Вертикальное строение атмосферы

Стратификация атмосферы: вертикальное строение

Тропосфера — нижний слой атмосферы, простирающийся от поверхности Земли до высот 8–18 км в зависимости от широты и времени года. В среднем её толщина составляет около 11 км. Этот слой содержит около 80–90% всей массы атмосферы и почти весь водяной пар.

Температура в тропосфере убывает с высотой со средним вертикальным градиентом 6,5 °C/км, но может изменяться в зависимости от погодных условий. Основные процессы:

  • вертикальная конвекция воздуха;
  • формирование облаков;
  • осадки и турбулентность;
  • атмосферные фронты и циклоны.

Верхняя граница тропосферы — тропопауза — представляет собой слой с минимальной температурой (до −80 °C на экваторе) и почти постоянной высотой на полюсах (8 км) и экваторе (17–18 км). В тропопаузе прекращается конвективный перенос, и начинается более ламинарное течение воздуха.

Стратосфера: слой озона и ламинарных течений

Стратосфера располагается от тропопаузы до высот примерно 50 км. Масса воздуха в ней составляет около 19% от всей атмосферы. В этом слое наблюдается увеличение температуры с высотой, что обусловлено поглощением ультрафиолетового излучения озоном в диапазоне 200–300 нм. Это вызывает температурную инверсию — уникальную особенность стратосферы.

Ключевые особенности:

  • максимальная концентрация озона на высотах 20–25 км;
  • практически полное отсутствие вертикальной конвекции;
  • устойчивое стратифицированное строение;
  • сильные струйные течения на нижней границе.

Верхняя граница — стратопауза — находится на высоте около 50 км, где температура достигает максимумов порядка 0 °C, несмотря на разреженность воздуха.

Мезосфера: зона резкого охлаждения

Мезосфера тянется от 50 до 85 км. В ней снова наблюдается убывание температуры с высотой, достигающей минимальных значений (до −90 °C) у верхней границы — мезопаузы. Это самая холодная область атмосферы.

Особенности мезосферы:

  • очень разрежённый воздух;
  • явления светящихся (серебристых) облаков на высотах 80–85 км;
  • начало разрушения метеоров, входящих в атмосферу;
  • турбулентность и гравитационные волны, обусловленные взаимодействием со стратосферой и термосферой.

Мезопауза — граница между мезосферой и термосферой — обладает крайне низким давлением и температурой.

Термосфера: область ионизации и высоких температур

Термосфера простирается от 85 до 500–1000 км, в зависимости от солнечной активности. В этом слое температура снова возрастает с высотой, достигая значений порядка 1000–2000 °C, однако из-за крайне низкой плотности молекул ощущаемое тепло минимально.

Основные физические процессы:

  • ионизация молекул и атомов под действием коротковолнового УФ- и рентгеновского излучения;
  • формирование ионосферы — слоя, отражающего радиоволны;
  • полярные сияния, обусловленные взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой;
  • воздействие на радиосвязь, GPS и спутниковые орбиты.

Верхняя граница термосферы постепенно переходит в экзосферу.

Экзосфера: граница между атмосферой и космосом

Экзосфера — самый верхний, внешне размытый слой атмосферы, простирающийся от 500–1000 км до 10 000 км. В этом регионе молекулы газа могут преодолевать земное притяжение и покидать атмосферу.

Состав экзосферы:

  • водород (основной компонент);
  • гелий;
  • следовые количества других лёгких газов.

Здесь практически отсутствуют столкновения между частицами, и траектории молекул приближаются к баллистическим. Верхняя граница экзосферы условна и переходит в межпланетное пространство.

Температурный профиль атмосферы

Атмосфера характеризуется сложным профилем температуры, обусловленным радиационными процессами, химическим составом и гравитационной стратификацией:

  • Тропосфера: T ↓ (снижение)
  • Стратосфера: T ↑ (инверсия)
  • Мезосфера: T ↓
  • Термосфера: T ↑

Температурные инверсии в стратосфере и термосфере связаны с абсорбцией излучения озоном и ионизирующими компонентами солнечного спектра соответственно.

Давление и плотность с высотой

С увеличением высоты атмосферное давление и плотность воздуха экспоненциально убывают. Это подчиняется барометрическому уравнению:

$$ P(z) = P_0 \cdot \exp\left(-\frac{Mgz}{RT}\right) $$

где:

  • P(z) — давление на высоте z,
  • P0 — давление у поверхности Земли,
  • M — молярная масса воздуха,
  • g — ускорение свободного падения,
  • R — универсальная газовая постоянная,
  • T — температура.

Примерные значения давления:

  • 0 км: 1013 гПа
  • 5 км: 540 гПа
  • 10 км: 260 гПа
  • 20 км: 55 гПа
  • 50 км: 1 гПа
  • 100 км: 0.001 гПа

Газовый состав по слоям

Нижняя атмосфера (до 80 км, гомосфера) характеризуется однородным составом за счёт турбулентного перемешивания:

  • азот — 78%
  • кислород — 21%
  • аргон, углекислый газ, водяной пар и другие — <1%

Верхняя атмосфера (выше 80 км, гетеросфера) характеризуется стратификацией по молекулярной массе:

  • гелий и водород преобладают на больших высотах;
  • более тяжёлые газы находятся ниже.

Оптические и электромагнитные явления по высотным уровням

  • 0–10 км: формирование облаков, дождей, радуг, молний;
  • 10–50 км: рассеяние ультрафиолета озоном, серозная окраска неба;
  • 50–85 км: серебристые облака, сгорание метеоров;
  • 85–500 км: полярные сияния, отражение радиоволн;
  • 500 км и выше: спутниковые орбиты, воздействие солнечного ветра.

Значение вертикального строения в атмосферных исследованиях

Понимание вертикального строения атмосферы критически важно:

  • для прогноза погоды и климатических моделей;
  • при проектировании авиационной и космической техники;
  • в радиосвязи и спутниковой навигации;
  • в охране окружающей среды и контроле озонового слоя.

Вертикальная структура атмосферы задаёт основные граничные условия для переноса тепла, влаги, энергии и массы в системе Земля–атмосфера.

Оглавление