления, снижение температуры с отрицательным градиентом приблизительно в 0.2-0.3 o / 100 м.

Плотность газов воздуха в пару сотен раз ниже тропосферных значений. Воздух разрежен настолько, что передвижение здесь на реактивных самолетах уже не представляется возможным.

Именно на уровне мезосферы разрушается большая часть метеоритов, что обусловлено возгоранием от сил трения газов воздуха атмосферы о твердое тело метеорита.

В верхних слоях мезосферы температура воздуха достигает отрицательной величины равной приблизительно — 140 o С.

Термосфера

Условные границы данного слоя простираются от уровня в 80-90 км до 800 км над поверхностью земного шара.

В пределах термосферы проходит условная линия Кармана (высота, равная 100 километрам над уровнем моря). Пересечение этого уровня принято считать выходом в космос. В термосфере, как правило, проходят орбиты искусственных спутников Земли.

Под влиянием ультрафиолетового и ионизирующего излучений здесь происходит распад молекул с образованием ионов и частиц свободных радикалов, развиваются мощные электрические явления, что сопровождается выделением света в виде вспышек. Видимое при определенных условиях с поверхности Земли, данное явление получило название Северного сияния.

Экзосфера

Предельно разреженный воздух по своему газовому составу уже ничем не напоминает земной. Представлен, в основном, атомарный водородом и гелием, встречаются отдельные атомы других химических элементов. Температурные значения превышают отметку в 2000 градусов по Цельсию.

Это зона утечки, или зона рассеивания газов воздуха в открытый космос. Рассеивание происходит за счет предельно высоких скоростей движения атомарных частиц.

Условными границами экзосферы принято считать уровень от 800 км над поверхностью Земли до 2500 — 3000 км.

Выше располагается зона ближнего космического вакуума, в составе которой, помимо атомарного водорода, находится космическая пыль, представленная, в основном, мелкими осколками сгоревших в слоях атмосферы метеоритов. Она образует так называемую «корону Земли», толщина которой достигает радиуса 100 000 километров.

Статьи на тему:

1. Атмосфера
2. Атмосферное давление
3. Температура воздуха

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/stroenie-atmosferi/

Состав и строение атмосферы

Атмосфера

– воздушная внешняя оболочка Земли, состоящая из смеси газов – воздуха.Состав воздуха атмосферы: азот – 78,09%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03%, менее 0,01% приходится на неон, гелий, метан, криптон, ксенон, водород, озон, йод. Соотношение между азотом и кислородом в атмосфере постоянно.

Гетеросфера – верхняя часть атмосферы, где состав воздуха неоднороден.

Гомосфера – часть атмосферы, где наблюдается полное перемешивание газов атмосферы, простирается до высоты 100-120 км.

Ионосфера – атмосферные слои от высот 50-80 км характеризующиеся относительно высокой концентрацией ионов.

Мезопауза – переходный слой между мезосферой и термосферой, на высоте 86-90 км.

Мезосфера

– слой атмосферы, лежащий над стратосферой, начиная с высоты около 50 км, и простирающийся до 80-85 км. Мезосфера характеризуется понижением температуры с высотой примерно от 0ºС от нижней границе до -90ºС на верхней, ураганными ветрами неустойчивых направлений.

Нейтросфера

– нижняя часть атмосферы (до высоты 80 км), незаряженные частицы воздуха преобладают над ионами.

Стратопауза

– пограничный слой между стратосферой и мезосферой на высоте порядка 50-55 км.

Стратосфера

– атмосферный слой лежащий выше тропосферы до высоты 50 км.

Характеризуется разреженностью воздуха, почти полным отсутствием водяного пара, западным переносом масс, большим содержанием озона (максимум на высотах 15-20 км в приполярных широтах, 25-30 км в тропических). Распределение температуры в нижней части изотермическое, в верхней части наблюдается повышение температуры, достигая +10ºС — +20ºС.

Термосфера

– слой атмосферы выше мезосферы, начиная с высот 80-90 км. Температура с высотой растет (переходя через 0ºС на высоте 100 км) до высот порядка 200-300 км, где достигает значений порядка 1500ºС, а затем с высотой почти не изменяется. Газы Т. находятся в ионизированном состоянии.

Тропопауза

– переходный слой от тропосферы к стратосфере. В средних широтах наблюдаются постоянные разрывы (сильное утончение) тропопаузы, поэтому Т. делят на тропическую и полярную. Самая низкая температура, зарегистрированная в Т. -92ºС.

Тропосфера – нижняя, наиболее плотная, основная часть атмосферы (80% массы), особенно подверженная воздействию со стороны земной поверхности. Мощность Т. меняется от 17 км на экваторе до 8-10 км на полюсах. Содержит преобладающую часть водяного пара атмосферы. В Т. возникают основные типы облаков. Температура с высотой понижается (0,6ºС/100 м) до -70ºС над экватором и на полюсах до -68ºС зимой, летом до -43ºС.Экзосфера

– слои атмосферы, начиная от высот 450 км., из которых происходит утечка наиболее легких частиц (атомов водорода) в космическое пространство. Утекающий водород образует земную корону.

Статьи о атмосфере

Источник: http://www.geo-site.ru/index.php/2011-01-11-14-54-45/114/444-2011-02-21-06-42-20.html