атмосфера

Мы проанализировали распределение радиации на границе атмосферы. До земной поверхности она доходит ослабленной атмосферным поглощением и рассеянием. Кроме того, в атмо­сфере всегда есть облака, и прямая солнечная радиация часто вообще не достигает земной поверхности, поглощаясь, рассеи­ваясь и отражаясь обратно облаками. Облачность может умень­шать приток прямой радиации в широких пределах. Например, в Ташкенте, в зоне пустыни, в малооблачном августе теряется вследствие наличия облаков всего 20% прямой солнечной ра­диации. Но во Владивостоке с его муссонным климатом потеря прямой радиации вследствие облачности летом составляет 75%. В Ленинграде, даже в среднем за год, облака не пропускают к земной поверхности 65% прямой радиации.

Итак, действительные количества прямой солнечной радиа­ции, достигающие земной поверхности в течение того или иного времени, будут значительно меньше, чем количества, рассчитан­ные для границы атмосферы. Распределение же их по Земному шару будет более сложным, так как степень прозрачности атмосферы и условия облачности весьма изменчивы в зависимости от географической обстановки.

     Голубой цвет неба — это цвет самого воздуха, обуслов­ленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет, подобно тому, как вода уже в сравнительно малой толще, в несколько метров, имеет зеленоватый цвет. Голубой цвет воздуха можно видеть, не только глядя на небесный свод, но и рассматривая отдален­ные предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дым­кой. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т. е. ко­личества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере — в черно-фиолетовый.

     Чем больше в воздухе помутняющих примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинновол­новых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Частицами тумана, обла­ков и крупной пыли, диаметром больше 1,2 мк, лучи всех длин волн диффузно отражаются одинаково; поэтому отдаленные предметы при тумане и пыльной мгле заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Облака, на которые падает солнечный свет, кажутся поэтому же белыми.

     В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количе­ство солнечной радиации, при этом главным образом в инфра­красной части спектра. Это поглощение — избирательное: раз­ные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

     Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, и потому погло­щение азотом практически не отражается на интенсивности сол­нечной радиации. В большей степени, но все же очень мало по­глощает солнечную радиацию кислород — в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части. Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что из солнечной постоянной теряется несколько про­центов. В результате поглощения в верхних слоях атмосферы в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0,29 мк.

     Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

     Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнеч­ная радиация достигает земной поверхности. Она частично от­ражается от земной поверхности, а в большей степени погло­щается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также до­стигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

Очень важную роль в атмосферных процессах играет то об­стоятельство, что температура воздуха может изменяться и ча­сто действительно изменяется адиабатически, т. е. без теплооб­мена с окружающей средой (с окружающей атмосферой, зем­ной поверхностью и мировым пространством). Вполне строго адиабатических процессов в атмосфере не бывает: никакая масса воздуха не может быть полностью изолирована от тепло­вого влияния окружающей среды. Однако если атмосферный процесс протекает достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то изменение состояния можно с достаточным приближе­нием считать адиабатическим.

     Итак, в атмосфере всегда существуют подвижные электри­ческие заряды, связанные с ионами, а также с элементами об­лаков и осадков. Заряды эти — обоих знаков, причем преобла­дают положительные, так что суммарный заряд атмосферы — положительный. При этом с высотой он растет. Сама земная поверхность также обладает электрическим зарядом, притом в сумме отрицательным (порядка -6*10⁵ кулонов).

     В результате атмосфера обладает электростатическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что электрический заряд, помещенный в любой точке атмосферы, будет испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальном к поверхности равного потенциала, проходящей через эту точку. Эту силу на единицу положитель­ного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии обла­ков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу расстояния, т. е. в вольтах на метр (в/м).

Часть молекул атмосферных газов и частиц атмосферного аэрозоля — капелек, пылинок, кристаллов — несет электрические заряды. Эти заряженные частички называются ионами.

Молекулы воздуха заряжаются вследствие потери электрона или присоединения свободного электрона. К заряженной моле­куле присоединяются другие молекулы, в которых происходит путем индукции разделение зарядов. Так возникает электри­чески заряженный комплекс молекул, называемый легким ионом. Заряженные молекулы могут также присоединяться к ядрам конденсации или пылинкам, взвешенным в воздухе, вследствие чего возникают более крупные тяжелые ионы с массами в ты­сячи раз большими, чем у легких ионов.

Содержание легких ионов у земной поверхности — несколько сотен на один кубический сантиметр, тяжелых — от нескольких сотен до десятков тысяч на один кубический сантиметр.