атмосфера

Вертикальное распределение температуры, давления и плотности атмосферы.

атмосфе́ра Земли (от греч. atmós — пар и spháira — шар) — газовая (воздушная) среда вокруг Земли, которая вращается вместе с Землёй как единое целое. А. состоит из воздуха — азота, кислорода и незначительных количеств других газов (см. таблицу). По характеру изменения с высотой основных физических свойств и состава воздуха А. подразделяют на несколько слоев (см. рис.). В слое А. до высоты 100—110 км происходит сильное перемешивание газов и её состав мало меняется. Этот слой называется гомосферой (или турбосферой). Выше расположен слой А., который называют гетеросферой. Переходный слой между ними носит название турбопаузы. По характеру изменения температуры с высотой выделяют слои: тропосфера (высота от 0 до 11 км) — характеризуется понижением температуры воздуха с высотой; стратосфера (11—50 км) — наблюдается рост температуры; мезосфера (50—85 км) — понижение температуры с высотой; термосфера (85—800 км) — опять рост температуры. Выше термосферы расположена экзосфера, характеризующаяся высокой степенью разреженности воздуха и его «ускользанием» в космическое пространство. Границы слоев в значительной степени условны, меняются в зависимости от времени и места и представляют собой переходные слои толщиной от несколько сот метров до нескольких километров и носят название тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза. Основываясь на других характеристиках воздуха, в А. можно выделить и другие слои. Например, поглощая ультрафиолетовую радиацию, кислород О₂ диссоциирует (распадается) на атомы. С высотой возрастает доля диссоциированного кислорода, который, взаимодействуя с О₂, образует озон О₃. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 25—28 км в стратосфере. Область А. между 10 и 50 км иногда называется озоносферой. Здесь в значительной степени поглощается ультрафиолетовая часть солнечного спектра, губительная для биологических форм жизни на Земле. Ультрафиолетовая солнечная радиация является главным фактором нагревания воздуха в стратосфере. Важную роль в формировании структуры и терминального режима А. играют озон О₃, углекислый газ СО₂ и водяной пар. Содержание углекислого газа меняется в связи с жизнедеятельностью растений, индустриальными загрязнениями, газообменом между А. и океаном. Углекислый газ слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию, но задерживает длинноволновое (тепловое) излучение земной поверхности, которое и является основным источником поступления теплоты в А., и значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космическое пространство, создавая так называемый парниковый эффект. Солнечная радиация, приходящая в А., частично поглощается содержащимися в ней водяным паром, озоном и аэрозолями, рассеивается в А., а частично отражается от земной поверхности; основная доля солнечной радиации поглощается поверхностью Земли. Преобладающая масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, где его содержание сильно меняется из-за колебаний температуры. Здесь происходят основные процессы, определяющие погоду. В различных широтах над поверхностью океана, суши, снега и льда образуются тёплые и холодные воздушные массы с переходными зонами — атмосферными фронтами. В условиях преобладающего в тропосфере падения температуры с высотой восходящие потоки воздуха (в особенности на фронтах) образуют облака и атмосферные осадки всех видов. Развиваются крупномасштабные вихри; внетропические циклоны и антициклоны, вихри меньшего масштаба — тропические циклоны (ураганы и тайфуны), мелкомасштабные вихри, разрушительные смерчи. Атмосферная циркуляция в тропосфере связана главным образом с распределением температуры, атмосферного давления и влиянием отклоняющей силы вращения Земли. В циркуляции А. в тропиках участвуют пассаты — ветры нижней тропосферы, направленные от субтропических широт обоих полушарий в сторону экватора. Зона встречи пассатов обоих полушарий носит название внутритропической зоны конвергенции. В умеренных широтах преобладают западные воздушные потоки. В верхней тропосфере вблизи тропопаузы в зонах большой неоднородности полей метеорологических элементов образуются тропосферные струйные течения — относительно узкие воздушные потоки большой горизонтальной протяжённости со скоростями ветра более 100 км/ч.

На формирование климата влияют количество солнечной радиации, поступающей в соответствующие широтные зоны Земли, особенности подстилающей поверхности (континент, море, ледник, пустыня и т. д.) и циркуляция А. Результаты многолетних наблюдений климатических характеристик приземного слоя А. учитываются при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации аэродромов. Сведения о режиме ветра позволяют, например, определить необходимые размеры аэродрома, число и расположение взлётно-посадочных полос. Климатологические данные об облачности, метеорологической дальности видимости, высотах снежного покрова, гололёда, температуре, давлении, влажности воздуха важны для оценки лётно-метеорологических условий каждого аэродрома.

Данные о приземной А. обеспечивает сеть метеорологических станций. Аэрологическое зондирование до высоты 20—30 км проводится с помощью радиозондов. Метеорологические радиолокаторы и искусственный спутник Земли (см. Метеорологические приборы и оборудование) дают необходимые авиации сведения об облачности, осадках, атмосферной турбулентности.

С 1950-х гг. началась разработка методов искусственного воздействия на некоторые процессы в тропосфере. Наиболее доступно рассеяние переохлажденных туманов (температура ниже 0°С) и низкой облачности над аэродромами, взлётно-посадочными полосами введением льдообразующих реагентов (твёрдая углекислота, пропан). Проводится защита от градобитий введением некоторых реагентов (например, йодистое серебро AgI) в градоносные кучевые облака с помощью ракет и зенитных снарядов.

Полёты современных летательных аппаратов происходят вблизи тропопаузы, которая чётко выражена на экваторе и в тропиках. У полюсов тропопауза выражена хуже, зимой нередко размывается, В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обычно сопровождающиеся сильными струйными течениями. С развитием авиации и космонавтики возрастает практическое значение исследований высоких слоев атмосферы для разработки методов метеорологического обеспечения полётов летательных аппаратов в верхней А., т. е. слоев, расположенных выше тропопаузы.

Режим температуры и ветра в стратосфере летнего полушария определяется областью тёплого воздуха и антициклоном с центром у полюса, образование которых обусловлено поглощением ультрафиолетовой солнечной радиации в верхней части озоносферы в условиях полярного дня. В нижней стратосфере температура мало меняется, а выше 25 км возрастает с высотой. В районе стратопаузы (на высоте около 50 км) летом температура поднимается до 10°С. Преобладают восточные ветры, скорости которых растут от полярных к средним широтам, достигая 50 м/с. Распределения температуры, плотности, давления и ветра в стратосфере относительно устойчивы лишь летом и подвергаются сильным и внезапным изменениям зимой и в переходные сезоны. В стратосфере зимнего полушария (вследствие радиационного охлаждения) формируются область холода и циклон с центром над полюсом. Область холодного воздуха с температурой около ‑80°С в полярных районах расположена на высоте около 25 км. Выше температура возрастает до максимума на высоте около 50 км. В области циклона преобладают сильные западный ветры, максимальные скорости которых на высоте более 40—50 км могут превышать 100 м/с. Зимой происходят внезапные стратосферные потепления, при которых температура может превосходить летний максимум. Эти возмущения (причина которых полностью не выяснена) носят динамический характер. Основной причиной зимних стратосферных потеплений считается влияние крупномасштабных возмущений тропосферы. Зимой в Северном полушарии при стратосферных потеплениях может происходить полная перестройка зимней циркуляции с замещением области холода и циклона над Северным полюсом областью тепла и антициклоном. В Южном полушарии таких перестроек не происходит, что связано с большой интенсивностью зимнего полярного циклона над Антарктикой в тропосфере и стратосфере.

Температура зимой в верхней мезосфере, особенно в полярных районах, выше, чем летам. Летом в мезосфере в зонах, расположенных от 40°широты к полюсам, на высоте 70—94 км образуются так называемые серебристые облака. Стратосферная циркуляция представляет единую систему на высоте около 25 км и до мезопаузы.

Выше мезопзузы, начиная с высоты около 85 км, расположена термосфера. Кинетическая температура А., определяемая тепловым движением молекул воздуха, возрастает в термосфере до высоты около 250 км. Выше рост температуры замедляется (область изотермии). При этом, как показали данные торможения искусственный спутник Земли, в годы максимума 11-летнего цикла солнечной активности, по сравнению с годами её минимума, температура в области изотермии может возрастать на 1000 К. Выше турбопаузы, расположенной на высоте около 110 км, начинается гетеросфера, где молекулярное перемешивание преобладает над турбулентным и происходит изменение состава А. Выше 160 км каждый компонент А. имеет свой вертикальный профиль распределения согласно барометрической формуле. Поэтому концентрация лёгких газов падает с высотой медленнее, чем тяжёлых, и происходит увеличение относительного содержания лёгких газов в А. В результате диссоциации увеличивается содержание атмосферного кислорода, особенно интенсивно поглощающего ультрафиолетовую радиацию Солнца, что способствует росту температуры с высотой. На высоте от 0,2 до 40 тыс. км располагаются радиационные пояса Земли, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы. Взаимодействие корпускулярного излучения Солнца (так называемого солнечного ветра) с магнитным полем Земли формирует её магнитосферу.

При сильных солнечных вспышках или интенсивных корпускулярных потоках возникают полярные сияния, деформация магнитосферы, возмущения ионосферы, магнитные бури. Во время солнечных вспышек создаётся опасность радиационного облучения экипажей пилотируемых космических кораблей и сверхзвуковых летательных аппаратов при полёте в стратосфере. Для принятия своевременных мер обеспечения безопасности полётов составляются долгосрочные, краткосрочные и оперативные прогнозы солнечного корпускулярного излучения. См. также статью Международная стандартная атмосфера.

С. С. Гайгеров.

Таблица. Состав сухого воздуха в нижней атмосфере Земли (гомосфере).

Газ	Объёмное содержание, %
Азот (N2)	78,084 000
Кислород (O2)	20,947 600
Аргон (Ar2)	0,934 000
Углекислый газ (CO2).	0,031 400*
Неон (Ne)	1,818·10‑6
Гелий (He)	524,0·10‑6
Криптон (Kr)	114,0·10‑6
Ксенон (Xe)	8,7·10‑6
Водород (H2)	50,0·10‑6
Оксид азота (N2O)	50,0·10‑6
Метан (CH4)	200·10‑6
Озон (O2)	Летом до 7,0·10‑6 Зимой до 2,0·10‑6
Сернистый ангидрид (SO3)	До 100·10‑6
Диоксид азота (NO2)	До 2,0·10‑6
Йод (I2)	До 1,0·10‑6

* Содержание газа может существенно меняться в зависимости от места и времени.