Мы живем на дне воздушного океана, который простирается вверх до 1500 км и далее. В отличие от практически несжимаемой воды воздух легко сжимается. Кубический метр воздуха у поверхности Земли весит в миллиарды раз больше одного кубического метра на верхней границе атмосферы. Плотность воздуха у поверхности Земли[1] r0≈1.3 кг/м3. Общая масса атмосферы составляет около 5·1015 т. Это примерно в миллион раз меньше массы самого земного шара.
Атмосфера разрежается так быстро, что только в нижнем 5-ти километровом слое содержится ½ массы атмосферы.
О2 - немного меньше 21%,
N2 - 78%,
Остальные газы: CO2, Ar, Ne, Rn, He, Kr, Xe, H2, CH4, окислы азота и O3 в сумме составляют около 1 %.
Кроме этого, воздух может содержать до
4 % водяного пара по объему, пыль, газы, дымы, соли и другие химикаты морского
и антропогенного происхождения, а также различные микроорганизмы.
Концентрации составляющих зависят от высоты:
До 70-80 км: N2 - 78% , O2 - 21%, Ar -0,93%, CO2 - 0,03%, остальные - 0,04%.
Выше 800 км: H2 - 50%, He - 50%.
Если бы атмосфера была неподвижной, то более тяжелые газы и частицы опустились бы ближе к поверхности Земли, а более легкие расположились бы выше. Но постоянное движение и перемешивание воздуха делают практически постоянным его состав до высот 105-110 км. Выше начинают преобладать более легкие газы.
В атмосфере по различным физическим признакам выделяют отдельные слои. Согласно решению конгресса Международного геодезического и геофизического союза 1951 г., атмосфера делится на 5 слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Однако существует еще и другое деление, общепризнанное, но не оформленное межправительственными соглашениями (см. далее).
Тропосфера может быть разделена на нижнюю, или планетарный пограничный слой (1-1.5 км), где проявляются эффекты трения воздуха о поверхность, а вертикальный градиент температуры подвержен резким колебаниям во времени; среднюю (1.5—5-6 км, вертикальный градиент температуры 0.5-0.6 оС/100 м) и верхнюю (от 5-6 км – до тропопаузы с вертикальным градиентом температуры 0.7-0.8 оС/100 м). В тропосфере находятся практически все облака. Именно здесь существует погода в обычном понимании этого слова. Нагретый за счет контакта с Землей воздух поднимается вверх и замещается более холодным. Эти вертикальные течения инициируют горизонтальные ветры у поверхности Земли или близко от нее. Вода, испаряющаяся с поверхности Земли, поднимается вместе с теплым воздухом. По мере подъема давление падает, воздух расширяется и охлаждается. При достаточном охлаждении водяной пар конденсируется и превращается в облака. Температура воздуха в тропосфере весьма быстро уменьшается с высотой. Средний градиент температуры - 6°/км.
Тропопауза - зона конца тропосферы и начала стратосферы, где, как считалось ранее, почти не бывает погоды. Считалось, что слой тропопаузы непрерывно продолжается от экватора к полюсам. На самом деле тропопауза имеет разрывы, приводящие к перекрывающейся структуре. Над экватором тропопауза располагается выше всего (тропическая тропопауза), в средних широтах – несколько ниже (экстратропическая), над полюсами – ниже всего (арктическая). В области разрывов существуют большие горизонтальные градиенты температуры и образуются так называемые струйные течения – гибкие узкие трубки сильных ветров с почти горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере. Струйные течения обычно направлены с запада на восток и характеризуются большими вертикальным и горизонтальным градиентами скорости ветра и одним или более максимумами скорости. Обычно длина струйного течения составляет несколько тысяч километров, ширина – сотни километров. Сечение сердцевины струйного течения не превышает 50-100 км по горизонтали и 1-2 км по вертикали. Скорость ветра на границах сердцевины не намного меньше, чем на оси. Более детальные сведения о струйных течениях приведены в [15].
Струйные течения возникают в области разрывов тропопаузы вследствие высоких температурных градиентов. Течения были открыты американскими пилотами во время второй мировой войны, осуществлявшими налеты на Японию с Марианских островов. Средняя скорость ветра в середине течения - 200 км/ч зимой, 80 км/ч летом, но иногда может возрастать до 400 км/ч и более. Скорость ветра падает по мере удаления от оси течения. Число струйных течений и их пути весьма изменчивы ото дня ко дню и зависят от сезона. Типичное струйное течение имеет область максимальной силы ветра, которая часто перемещается по направлению течения на восток. В частности, зимой над Американским континентом существуют 3 основных струйных течения: над северной Канадой, над США и в субтропиках.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
