Строение и состав атмосферы
Воздушная оболочка Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формируется и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах. Сколько газов поступает из недр Земли, примерно столько же их рассеивается в открытом космосе. Это происходит после многих химических реакций в атмосфере. По мере удаления от Земли ослабевает сила тяжести, и рассеяние усиливается. Толщина атмосферы равна приблизительно 2 тыс. км, хотя её верхняя граница как таковая отсутствует.
В атмосфере выделяются несколько слоев, отличающихся друг от друга температурой. Нижний её слой - тропосфера - нагревается снизу от Земли, которая в свою очередь нагревается солнечными лучами. Непосредственный нагрев воздуха за счёт поглощения им солнечных лучей в десятки раз меньше.
С высотой нагрев уменьшается, и это понижает температуру воздуха в среднем от +14° С на уровне моря до -55° С на верхней границе тропосферы. Этому способствует охлаждение и расширение поднимающегося воздуха» а препятствует выделение тепла при конденсации водяных паров. На верхней границе тропосферы радиационный наг¬рев воздуха солнцем уравнивается с нагревом от Земли.
Выше тропосферы существует слой с постоянной низкой температурой - тропопауза. В тропиках, где солнечные лучи падают отвесно или почти отвесно и где суша и море нагреваются сильнее, толщина этого слоя 14-16 км. В полярных областях, где косые лучи слабо нагревают Землю, тропопауза тоньше - всего 8-10 км. Нагрев же воздуха проходящими лучами солнца не зависит от угла их падения на землю или даже возрастает с удлинением их пути в атмосфере.
Выше тропопаузы роль воды и суши в нагреве столь мала, что воздух с высотой вначале медленно, а потом всё быстрее нагревается примерно до -3 С на высоте около 50 км. Этот слой называется стратосферой. Она нагревается за счёт поглощения ультрафиолетовой солнечной радиации озоном.
Выше озонового слоя, в мезосфере, температура вновь убывает с высотой. Новый нагрев воздуха происходит ещё выше, в термосфере, он тоже связан с поглощением ультрафиолетовой радиации и сопровождается ионизацией атмосферы. Выше 1 тыс. км, в экзосфере, частицы газов (водорода) рассеиваются в околоземном космическом пространстве и навсегда покидают окрестности нашей планеты.
Сложные химические реакции в верхних слоях атмосферы - выше 50 км - делают её электропроводной и создают слои, отражающие радиоволны. Это позволяет проводить дальнюю радиосвязь вокруг Земли. Поскольку при ре-акциях выделяются ионы, верхнюю часть атмосферы (мезосферу и термосферу вместе) называют также ионосферой. Облучение солнечными электронами ионов в верхней атмосфере часто приводит к свечениям. Самое эффектное из них - полярное сияние.
Следует отметить, что рассмотренная структура атмосферы типична для всех обладающих атмосферой планет Солнечной системы. Исключение составляет лишь земная, у которой есть стратосфера. Содержащийся в ней озон создаёт условия для уникального температурного режима.
Газовый состав нижней части атмосферы, в особенности тропосферы, почти постоянен. Меняется лишь количество водяных паров и взвешенных частичек органического и минерального происхождения (аэрозолей).
Важная составная часть атмосферы — водяной пар. Его концентрация составляет около 0,16% от объёма атмосферы, колеблясь у земной поверхности от 8% в тропиках до 0.00002% в Антарктиде. С высотой его количество быстро убывает. Общий слой воды в атмосфере составляет в среднем около 2 см (1,6—1,7 см в умеренных широтах). В результате конденсации водяного пара в капли образуются облака. При малых размерах капли поднимаются вверх вертикальными потоками воздуха, где могут вновь испариться или слиться вместе. На льдинках или твёрдых частичках их вес растёт быстрее площади сечения, и капли или кристаллы льда выпадают в виде осадков — дождя и снега. Облака, которые обычно закрывают около половины всей поверхности Земли, находятся в тропосфере. В верхней части атмосферы облака редки. Это так называемые перламутровые, серебристые облака.
Газовый состав в стратосфере и даже в нижней мезосфере близок к тропосферному. Главная особенность нижней стратосферы — повышенное содержание трехатомного кислорода — озона (Оз) на высотах 20—30 км. Озон образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетовых лучей, которые он поглощает, предохраняя от них живые организмы. В вышележащих слоях для его образования не хватает кислорода, в нижележащих — ультрафиолетовой радиации. Общее содержание озона в столбе атмосферы соответствует 2—4 мм слоя чистого озона при приземных давлении и температуре воздуха. Общее содержание озона измеряется в "единицах Добсона", равных 0,01 мм чистого озона в приземных условиях, и колеблется от 150 до 450 этих единиц.
Выше 90 км в результате фотохимических реакций меняется химический состав атмосферы. Она обогащается лёгкими газами. Выше 600 км преобладает гелий, а выше 1600 км водород. Объём атмосферы около 4*10*12 кубических километров. Это в 3 тыс. раз больше, чем объем гидросферы, включая океан.Однако масса атмосферы в 300 раз меньше чем гидросферы, и составляет лишь 5,3 млрд т против 1,3 триллионов т в гидросфере. 80% массы атмосферы приходится на тропосферу, где воздух плотнее, но даже у поверхности Земли плотность воздуха в тысячу раз меньше (1 кубический метр весит около 1 кг), чем у воды. С высотой плотность воздуха уменьшается во много раз. Теплоёмкость воздуха мало отличается от воды. Однако для нагрева всей атмосферы требуется 5,3-1021 Дж/кг, а для нагрева только активного слоя океана (260-метровый слой перемешивания) — 36 1022 Дж/кг, т.е. в 700 раз больше. Поэтому океан смягчает климат на Земле. Теплоёмкость активного слоя суши (глубиной примерно 16 м) составляет 2,410*21 Дж/кг, т.е. близка к атмосферной.
