Склад атмосфери

Газ		Вміст у сухому повітрі, %
N2	азот	78,08
о2	кисень	20,95
Аг	аргон	0,93
С02	вуглекислий газ	0,03
Ne	неон	0,0018
Не	гелій	0,0005
Кг	криптон	0,0001
н2	водень	0,00005
X	ксенон	0,000009

У високих шарах атмосфери склад повітря змінюється під впливом випромінювання Сонця, яке призводить до розпаду молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом високих шарів ат­мосфери. Нарешті, в найбільш віддалених від поверхні Землі шарах ат­мосфери головними компонентами є найлегші гази — водень і гелій.

Оскільки основна маса речовини зосереджена в нижньому шарі (30 км), то зміни складу повітря на висотах понад 100 км помітно не впливають на загальний склад атмосфери.

Енергообмін. Сонце є головним джерелом енергії, що поступає на Землю. Знаходячись на відстані бл. 150 млн км від Сонця, Земля отримує приблизно одну двохмільярдну частину енергії, що випромінюється ним, — головним чином у видимій частині спектра, яку людина називає «світлом». Велика частина цієї енергії поглинається атмосферою і літо­сферою. Земля також випромінює енергію, в основному у вигляді довго­хвильової інфрачервоної радіації. Таким чином, встановлюється рівно­вага між енергією, що отримується від Сонця, нагріванням Землі й атмо­сфери і зворотним потоком теплової енергії, що випромінюється в прос­тір. Механізм цієї рівноваги досить складний. Пил і молекули газів роз­сіюють світло, частково відбиваючи його в світовий простір. Ще більшу частину радіації відбивають хмари.

Частина енергії поглинається безпосередньо молекулами газів, але в основному — гірськими породами, рослинністю і поверхневими водами. Водяна пара і вуглекислий газ, що присутні в атмосфері, пропускають видиме випромінювання, але поглинають інфрачервоне. Теплова енер­гія накопичується головним чином у нижніх шарах атмосфери. Подіб­ний ефект виникає в теплиці, коли скло пропускає світло всередину і грунт нагрівається. Оскільки скло відносно непрозоре для інфрачерво­ної радіації, у парнику акумулюється тепло. Нагрівання нижніх шарів атмосфери за рахунок присутності водяної пари і вуглекислого газу час­то називають парниковим ефектом. Істотну роль у збереженні тепла в нижніх шарах атмосфери відіграє хмарність. Якщо хмари розсіюються або зростає прозорість повітряної маси, температура неминуче знижу­ється у міру того, як поверхня Землі випромінює теплову енергію в нав­колишній простір. Вода, що знаходиться на поверхні Землі, поглинає сонячну енергію і випаровується, перетворюючись в газ — водяну пару, яка піднімає багато енергії в нижні шари атмосфери. При конденсації водяної пари й утворенні при цьому хмар або туману ця енергія звільня­ється у вигляді тепла.

Майже половина сонячної енергії, що досягає земної поверхні, ви­трачається на випаровування води і поступає в нижні шари атмосфери. Таким чином, внаслідок парникового ефекту і випаровування води ат­мосфера прогрівається знизу. Крім загального нагрівання атмосфери со­нячним «світлом», значне прогрівання деяких її шарів відбувається за рахунок ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця.

Будова. У порівнянні з рідинами і твердими тілами, в газоподібних речовинах сила тяжіння між молекулами мінімальна. По мірі збільшення відстані між молекулами гази здатні безмежно розширюватися, якщо їм ніщо не перешкоджає. Нижньою межею атмосфери є поверхня Землі.

Цей бар'єр непроникний, оскільки газообмін відбувається між повітрям і водою і навіть між повітрям і гірськими породами. Оскільки атмосфера є сферичною оболонкою, у неї немає бічних меж, а є тільки нижня межа і верхня (зовнішня) межа, відкрита з боку міжпланетного простору. Че­рез зовнішню межу відбувається витік деяких нейтральних газів, а та­кож надходження речовини з навколишнього космічного простору. Ве­лика частина заряджених часток, за винятком космічних променів, що наділені високою енергією, або захоплюється магнітосферою, або від­штовхується нею.

На атмосферу діє також сила земного тяжіння, яка втримує повітря­ну оболонку біля поверхні Землі. Атмосферні гази стискуються під дією власної ваги. Це стиснення максимальне біля нижньої межі атмосфери, тому і густина повітря тут найбільша. На будь-якій висоті над земною поверхнею ступінь стиснення повітря залежить від маси стовпа повітря, що знаходиться вище, тому з висотою густина повітря зменшується. Тиск, рівний масі цього стовпа повітря, що приходиться на одиницю площі, знаходиться в прямій залежності від густини і, отже, з висотою також знижується. Якби атмосфера являла собою «ідеальний газ» з постійним складом, що не залежить від висоти, з незмінною температурою і на неї діяла б постійна сила тяжіння, то тиск зменшувався б у 10 разів на кожні 20 км висоти. Реальна атмосфера трохи відрізняється від ідеального газу приблизно до висоти 100 км, а потім тиск з висотою починає зменшува­тися повільніше, оскільки змінюється склад повітря. Невеликі зміни в цю модель вносить і зменшення сили тяжіння з віддаленням від центра Землі; це зменшення поблизу земної поверхні дорівнює приблизно 3% на кожні 100 км висоти. На відміну від атмосферного тиску температура з висотою не знижується безперервно. Вона убуває приблизно до висоти 10 км, а потім знову починає зростати. Це відбувається при поглинанні киснем ультрафіолетової сонячної радіації. При цьому утворюється газ озон, молекули якого складаються з трьох атомів кисню (0₃). Він також поглинає ультрафіолетове випромінювання, і тому цей шар атмосфери, що називається озоносферою, нагрівається. Вище температура знову зни­жується, оскільки там набагато менше молекул газу, і відповідно скоро­чується поглинання енергії.

У ще більш високих шарах температура знову підвищується внаслідок поглинання" атмосферою короткохвильового ультрафіолетового і рентгенів­ського випромінювання Сонця. Під впливом цього могутнього випроміню­вання відбувається іонізація атмосфери, тобто молекула газу втрачає елек­трон і отримує позитивний електричний заряд. Такі молекули стають пози­тивно зарядженими іонами. Завдяки наявності вільних електронів та іонів цей шар атмосфери набуває властивостей електропровідника.

Вважають, що температура продовжує підвищуватися до висот, де розріджена атмосфера переходить у міжпланетний простір. На відстані декількох тисяч кілометрів від поверхні Землі, ймовірно, пере­важають температури від 5000° до 10 000 °С. На основі середнього розподілу температур була розроблена схема будови ідеальної «серед­ньої атмосфери».

Тропосфера — нижній шар атмосфери, що простягається до першого термічного мінімуму (т. зв. тропопаузи). Верхня межа тропосфери зале­жить від географічної широти (в тропіках — 18—20 км, у помірних широ­тах — бл. 10 км) і пори року. У березні тропопауза знаходиться на висоті бл. 7,5 км. З березня до серпня або вересня відбувається неухильне охо­лоджування тропосфери, і її межа на короткий період в серпні або вере­сні підіймається приблизно до висоти 11,5 км. Потім з вересня по гру­день вона швидко знижується і досягає свого найнижчого положення — 7,5 км, де і залишається до березня, відчуваючи коливання в межах 0,5 км. Саме в тропосфері в основному формується погода, яка визначає умови існування людини.

Велика частина атмосферної водяної пари зосереджена в тропосфе­рі, і тому тут головним чином і формуються хмари, хоч деякі з них, які складаються з крижаних кристалів, зустрічаються і в більш високих шарах. Для тропосфери характерні турбулентність і могутні повітряні те­чії (вітри) і шторми. У верхній частині тропосфери існують сильні повіт­ряні течії певного напряму. Турбулентні вихори утворюються під впли­вом тертя і динамічної взаємодії між повільно і швидко рухомою повітря­ною масою. Оскільки в цих високих шарах хмарності зазвичай немає, таку турбулентність називають «турбулентністю ясного неба».

Стратосфера. Шар атмосфери, який знаходиться вище, часто поми­лково описують як шар з порівняно постійними температурами, де вітри дують більш-менш стійко і де метеорологічні елементи мало змінюють­ся. Верхні шари стратосфери нагріваються при поглинанні киснем і озо­ном сонячного ультрафіолетового випромінювання. Верхня межа стра­тосфери (стратопауза) проводиться там, де температура дещо підвищу­ється, досягаючи проміжного максимуму, який нерідко можна зіставити з температурою приземного шару повітря. У стратосфері відбуваються турбулентні збурення і сильні вітри, що дують у різних напрямах. Як і в тропосфері, тут відмічаються могутні повітряні вихори, які особливо не­безпечні для високошвидкісних літальних апаратів. Сильні вітри, звані струмінними течіями, дують у вузьких зонах уздовж меж помірних ши­рот, звернених до полюсів. Струмінні течії проникають у тропопаузу і спостерігаються у верхніх шарах тропосфери, але їх швидкість з пони­женням висоти зменшується. Ймовірно, частина енергії, що поступає в стратосферу, впливає на процеси в тропосфері. Особливо активне пере­мішування пов'язане з атмосферними фронтами, де великі потоки стра­тосферного повітря були зареєстровані істотно нижче тропопаузи, а тро­посферне повітря залучалося до нижніх шарів стратосфери.

Мезосфера, розташована вище за стратосферу, являє собою оболон ку, в якій до висоти 80—85 км відбувається пониження температури до мінімальних показників для атмосфери загалом. Рекордно низькі темпе­ратури до - 110 °С були зареєстровані метеорологічними ракетами, запу­щеними з американо-канадської установки в Канаді. Верхня межа мезосфери (мезопауза) приблизно збігається з нижньою межею області ак­тивного поглинання рентгенівського і найбільш короткохвильового уль­трафіолетового випромінювання Сонця, що супроводиться нагріванням та іонізацією газу. У полярних регіонах літом у мезопаузі часто з'явля­ються хмарні системи, які займають велику площу, але мають незнач­ний вертикальний розвиток. Такі хмари, що світяться ночами, часто до­зволяють виявляти крупномасштабні хвилеподібні рухи повітря в мезосфері.

Термосфера являє собою шар атмосфери, у якому безперервно підви­щується температура. Його потужність може досягати 600 км. Тиск і, отже, густина газу з висотою постійно зменшуються. Поблизу земної поверхні в 1 м³ повітря міститься бл. 2,5∙10²⁵ молекул, на висоті бл. 100 км, в нижніх шарах термосфери, приблизно 10¹⁹ на висоті 200 км, в іоно­сфері, — 5∙10¹⁵ і, за розрахунками, на висоті бл. 850 км — приблизно 10¹² молекул. У міжпланетному просторі концентрація молекул становить 10⁸— 10⁹ на 1 м³. На висоті бл. 100 км кількість молекул невелика, і вони рідко стикаються між собою. Середня відстань, яку долає молекула, що хао­тично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою, називається її середнім вільним пробігом. Шар, у якому ця величина настільки збіль­шується, що імовірністю міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна нехтувати, знаходиться на межі між термосферою і оболонкою, що знаходиться вище (тобто екзосферою) і називається термопаузою.

Термопауза знаходиться від земної поверхні приблизно на 650 км. За певної температури швидкість руху молекули залежить від її маси: більш легкі молекули рухаються швидше, ніж важкі. У нижній атмосфері, де вільний пробіг дуже короткий, не спостерігається помітного розділення газів за їхньою молекулярною вагою, але воно виражене вище за 100 км. Крім того, під впливом ультрафіолетового і рентгенівського випроміню­вання Сонця молекули кисню розпадаються на атоми, маса яких стано­вить половину маси молекули. Тому з віддаленням від поверхні Землі атомарний кисень набуває усе більшого значення в складі атмосфери і на висоті бл. 200 км стає її головним компонентом. Вище, приблизно на відстані 1200 км від поверхні Землі, переважають легкі гази — гелій і водень. З них і складається зовнішня оболонка атмосфери. Таке розді­лення за вагою, зване дифузним розшаруванням, нагадує розділення сумішей за допомогою центрифуги.

Екзосферою називається зовнішній шар атмосфери, що виділяється на основі зміни температур і властивостей нейтрального газу. Молеку ли і атоми в екзосфері обертаються навколо Землі по балістичних орбі­тах під впливом сили тяжіння. Деякі з цих орбіт параболічні і схожі на траєкторії метальних снарядів. Молекули можуть обертатися навколо Землі і по еліптичних орбітах, як супутники. Деякі молекули, в основ­ному водню і гелію, мають розімкнені траєкторії і розсіюються у косміч­ному просторі.