Все, кто летал на самолете, привыкли к сообщению такого рода: «наш полет проходит на высоте 10 000 м, температура за бортом - 50 °С». Кажется, ничего особенного. Чем дальше от нагретой Солнцем поверхности Земли, тем холоднее. Многие думают, что понижение температуры с высотой идет непрерывно и постепенно температура падает, приближаясь к температуре космоса. Между прочем, так думали ученые вплоть до конца 19 века.

Разберемся подробнее с распределением температуры воздуха над Землей. Атмосферу подразделяют на несколько слоев, которые и отражают в первую очередь характер изменения температуры.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой , что означает „сфера поворота". Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,— примерно на высоте 15—16 км над экватором и 7—8 км над полюсами. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли. В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около —62°С, а над полюсами около —45°С. В умеренных широтах более 75% массы атмосферы находится в тропосфере. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.

В 1899 г. в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы — к стратосфере , что означает „сфера слоя". Термин стратосфера означает и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона — одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами — один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Озоносфера поглощает часть лучистой энергии, проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы — стратопаузы (50 км), достигая, по некоторым данным, 0 °С.

На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой . Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой. Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой , температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до —96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.

Термосфера является первым слоем ионосферы . В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не по температурному признаку. Ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи. Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная—неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению. Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли — Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е. Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли—Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.

Самая внешняя область атмосферы, второй слой ионосферы, часто называется экзосферой . Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается атмосфера и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама атмосфера плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.

Подробнее о процессах а атмосфере можно узнать на сайте «Земной климат»

Мезосфера

Стратосфера

Выше тропосферы расположена стратосфера (от греческого «стратиум» - настил, слой). Её масса составляет 20% от массы атмосферы.

Верхняя граница стратосферы расположена от поверхности Земли на высоте:

В тропических широтах (экваторе) 50 – 55 км.:

В умеренных широтах до 50 км.;

В полярных широтах (полюсах) 40 – 50 км.

В стратосфере воздух по мере подъёма нагревается, при этом температура воздуха повышается с высотой в среднем на 1 – 2 градуса на 1 км. подъёма и достигает на верхней границе до +50 0 С.

Повышение температуры с высотой обусловлено главным образом озоном, который поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации. На высоте 20 – 25 км от поверхности Земли расположен очень тонкий (всего несколько сантиметров) озоновый слой.

Стратосфера очень бедна на водяной пар, здесь не бывает осадков, хотя иногда на высоте 30 км. образуются облака.

На основе наблюдений в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особо опасны для высокоскоростных летательных аппаратов.

Сильные ветры, называемые струйными течениями дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и появляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты.

Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образования озона) связано атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекается в нижние слои стратосферы.

Выше стратопаузы расположена мезосфера (от греческого «мезос» - средний).

Верхняя граница мезосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) 80 – 85 км.;

В умеренных широтах до 80 км.;

В полярных широтах (полюсах) 70 – 80 км.

В мезосфере температура понижается до – 60 0 С. – 1000 0 С. на её верхней границе.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока ещё недостаточно изучены.

Выше мезопаузы расположена термосфера (от греческого «термос» - тёплый).

Верхняя граница термосферы расположена на высоте от поверхности Земли:

В тропических широтах (экваторе) до 800 км.;

В умеренных широтах до 700 км.;

В полярных широтах (полюсах) до 650 км.

В термосфере температура снова повышается, достигая в верхних слоях 2000 0 С.

Необходимо заметить, что высотах 400 – 500 км. и выше температура воздуха не может быть определена ни одним из известных методов, вследствие чрезвычайного разряжения атмосферы. О температуре воздуха на таких высотах приходится судить по энергии газовых частиц, перемещающихся в газовых потоках.

Повышение температуры воздуха в термосфере связано с поглощением ультрафиолетового излучения и образованием ионов и электронов в атомах и молекулах газов содержащихся в атмосфере.

В термосфере давление и, следовательно, плотность газа с высотой постепенно уменьшается. В близи земной поверхности в 1 м 3 . воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул, на высоте около 100 км в нижних слоях термосферы в 1 м 3 воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул. На высоте 200 км., в ионосфере в 1 м 3 . воздуха содержится 5х10 15 молекул. На высоте около 850 км. в 1м. воздуха содержится 10 12 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8 - 10 9 на 1 м 3 . На высоте около 100 км. количество молекул невелико, но они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически двигающаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется её средним свободным пробегом.

При определённой температуре скорость движения молекулы зависит от массы: более лёгкие молекулы движутся быстрее тяжёлых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме этого, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атмосферный кислород приобретает всё большее значение в составе атмосферы на высоте около 200 км. становится главным компонентом.

Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км. от поверхности Земли преобладают лёгкие газы гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.

Такое расширение по весу называется диффузным расширением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Замечание 1

Строение атмосферы Земли слоистое, а слои отличаются друг от друга физическими и химическими свойствами, важнейшими из которых являются температура и давление. На основании этого в атмосфере планеты выделяют – тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.

С высотой плотность атмосферы меняется и на высоте $11$ км становится в $4$ раза меньше, чем в приземном слое. Рассмотрим слои атмосферы в зависимости от плотности, состава и свойств газов.

Тропосфера

В переводе с греческого языка термин «тропосфера» означает «поворот, изменение» , что очень точно отражает её свойства. В пределах этого слоя происходит постоянное перемешивание воздуха и перемещение его в разных направлениях, поэтому только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады и другие погодные явления.

Тропосфера является нижним слоем атмосферы, верхняя граница которой проходит на высоте $8-10$ км на полюсах и $16-18$ км – на экваторе. Мощность тропосферы может меняться в зависимости от сезона года. В летний период, когда воздух теплый верхний предел тропосферы поднимается выше.

В этом слое содержится до $80\%$ всей массы атмосферы и почти весь водяной пар, что говорит о её плотности и массивности. В тропосфере температура воздуха с высотой понижается через каждые $100$ м на $0,6$ градуса и, естественно, что у верхней границы она будет отрицательной. Принцип этот характерен только для тропосферы, потому что с ростом высоты температура воздуха начнет повышаться. На границе тропосферы и стратосферы выделяется зона, которая получила название тропопауза – в её пределах температура остается без изменений. Нижний слой тропосферы, получивший название приземного пограничного слоя , непосредственно контактирует с литосферой и играет огромную роль в циркуляции атмосферы . Именно здесь осуществляется водообмен – вода, взятая с поверхности суши и из океанов за $8-12$ дней возвращается обратно.

С тропосферой связано атмосферное давление у поверхности Земли, которое в норме соответствует $1000$ миллибар. Давление в $1013$ миллибар является эталоном и составляет одну «атмосферу». С высотой происходит стремительное снижение давления и на $45-ти$ километровой отметке оно падает до $1$ мБара .

Стратосфера

В переводе с греческого языка стратосфера означает «настил, слой» , который находится выше тропосферы и простирается до высоты $50-55$ км.

Для стратосферы характерна незначительная плотность и давление воздуха. Воздух разрежен, но представлен теми же газами, что и тропосфера. В этом слое водяной пар почти отсутствует. С высотой давление в стратосфере понижается – если в нижней части слоя давление в $10$ раз меньше приповерхностного, то в его верхней части меньше уже в $100$ раз. На высоте $15-30$ км появляется газ озон, поглощающий коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего происходит нагревание воздуха и в нижней части тропосферы температура возрастает до $+56$ градусов, а на границе с мезосферой достигает $0$ градусов. Нагрев прекращается в стратопаузе.

Мезосфера

Данный слой располагается над стратосферой и простирается до высоты $80$ км. Плотность воздуха здесь в $200$ раз меньше, чем у поверхности Земли, а температура понижается до – $90$ градусов. Это самое холодное место на планете, здесь в верхнем слое мезосферы воздух охлаждается до – $143$ градусов. Из всех слоев атмосферы мезосфера изучена менее всего. Давление газов экстремально низкое и ниже поверхностного от $1000-10000$ раз. В результате этого движение воздушных шаров ограничено, они просто зависают на месте, потому что их подъемная сила доходит до нуля. Подобная ситуация происходит и с реактивными самолетами, поэтому в мезосфере летать могут только ракеты или самолеты с ракетными двигателями. Например, ракетоплан Х-15. Он считается самым быстрым самолетом в мире, но рекордный его полет длился всего $15$ минут. Аппараты, исследующие мезосферу, находиться на заданной высоте могут ограниченное время – они улетают выше или падают вниз. Проблематичным является исследование мезосферы со спутников и суборбитальных зонтов, т.к. даже низкое давление тормозит и даже сжигает космические аппараты.

Основная часть метеоров сгорает в этом слое атмосферы, метеорит, заходя в атмосферу Земли под острым углом, и, имея скорость $11$ км/ч, загорается от силы трения. Космическая пыль от сгоревших метеоритов ежедневно оседает на поверхность, оставляя от $100-10$ тысяч тонн метеоритного вещества.

Термосфера

Она располагается выше мезосферы и поднимается до высоты $800$ км. Термосфера характеризуется процессами поглощения и преобразования ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

На высоте $100$ км проходит условная граница между Землей и космосом – это так называемая линия Кармана . Нижняя граница термосферы совпадает с этой линией. В термосфере есть небольшое количество газов, которые вращаются вместе с Землей, но выше линии Кармана газов становится очень мало, поэтому любой полет за пределами $100$ километровой отметки, принято считать космическим. Температура здесь снова растет и на высоте $150$ км достигает $ 220$ градусов, а на высоте $ 400$ км – достигает максимума в $ 1800$ градусов. В центральной части термосферы давление в $1$ млн. раз меньше концентрации воздуха у поверхности Земли. Отдельно взятые частицы имеют очень большую энергию, но огромные расстояния между собой. В результате получается, что космические аппараты находятся в вакууме.

В пределах термосферы выделяется ионосфера , где под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов и возникают слои заряженных частиц. В результате небольшой плотности воздуха, солнечные лучи рассеиваются и на черном небе ярко светят звезды. В ионосфере образуются мощные электрические токи, вызывающие нарушения магнитного поля Земли и возникают полярные сияния.

Замечание 2

Фактически термосфера представляет собой открытый космос, в её пределах проходила орбита первого советского спутника. На этой же высоте работают многие искусственные спутники, изучающие поверхность Земли, океаны и атмосферу.

Экзосфера

Этот слой атмосферы означает «сфера рассеивания », потому что граничит с космосом и является воздухом, рассеивающимся в межпланетное пространство. Слой состоит из атомов водорода, который является легчайшим элементом. Могут также попадать атомы кислорода и азота, но они сильно ионизированы солнечным излучением.

Экзосфера находится на высоте от $800-3000$ км и имеет температуру свыше $2000$ градусов. Газы этой сферы представлены водородом и гелием, скорость движения которых близка к критической и составляет $11,2$ км/с.

В результате этого отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в космическое пространство.

Экзосфера по своим размерам слой небольшой и перерастает в корону Земли, растянувшуюся до $100$ тыс. км от планеты.

Замечание 3

В жизни планеты роль атмосферы исключительно велика – Земля была бы без неё просто мертва. С атмосферой связаны все погодные явления, а с ними связана деятельность человека. Являясь посредником между Землей и космосом атмосфера служит мощной броней для железо-каменных метеорных потоков. Благодаря этой воздушной оболочке на Земле дует ветер, выпадают осадки, возникают сумерки и полярные сияния, происходит непрерывный обмен теплом и влагой с живой поверхностью.

Землю окутывает огромная по своей величине магнитосфера, в средине которой находится радиационный пояс и атмосфера. Рассмотрим эти три составляющий внешнего строения Земли.

Землю окутывает газовая оболочка, которая называется атмосферой (от. греч. ατμός - пар и σφαῖρα - шар). Атмосфера определяет погоду и климат на поверхности Земли. Она состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно. Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2 O) и углекислого газа (CO2 ).

Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха, то есть смеси газов, составляющих атмосферу, - (5,1-5,3)×1015 т. Давление при 0°С на уровне моря 1013,25 гПа; критическая температура −140,7°С; критическое давление 3,7 МПа. Растворимость воздуха в воде при 0°С - 0,036%, при 25°С - 0,22%.

С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

Тропосфера

Стратосфера

В стратосфере располагается озоновый слой на высоте от 15-20 до 55-60 км, который определяет верхний предел жизни в биосфере. На высоте около 30 км в результате фотохимических реакций образуется - О3 , который поглощает губительное для жизни ультрафиолетовое излучение (180-200 нм). В результате происходит трансформация энергии коротких волн, изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и др. свечений.

Мезосфера

По мере подъёма на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие явления, как распространение звука, аэродинамическая подъёмная сила и сопротивление, передача тепла конвекцией и др.

Термосфера или ионосфера

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном кислорода О2 и азота N2 ) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц примерно равно числу положительно заряженных). Ионизация становится существенной уже на высоте 60 км и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

На высотах же 180-200 км начинается сфера чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком полёте развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение.

Присутствие в верхних слоях атмосферы свободных электронов влияет на ее электромагнитные свойства. С первого взгляда может показаться, что наличие свободных электронов придаст атмосфере свойства проводника, подобно тому, как свободно передвигающиеся электроны в металле определяют его проводимость. Но это, конечно, не так: в металле электроны движутся в окружении кристаллической решетки, тогда как в ионизованном газе они, совершая хаотическое тепловое движение, подвергаются воздействию внешнего электрического поля волны. При этом каждый электрон можно рассматривать, как находящееся в пространстве свободное тело с соответствующей массой и электрическим зарядом.

Электронный ток, однако, не является током проводимости, как можно было бы подумать. Радиоволны с малыми частотами (менее 0) вообще не могут распространяться в ионизованном газе. Ионосфера для них непроницаема. Достигнув той области ионосферы, где некоторый показатель обращается в нуль, радиоволны отражаются от нее.

В настоящее время обнаружено, что в некоторых районах земного шара существуют достаточно устойчивые области с пониженной электронной концентрацией, присутствуют регулярные «ионосферные ветры», возникают своеобразные волновые процессы, переносящие местные возмущения ионосферы на тысячи километров от места их возбуждения, и многое другое.

Однако чем дальше ученые продвигаются в исследовании ионосферы, тем больше возникает вопросов. Особенно много неизученного в области поведения и свойств полярной ионосферы. Например, не вполне понятны источники ионизации во время полярной ночи, недостаточно изучены механизмы переноса заряженных частиц в эти области, нуждается в исследовании реакции полярной ионосферы на возмущения солнечной активности и в солнечном ветре.

Экзосфера

Полёты в термосфере

Из-за крайней разрежённости воздуха полёты выше линии Кармана возможны только по баллистическим траекториям . Все пилотируемые орбитальные полёты (кроме полётов к Луне) проходят в термосфере, преимущественно на высотах от 200 до 500 км - ниже 200 км сильно сказывается тормозящее действие воздуха, а выше 500 км простираются радиационные пояса , оказывающие на людей вредное действие.

Беспилотные спутники тоже по большей части летают в термосфере - вывод спутника на более высокую орбиту требует бо́льших затрат энергии, кроме того, для многих целей (например, для дистанционного зондирования Земли) малая высота предпочтительнее.

Высокая температура воздуха в термосфере не страшна летательным аппаратам, поскольку из-за сильной разрежённости воздуха он практически не взаимодействует с обшивкой летательного аппарата, то есть плотности воздуха недостаточно для того, чтобы нагреть физическое тело, так как количество молекул очень мало и частота их столкновений с обшивкой судна (соответственно и передачи тепловой энергии) невелика.
Исследования термосферы проводятся также с помощью