Тропосфера

Її верхня межа знаходиться на висоті 8-10 км у полярних, 10-12 км у помірних та 16-18 км у тропічних широтах; взимку нижче, ніж улітку. Нижній, основний шар атмосфери містить понад 80% всієї маси атмосферного повітря і близько 90% всього водяної пари, що є в атмосфері. У тропосфері сильно розвинені турбулентність та конвекція, виникають хмари, розвиваються циклони та антициклони. Температура зменшується зі зростанням висоти із середнім вертикальним градієнтом 0,65°/100 м

Тропопауза

Перехідний шар від тропосфери до стратосфери, шар атмосфери, де припиняється зниження температури з висотою.

Стратосфера

Шар атмосфери, що знаходиться на висоті від 11 до 50 км. Характерно незначна зміна температури у шарі 11-25 км (нижній шар стратосфери) та підвищення її у шарі 25-40 км від -56,5 до 0,8 ° С (верхній шар стратосфери або область інверсії). Досягши на висоті близько 40 км. значення близько 273 К (майже 0 °C), температура залишається постійною до висоти близько 55 км. Ця область постійної температури називається стратопаузою і є межею між стратосферою та мезосферою.

Стратопауза

Прикордонний шар атмосфери між стратосферою та мезосферою. У вертикальному розподілі температури є максимум (близько 0 °C).

Мезосфера

Мезосфера починається на висоті 50 км і тягнеться до 80-90 км. Температура з висотою знижується із середнім вертикальним градієнтом (0,25-0,3)°/100 м. Основним енергетичним процесом є променистий теплообмін. Складні фотохімічні процеси з участю вільних радикалів, коливально збуджених молекул тощо. буд. обумовлюють світіння атмосфери.

Мезопауза

Перехідний шар між мезосферою та термосферою. У вертикальному розподілі температури має місце щонайменше (близько -90 °C).

Лінія Карману

Висота над рівнем моря, яка умовно приймається як межа між атмосферою Землі та космосом. Лінія Кармана знаходиться на висоті 100 км. над рівнем моря.

Кордон атмосфери Землі

Термосфера

Верхня межа – близько 800 км. Температура зростає до висот 200-300 км, де досягає значень близько 1500 К, після чого залишається майже постійною до висот. Під дією ультрафіолетової та рентгенівської сонячної радіації та космічного випромінювання відбувається іонізація повітря («полярні сяйва») – основні області іоносфери лежать усередині термосфери. На висотах понад 300 км. переважає атомарний кисень. Верхня межа термосфери значною мірою визначається поточною активністю Сонця. У періоди низької активності відбувається помітне зменшення розмірів цього шару.

Термопауза

Область атмосфери прилегла зверху до термосфери. У цій галузі поглинання сонячного випромінювання незначне, і температура фактично не змінюється з висотою.

Екзосфера (сфера розсіювання)

Атмосферні шари до висоти 120 км

Екзосфера – зона розсіювання, зовнішня частина термосфери, розташована вище 700 км. Газ в екзосфері сильно розріджений, і звідси йде витік його частинок у міжпланетний простір (дисипація).

До висоти 100 км атмосфера є гомогенною добре перемішаною сумішшю газів. У більш високих шарах розподіл газів за висотою залежить від їх молекулярних мас, концентрація більш важких газів зменшується швидше при віддаленні поверхні Землі. Внаслідок зменшення щільності газів температура знижується від 0 °C у стратосфері до −110 °C у мезосфері. Однак кінетична енергія окремих частинок на висотах 200-250 км. відповідає температурі ~150 °C. Понад 200 км спостерігаються значні флуктуації температури та щільності газів у часі та просторі.

На висоті близько 2000-3500 км екзосфера поступово перетворюється на так званий близькокосмічний вакуум, який заповнений сильно розрідженими частинками міжпланетного газу, головним чином атомами водню. Але цей газ є лише частиною міжпланетної речовини. Іншу частину складають пилоподібні частинки кометного та метеорного походження. Окрім надзвичайно розріджених пилоподібних частинок, у цей простір проникає електромагнітна та корпускулярна радіація сонячного та галактичного походження.

Перед тропосфери припадає близько 80 % маси атмосфери, частку стратосфери - близько 20 %; маса мезосфери - трохи більше 0,3 %, термосфери - менше 0,05 % від загальної маси атмосфери. На підставі електричних властивостей в атмосфері виділяють нейтросферу та іоносферу. В даний час вважають, що атмосфера тягнеться до висоти 2000-3000 км.

Залежно від складу газу в атмосфері виділяють гомосферу та гетеросферу. Гетеросфера - це область, де гравітація впливає на поділ газів, оскільки їх перемішування такий висоті незначно. Звідси випливає змінний склад гетеросфери. Нижче лежить добре перемішана, однорідна за складом частина атмосфери, звана гомосфера. Кордон між цими шарами називається турбопаузою, він лежить на висоті близько 120 км.

Атмосфера Землі неоднорідна: на різних висотах спостерігаються різна щільність повітря та тиск, змінюється температура та газовий склад. З поведінки температури навколишнього повітря (тобто. зростає температура з висотою чи знижується) у ній виділяються такі верстви: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Межі між шарами називаються паузами: їх налічується 4 т.к. верхня межа екзосфери дуже розмита і найчастіше належить до ближнього космосу. Із загальною будовою атмосфери можна ознайомитися на схемі, що додається.

Рис.1 Будова атмосфери Землі. Credit: сайт

Найнижчий атмосферний шар - тропосфера, верхня межа якої, звана тропопаузою, залежно від географічної широти відрізняється і становить від 8 км. у полярних до 20 км. у тропічних широтах. У середніх або помірних широтах її верхня межа лежить на висотах 10-12 км. Протягом року верхня межа тропосфери зазнає коливань, що залежать від надходження сонячної радіації. Так, в результаті зондування біля Південного полюса Землі метеорологічною службою США було виявлено, що з березня до серпня або вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, внаслідок якого на короткий період у серпні чи вересні її кордон піднімається до 11,5 км. Потім, у період з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого становища - 7,5 км, після якого її висота практично не змінюється до березня. Тобто. Найбільшої товщини тропосфера досягає влітку, а найменшою взимку.

Крім сезонних існують і добові коливання висоти тропопаузи. Також її становище впливають циклони і антициклони: у перших вона опускається, т.к. тиск у них нижчий ніж у навколишньому повітрі, по-друге відповідно піднімається.

Тропосфера містить до 90% всієї маси земного повітря та 9/10 усієї водяної пари. Тут сильно розвинена турбулентність, особливо в приповерхневих та найвищих шарах, розвиваються хмари всіх ярусів, формуються циклони та антициклони. А завдяки нагромадженню парниковими газами (вуглекислий газ, метан, водяна пара) відбитих від поверхні Землі сонячних променів розвивається парниковий ефект.

З парниковим ефектом пов'язане зниження температури повітря в тропосфері з висотою (бо нагріта Земля більше тепла дає приземним шарам). Середній вертикальний градієнт становить 0,65 ° / 100 м (тобто температура повітря знижується на 0,65 ° C при підйомі на кожні 100 метрів). Так, якщо у поверхні Землі в районі екватора середньорічна температура повітря становить +26° то на верхньому кордоні -70°. Температура в районі тропопаузи над північним полюсом протягом року змінюється від -45 ° влітку до -65 ° взимку.

Зі зростанням висоти падає і тиск повітря, становлячи біля верхньої межі тропосфери лише 12-20% від приповерхневого.

На межі тропосфери та вищележачого шару стратосфери лежить шар тропопаузи, завтовшки 1-2 км. Як нижні межі тропопаузи зазвичай приймається шар повітря в якому вертикальний градієнт знижується до 0,2 ° / 100 м проти 0,65 ° / 100 м в районах нижче тропосфери.

У межах тропопаузи спостерігаються повітряні потоки строго певного напрями, звані висотні струменеві течії чи " реактивні потоки " (jet streams), що утворюються під впливом обертання Землі навколо своєї осі та нагрівання атмосфери з участю сонячної радіації. Спостерігаються течії на межах зон із значними перепадами температур. Виділяють кілька вогнищ локалізації цих течій, наприклад, арктичний, субтропічний, субполярний та інші. Знання локалізації jet streams дуже важливе для метеорології та авіації: перша використовує потоки для точного прогнозування погоди, друга для побудови маршрутів польотів літаків, т.к. на межах потоків існують сильні турбулентні вихори, подібні до невеликих вир, звані через відсутність на цих висотах хмарності "турбулентністю ясного неба".

Під впливом висотних струменевих течій у тропопаузі часто утворюються розриви, а часом вона взагалі зникає, щоправда, потім утворюється заново. Особливо часто це спостерігається в субтропічних широтах, над якими панує потужна субтропічна висотна течія. Крім того, до формування розривів призводить різниця шарів тропопаузи за температурою навколишнього повітря. Наприклад, великий розрив існує між теплою та низькою полярною тропопаузою та високою та холодною тропопаузою тропічних широт. Останнім часом виділяється і шар тропопаузи помірних широт, що має розриви з попередніми двома шарами: полярним та тропічним.

Другим прошарком земної атмосфери є стратосфера. Стратосферу умовно можна поділити на 2 області. Перша з них, що лежить до висот 25 км, характеризується майже постійними температурами, які дорівнюють температурам верхніх шарів тропосфери над конкретною місцевістю. Друга область або область інверсії характеризується підвищенням температури повітря до висот приблизно 40 км. Це відбувається за рахунок поглинання киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. У верхній частині стратосфери завдяки цьому прогріву температура часто є позитивною або навіть порівнянною з температурою приземного повітря.

Вище області інверсії знаходиться шар постійних температур, який зветься стратопаузи і є межею між стратосферою та мезосферою. Її товщина сягає 15 км.

На відміну від тропосфери в стратосфері рідкісні турбулентні обурення, проте відзначені сильні горизонтальні вітри або струменеві течії, що дмуть у вузьких зонах вздовж меж помірних широт, звернених до полюсів. Становище цих зон непостійне: вони можуть зміщуватися, розширюватися і навіть зовсім зникати. Часто струменеві течії проникають у верхні шари тропосфери, або навпаки маси повітря з тропосфери проникають у нижні шари стратосфери. Особливо характерним є подібне перемішування мас повітря в районах атмосферних фронтів.

Мало в стратосфері та водяної пари. Повітря тут дуже сухе, а тому і хмар утворюється мало. Лише на висотах 20-25 км, перебуваючи у високих широтах, можна помітити дуже тонкі перламутрові хмари, що складаються з переохолоджених водяних крапельок. Вдень ці хмари не видно, зате з настанням темряви вони здаються сонцем, що світилося через освітлення їх уже сівши за горизонт.

На цих же висотах (20-25 км.) в нижній стратосфері існує так званий озоновий шар - область з найбільшим вмістом озону, який утворюється під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання (докладніше про цей процес ви можете дізнатися на сторінці). Озоновий шар або озоносфера має надзвичайну важливість для підтримки життя всіх організмів, що живуть на суші, поглинаючи смертельно небезпечні ультрафіолетові промені з довжиною хвилі до 290 нм. Саме з цієї причини вище за озоновий шар живі організми не живуть, він є верхньою межею поширення життя на Землі.

Під впливом озону змінюються магнітні поля, атоми розпадаються молекули, відбувається іонізація, новоутворення газів та інших хімічних сполук.

Шар атмосфери, що лежить вище стратосфери, називається мезосферою. Для нього характерне зниження температури повітря з висотою із середнім вертикальним градієнтом 0,25-0,3°/100 м, що призводить до сильної турбулентності. У верхніх кордонів мезосфери в області званої мезопаузою були відзначені температури до -138 ° С, що є абсолютним мінімумом для всієї атмосфери Землі в цілому.

Тут же в межах мезопаузи проходить нижня межа області активного поглинання рентгенівського та короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця. Подібний енергетичний процес отримав назву променистий теплообмін. В результаті відбувається нагрівання та іонізація газу, що зумовлює свічення атмосфери.

На висотах 75-90 км біля верхніх кордонів мезосфери було відзначено особливі хмари, які у полярних регіонах планети великі площі. Називають ці хмари сріблястими через їхнє свічення в сутінках, яке обумовлено відображенням сонячних променів від крижаних кристалів, з яких ці хмари складаються.

Тиск повітря в межах мезопаузи в 200 разів менший, ніж у земної поверхні. Це говорить про те, що майже все повітря атмосфери зосереджений у її трьох нижніх шарах: тропосфері, стратосфері та мезосфері. На вищі шари термосферу і екзосферу припадає лише 0,05% маси всієї атмосфери.

Термосфера лежить на висотах від 90 до 800 км. над поверхнею Землі.

Для термосфери характерне безперервне зростання температури повітря до висот 200-300 км, де може досягати 2500°C. Зростання температури відбувається рахунок поглинання молекулами газу рентгенівського і короткохвильової частини ультрафіолетового випромінювання Сонця. Понад 300 км над рівнем моря зростання температури припиняється.

Одночасно зі зростанням температури знижується тиск, і, отже, щільність навколишнього повітря. Так якщо у нижніх меж термосфери щільність становить 1,8×10 -8 г/см 3 , то у верхніх вже 1,8×10 -15 г/см 3 , що відповідає приблизно 10 млн. - 1 млрд. частинок в 1 см 3 .

Всі характеристики термосфери, такі як склад повітря, його температура, щільність, схильні до сильних коливань: залежно від географічного положення, сезону року та доби. Змінюється навіть розташування верхньої межі термосфери.

Найвищий шар атмосфери називається екзосферою або шаром розсіювання. Його нижня межа постійно змінюється у дуже широких межах; за середню величину прийнята висота 690-800 км. Встановлюється вона там, де ймовірність міжмолекулярних чи міжатомних зіткнень можна знехтувати, тобто. середня відстань, яку подолає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою (т.зв. вільний пробіг) буде настільки велика, що фактично молекули з ймовірністю близькою до нуля не зіткнутися. Шар де має місце позначатися описане явище називається термопаузою.

Верхня межа екзосфери лежить на висотах 2-3 тис. км. Вона сильно розмита і поступово перетворюється на близькокосмічний вакуум. Іноді, з цієї причини, екзосферу вважають частиною космічного простору, а за її верхню межу приймають висоту 190 тис.км, де вплив тиску сонячного випромінювання швидкості атомів водню перевищує гравітаційне тяжіння Землі. Це т.зв. земна корона, що з атомів водню. Щільність земної корони дуже мала: всього 1000 частинок у кубічному сантиметрі, але це число більш ніж 10 разів перевищує концентрацію частинок в міжпланетному просторі.

У зв'язку з надзвичайною розрідженістю повітря екзосфери частинки рухаються навколо Землі по еліптичних орбітах, не стикаючись між собою. Деякі з них, рухаючись по розімкнених або гіперболічних траєкторіях з космічними швидкостями (атоми водню та гелію) залишають межі атмосфери і йдуть у космічний простір, через що екзосферу називають сферою розсіювання.

Атмосфера Землі є газовою оболонкою нашої планети. Її нижня межа проходить на рівні земної кори та гідросфери, а верхня переходить у навколоземну область космічного простору. Атмосфера містить близько 78% азоту, 20% кисню, до 1% аргону, вуглекислого газу, водню, гелію, неону та деяких інших газів.

Ця земна оболонка характеризується чітко вираженою шаруватістю. Шари атмосфери визначаються вертикальним розподілом температури та різною щільністю газів на різних її рівнях. Розрізняють такі верстви атмосфери Землі: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, екзосфера. Окремо виділяють іоносферу.

До 80% усієї маси атмосфери становить тропосфера – нижній приземний шар атмосфери. Тропосфера у полярних поясах розташована на рівні до 8-10 км над земною поверхнею, у тропічному поясі – максимально до 16-18 км. Між тропосферою і шаром стратосферою знаходиться тропопауза - перехідний шар. У тропосфері температура знижується зі збільшенням висоти, аналогічно з висотою зменшується атмосферний тиск. Середній градієнт температури в тропосфері становить 0,6°С на 100 м. Температура різних рівнях даної оболонки визначається особливостями поглинання сонячного випромінювання та ефективністю конвекції. Майже вся діяльність людини здійснюється у тропосфері. Найвищі гори не виходять за межі тропосфери, тільки повітряний транспорт може перетинати на невелику висоту верхню межу цієї оболонки та перебувати у стратосфері. Велика частка водяної пари міститься в тропосфері, що обумовлює формування багатьох хмар. Також у тропосфері сконцентровані практично всі аерозолі (пил, дим, тощо), що утворюються на земній поверхні. У нижньому прикордонному шарі тропосфери виражені добові коливання температури, вологості повітря, швидкість вітру зазвичай знижена (вона зростає з підвищенням висоти). У тропосфері спостерігається мінливе розчленовування товщі повітря на повітряні маси в горизонтальному напрямку, що відрізняються за низкою показників залежно від пояса та місцевості їх формування. На атмосферних фронтах - кордонах між повітряними масами - утворюються циклони та антициклони, що визначають погоду на певній території протягом конкретного проміжку часу.

Стратосфера є шаром атмосфери між тропосферою та мезосферою. Межі цього шару становлять від 8-16 км. до 50-55 км. над поверхнею Землі. У стратосфері газовий склад повітря приблизно такий самий, як і в тропосфері. Відмінна риса – зменшення концентрації водяної пари та підвищення вмісту озону. Озоновий шар атмосфери, що захищає біосферу від агресивного впливу ультрафіолетового світла, становить від 20 до 30 км. У стратосфері температура підвищується з висотою, причому температурні значення визначаються сонячним випромінюванням, а чи не конвекцією (пересуванням повітряних мас), як і тропосфері. Нагрівання повітря стратосфери обумовлено поглинанням ультрафіолетового випромінювання озоном.

Над стратосферою простягається мезосфера рівня 80 км. Цей шар атмосфери характеризується тим, що температура зі збільшенням висоти знижується від 0° З до - 90° З. Це найхолодніша область атмосфери.

Вище за мезосферу знаходиться термосфера до рівня 500 км. Від кордону з мезосферою до екзосфери температура змінюється приблизно від 200 К до 2000 К. До рівня 500 км щільність повітря зменшується у кілька сотень тисяч разів. Відносний склад атмосферних складових термосфери аналогічний до приземного шару тропосфери, але зі збільшенням висоти більша кількість кисню переходить в атомарний стан. Певна частка молекул і атомів термосфери перебуває у іонізованому стані і розподілені у кількох шарах, вони поєднуються поняттям іоносфера. Характеристики термосфери варіюють у великому діапазоні залежно від географічної широти, величини сонячної радіації, пори року та доби.

Верхній шар атмосфери – екзосфера. Це найбільш розріджений шар атмосфери. У екзосфері довжини вільного пробігу частинок настільки величезні, що частки можуть вільно віддалятися міжпланетний простір. Маса екзосфери становить одну десятимільйонну від загальної атмосфери. Нижня межа екзосфери – рівень 450-800 км, а верхнім кордоном вважається область, де концентрація частинок така сама, як і космічному просторі, - кілька тисяч кілометрів від Землі. Екзосфера складається із плазми – іонізованого газу. Також в екзосфері знаходяться радіаційні пояси нашої планети.

Відео презентація – шари атмосфери Землі:

Схожі матеріали:

Роль та значення основних газів атмосферного повітря

Склад та будова атмосфери.

Атмосфера – газова оболонка Землі. Вертикальна довжина атмосфери більше трьох земних радіусів (середній радіус дорівнює 6371 км) а маса - 5,157х10 15 т, що становить приблизно мільйонну від маси Землі.

В основу поділу атмосфери на шари у вертикальному напрямку покладено таке:

Склад атмосферного повітря,

Фізико-хімічні процеси;

розподіл температури по висоті;

Взаємодія атмосфери з поверхнею, що підстилає.

Атмосфера нашої планети є механічною сумішшю різних газів, у тому числі водяної пари, а також деякої кількості аерозолів. Склад сухого повітря у нижньому 100 км залишається практично постійним. Чисте та сухе повітря, в якому немає водяної пари, пилу та інших домішок, є сумішшю газів, головним чином азоту (78 % обсягу повітря) та кисню (21 %). Трохи менш ніж один відсоток становить аргон і в дуже малих кількостях знаходиться безліч інших газів - ксенон, криптон, вуглекислий газ, водень, гелій та ін. (Табл. 1.1).

Азот, кисень та інші складові атмосферного повітря знаходяться в атмосфері завжди в газоподібному стані, так як критичні температури, тобто температури, при яких вони можуть перебувати в рідкому стані, набагато нижче температур, що спостерігаються біля Землі. Виняток становить вуглекислий газ. Однак для переходу в рідкий стан крім температури необхідне досягнення стану насичення. У атмосфері вуглекислого газу небагато (0,03 %) і він перебуває у вигляді окремих молекул, рівномірно розподілених серед молекул інших атмосферних газів. За останні 60-70 років його зміст збільшився на 10-12%, під впливом діяльності людини.

Більше інших схильний до зміни вмісту водяної пари, концентрація якого біля поверхні Землі при високій температурі може досягати 4%. Зі збільшенням висоти і зниженням температури вміст водяної пари різко зменшується (на висоті 1,5-2,0 км - наполовину і в 10-15 разів від екватора до полюса).

Маса твердих домішок протягом останніх 70 років у атмосфері північної півкулі зросла приблизно 1,5 разу.

Постійність газового складу повітря забезпечується інтенсивним перемішуванням нижнього шару повітря.

Газовий склад нижніх шарів сухого повітря (без водяної пари)

Роль та значення основних газів атмосферного повітря

КИСНЕ (О)життєво необхідний майже всім жителів планети. Це активний газ. Він бере участь у хімічних реакціях коїться з іншими газами атмосфери. Кисень активно поглинає променисту енергію, особливо короткі хвилі довжиною менше 2.4 мкм. Під дією сонячного ультрафіолетового випромінювання (X< 03 мкм) молекула кисню розпадається на атоми. Атомарний кисень, з'єднуючись з молекулою кисню, утворює нову речовину - триатомний кисень або озон(Оз). Озон в основному перебуває на висотах. там йогороль планети винятково благотворна. У Землі озон утворюється при грозових розрядах.

На відміну від інших газів в атмосфері, які не мають ні смаку, ні запаху, озон має характерний запах. У перекладі з грецької мови слово "озон" означає "гострий". Після грози цей запах приємний, він сприймається як запах свіжості. У великих кількостях озон є отруйною речовиною. У містах з великою кількістю автомобілів, а значить і великими викидами автомобільних газів, у безхмарну або малохмарну погоду під дією сонячних променів утворюється озон. Місто огортається жовто-синьою хмарою, видимість погіршується. Це фотохімічний зміг.

АЗОТ (N2) - нейтральний газ, він, вступає у реакції коїться з іншими газами атмосфери, бере участь у поглинанні променистої енергії.

До висот 500 км атмосфера переважно складається з кисню та азоту. При цьому, якщо в нижньому шарі атмосфери переважає азот, то на висотах великих кисню більше, ніж азоту.

АРГОН (Аг) - нейтральний газ, у реакції не вступає, у поглинанні та випромінюванні променистої енергії не бере участі. Аналогічно - ксенон, криптон та багато інших газів. Аргон – важка речовина, у високих шарах атмосфери її дуже мало.

ВУГЛЕКІСЛОГО ГАЗУ (С02) в атмосфері в середньому 0,03%. Цей газ дуже необхідний рослинам та активно ними поглинається. Фактична кількість їх у повітрі може дещо змінюватися. У промислових районах його може збільшуватися до 0.05 %. У сільській місцевості, над лісами, полями його менше. Над Антарктидою приблизно 0,02% вуглекислого газу, тобто майже на Вузменше середньої кількості в атмосфері. Стільки ж і навіть менше його над морем – 0.01 – 0.02 %, оскільки вуглекислий газ інтенсивно поглинається водою.

У шарі повітря, що безпосередньо примикає до земної поверхні, кількість вуглекислого газу зазнає і добових коливань.

Вночі його більше, вдень менше. Пояснюється це тим, що у світлий час доби вуглекислий газ поглинається рослинами, а вночі немає. Рослини планети протягом року беруть із атмосфери близько 550 млрд. т. і повертають до неї близько 400 млрд. т. кисню.

Вуглекислий газ повністю прозорий для сонячних короткохвильових променів, але інтенсивно поглинає інфрачервоне теплове випромінювання Землі. З цим пов'язана проблема парникового ефекту, з приводу якого періодично розгоряються дискусії на сторінках наукового друку, а головним чином мас-медіа.

ГЕЛІЙ (Не) – дуже легкий газ. Він надходить в атмосферу із земної кори в результаті радіоактивного розпаду торію та урану. Гелій випаровується в космічний простір. Швидкість зменшення гелію відповідає швидкості надходження його з надр Землі. Від висоти 600 км. до 16000 км. наша атмосфера складається головним чином з гелію. Це «гелієва корона Землі» за висловом Вернадського. Гелій не входить у реакції з іншими газами атмосфери, не бере участі в променистому теплообміні.

Водень (Нг) ще легший газ. У Землі його дуже мало. Він піднімається у верхні шари атмосфери. У термосфері та екзосфері атомарний водень стає домінуючим компонентом. Водень - це найвища, найдальша оболонка нашої планети. Вище 16000 км до верхньої межі атмосфери, тобто до висот 30 – 40 тис. км, переважає водень. Таким чином, хімічний склад нашої атмосфери з висотою наближається до хімічного складу Всесвіту, в якому водень та гелій – найпоширеніші елементи. У самій зовнішній, вкрай розрядженій частині верхньої атмосфери відбувається втікання з атмосфери водню та гелію. Окремі їх атоми мають для цього чималі швидкості.

Блакитна планета...

Ця тема мала з'явитися на сайті однієї з перших. Адже і гелікоптери – атмосферні літальні апарати. Атмосфера Землі- їх, так би мовити, місце існування:-). А фізичні властивості повітрятаки визначають якість цього проживання:-). Тобто, це одна з основ. І про основу завжди пишуть спочатку. Але зрозумів я про це тільки зараз. Однак краще, як відомо, пізно, ніж ніколи… Торкнемося цього питання, в нетрі й непотрібні складнощі, проте не залазячи:-).

Отже… Атмосфера Землі. Це газова оболонка нашої блакитної планети. Така назва всім відома. А чому блакитна? Просто тому, що «блакитна» (а також синя та фіолетова) складова сонячного світла (спектру) найбільш добре розсіюється в атмосфері, забарвлюючи її тим самим у блакитно-синюваті, іноді з відтінком фіолетового тону (в сонячний день, звичайно:-)) .

Склад атмосфери Землі.

Склад атмосфери досить широкий. Перераховувати в тексті всі складові не буду, для цього є хороша ілюстрація. Склад усіх цих газів практично постійний, за винятком вуглекислого газу (2). Крім того, в атмосфері обов'язково міститься вода у вигляді пари, суспензії крапель або кристалів льоду. Кількість води непостійна і залежить від температури та, меншою мірою, від тиску повітря. Крім того, атмосфера Землі (особливо нинішня) містить і певну кількість я б сказав «будь-якої гидоти»:-). Це SO 2 , NH 3 , CO , HCl , NO , крім того є пари ртуті Hg . Правда все це знаходиться там у невеликих кількостях, дякувати Богу:-).

Атмосферу Земліприйнято ділити кілька наступних друг за одним по висоті над поверхнею зон.

Перша, найближча до землі – це тропосфера. Це найнижчий і, так би мовити, основний шар для життєдіяльності різного виду. У ньому міститься 80% маси всього атмосферного повітря (хоча за обсягом вона становить близько 1% всієї атмосфери) і близько 90% всієї атмосферної води. Переважна більшість всіх вітрів, хмар, дощів і снігів 🙂 — звідти. Тропосфера простягається до висот близько 18 км у тропічних широтах і до 10 км у полярних. Температура повітря в ній падає з підйомом на висоту приблизно 0,65 º на кожні 100 м-коду.

атмосферні зони.

Зона друга - стратосфера. Треба сказати, що між тропосферою та стратосферою виділяють ще одну вузьку зону – тропопаузу. У ній припиняється зниження температури з висотою. Тропопауза має середню товщину 1,5-2 км, але межі її нечітки і тропосфера часто перекриває стратосферу.

Так ось, стратосфера має висоту в середньому від 12 км до 50 км. Температура в ній до 25 км залишається незмінною (порядку -57 º С), потім десь до 40 км підвищується приблизно до 0 º С і далі до 50 км залишається незмінною. Стратосфера – відносно спокійна частина землі. Несприятливі погодні умови у ній практично відсутні. Саме в стратосфері розташований знаменитий озоновий шар на висотах від 15-20 км до 55-60 км.

Далі слідує невеликий прикордонний шар стратопауза, температура в якій зберігається близько 0 С, а потім наступна зона мезосфера. Вона тягнеться до висот 80-90 км, і в ній температура падає приблизно до 80ºС. У мезосфері зазвичай стають видні дрібні метеори, які починають у ній світитися і там згоряють.

Наступний вузький проміжок – мезопауза та за нею зона термосфера. Її висота – до 700-800 км. Тут температура знову починає підвищуватись і на висотах близько 300 км може досягати величин близько 1200 ºС. Далі вона залишається постійною. Усередині термосфери до висоти близько 400 км. розташована іоносфера. Тут повітря сильно іонізовано через вплив сонячної радіації і має велику електропровідність.

Наступна і, втім, остання зона - екзосфера. Це так звана зона розсіювання. Тут в основному є дуже сильно розріджений водень і гелій (з переважанням водню). На висотах близько 3000 км екзосфера перетворюється на близькокосмічний вакуум.

Ось десь так. Чому приблизно? Тому що ці шари досить умовні. Можливі різні зміни висоти, складу газів, води, величини температури, іонізації тощо. Крім того, існує ще чимало термінів, що визначають будову і стан атмосфери землі.

Наприклад гомосфера та гетеросфера. У першій атмосферні гази добре перемішані, та його склад досить однорідний. Друга розташована вище за першу і такого перемішування там вже практично немає. Гази у ній поділяє гравітація. Кордон між цими шарами розташований на висоті 120 км, і називається він турбопауза.

З термінами мабуть покінчимо, але обов'язково додам, що умовно прийнято вважати, що межа атмосфери розташована на висоті 100 км над рівнем моря. Цей кордон називається Лінія Кармана.

Додам ще дві картинки для ілюстрації будови атмосфери. Перша, правда, німецькою, зате повна і досить легка в розумінні:-). Її можна збільшити та добре розглянути. Другий показує зміну температури атмосфери з висотою.

Будова атмосфери Землі.

Зміна температури повітря заввишки.

Сучасні пілотовані орбітальні космічні апарати літають на висотах близько 300-400 км. Однак це вже не авіація, хоча область, звичайно, у певному сенсі близька, і ми про неї ще неодмінно поговоримо:-).

Зона авіації – це тропосфера. Сучасні атмосферні літальні апарати можуть літати й у нижніх шарах стратосфери. Наприклад практична стеля МІГ-25РБ - 23000 м .

Політ у стратосфері.

І саме фізичні властивості повітрятропосфери визначають яким буде політ, наскільки буде ефективна система управління літака, як впливатиме на нього турбулентність в атмосфері, як працюватимуть двигуни.

Перша основна властивість – це температура повітря. У газодинаміці вона може визначатися за шкалою Цельсія або за шкалою Кельвіна.

Температура t 1на заданій висоті Нза шкалою Цельсія визначається:

t 1 = t - 6,5Н, де t- Температура повітря біля землі.

Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температуроюнуль за цією шкалою – це абсолютний нуль. При абсолютному нулі припиняється тепловий рух молекул. Абсолютний нуль за шкалою Кельвіна відповідає -273 º за шкалою Цельсія.

Відповідно температура Тна висоті Нза шкалою Кельвіна визначається:

T = 273K + t - 6,5H

Тиск повітря. Атмосферний тиск вимірюється в Паскалях (Н/м2), у старій системі вимірювання в атмосферах (атм.). Існує ще таке поняття як барометричний тиск. Це тиск, виміряний у міліметрах ртутного стовпа за допомогою барометра ртутного. Барометричний тиск (тиск на рівні моря) дорівнює 760 мм рт. ст. називається стандартним. У фізиці 1 атм. якраз і дорівнює 760 мм рт.

Щільність повітря. В аеродинаміці найчастіше користуються таким поняттям, як масова густина повітря. Це маса повітря 1 м 3 обсягу. Щільність повітря з висотою змінюється, повітря стає більш розрідженим.

Вологість повітря. Показує кількість води, що знаходиться у повітрі. Існує поняття « відносна вологість». Це відношення маси водяної пари до максимально можливої ​​за даної температури. Поняття 0%, тобто коли повітря зовсім сухе може існувати взагалі тільки в лабораторії. З іншого боку 100% вологість цілком реальна. Це означає, що повітря ввібрало в себе всю воду, яку могло ввібрати. Щось типу абсолютно «повної губки». Висока відносна вологість знижує густину повітря, а мала, відповідно підвищує.

У зв'язку з тим, що польоти літаків відбуваються за різних атмосферних умов, їх польотні і аеродинамічні параметри однією режимі польоту може бути різними. Тому для правильної оцінки цих параметрів введено Міжнародна стандартна атмосфера (МСА). Вона показує зміну стану повітря з підйомом на висоту.

За основні прийняті параметри стану повітря за нульової вологості:

тиск P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура t = +15 ° C (288 К);

масова щільність ρ = 1,225 kg/m 3 ;

Для МСА прийнято (як було зазначено вище:-)), що температура падає у тропосфері на 0,65º на кожні 100 метрів висоти.

Стандартна атмосфера (приклад 10000 м).

Таблиці МСА використовуються при градуюванні приладів, а також для штурманських та інженерних розрахунків.

Фізичні властивості повітрявключають також такі поняття як інертність, в'язкість і стисливість.

Інертність - властивість повітря, що характеризує його здатність чинити опір зміні стану спокою або рівномірного прямолінійного руху . Мірою інертності є масова щільність повітря. Чим вона вища, тим вища інертність і сила опору середовища під час руху в ній літака.

В'язкість. Визначає опір тертя повітря при русі літака.

Стискання визначає зміну щільності повітря при зміні тиску. На малих швидкостях руху літального апарату (до 450 км/год) зміни тиску при обтіканні повітряним потоком не відбувається, але при великих швидкостях починає проявлятися ефект стисливості. Особливо впливає його вплив на надзвуку. Це окрема область аеродинаміки та тема для окремої статті:-).

Ну от здається поки все ... Настав час закінчити це злегка нудний перелік, без якого однак не обійтися:-). Атмосфера Землі, її параметри, фізичні властивості повітрятакож важливі для літального апарату, як і параметри самого апарата, і про них не можна не згадати.

Поки що, до наступних зустрічей та цікавіших тем 🙂 …

P.S. На солодке пропоную подивитися ролик, знятий з кабіни спарки МІГ-25ПУ, при його польоті в стратосферу. Знімав, мабуть, турист, який має гроші для таких польотів:-). Знято переважно все через лобове скло. Зверніть увагу на колір неба.