Иногда атмосферу, толстым слоем окружающую нашу планету, называют пятым океаном. Недаром второе название самолета - воздушное судно. Атмосфера представляет собой смесь различных газов, среди которых преобладают азот и кислород. Именно благодаря последнему на планете возможна жизнь в той форме, к которой мы все привыкли. Кроме них, есть еще 1% других составляющих. Это инертные (не вступающие в химические взаимодействия) газы, оксид серы, Также в пятом океане содержатся механические примеси: пыль, пепел и пр. Все слои атмосферы в общей сложности простираются почти на 480 км от поверхности (данные различны, подробнее на этом моменте остановимся далее). Такая впечатляющая толщина образует своеобразный непробиваемый щит, защищающий планету от губительного космического излучения и крупных объектов.
Различают следующие слои атмосферы: тропосфера, за ней следует стратосфера, далее мезосфера и, наконец, термосфера. Приведенный порядок начинается у поверхности планеты. Плотные слои атмосферы представлены первыми двумя. Именно они отфильтровывают значительную часть губительного
Самый нижний слой атмосферы - тропосфера, простирается всего на 12 км над уровнем моря (18 км в тропиках). Здесь концентрируется до 90% водяного пара, поэтому облака формируются в нем. Большая часть воздуха также сосредоточена именно здесь. Все последующие слои атмосферы более холодные, так как близость к поверхности позволяет отраженным солнечным лучам нагревать воздух.
Стратосфера простирается почти до 50 км от поверхности. Большинство метеозондов «плавают» в этом слое. Также здесь могут летать некоторые виды самолетов. Одной из удивительных особенностей является температурный режим: в промежутке от 25 до 40 км начинается рост температуры воздуха. От -60 она поднимается почти до 1. Затем наблюдается небольшое снижение до нуля, которое сохраняется до высоты в 55 км. Верхняя граница - это печально известный
Далее почти до 90 км простирается мезосфера. Температура воздуха здесь резко падает. На каждые 100 метров подъема наблюдается снижение на 0,3 градуса. Иногда ее называют наиболее холодным участком атмосферы. Плотность воздуха низкая, однако ее вполне достаточно для создания сопротивления падающим метеорам.
Слои атмосферы в привычном понимании заканчиваются на высоте около 118 км. Здесь формируются знаменитые полярные сияния. Выше начинается область термосферы. Из-за рентгеновских и происходит ионизация тех немногих молекул воздуха, содержащихся в этой области. Данные процессы создают так называемую ионосферу (она часто включается в термосферу, поэтому отдельно не рассматривается).
Все, что находится выше 700 км, называется экзосферой. воздуха крайне незначительна, поэтому они свободно перемещаются, не испытывая сопротивления из-за соударений. Это позволяет отдельным из них накапливать энергию, соответствующую 160 градусам Цельсия, при том, что окружающая температура низка. Молекулы газов распределяются по объему экзосферы в соответствии со своей массой, поэтому наиболее тяжелые из них могут быть обнаружены только в нижней части слоя. Уменьшающееся с высотой притяжение планеты уже не в состоянии удерживать молекулы, поэтому космические высокоэнергетические частицы и излучение сообщают молекулам газов импульс, достаточный для того, чтобы покинуть атмосферу. Эта область является одной из наиболее продолжительных: считается, что атмосфера полностью переходит в космический вакуум на высотах, больших 2000 км (иногда даже фигурирует число 10000). Искусственные вращаются по орбитах еще в термосфере.
Все указанные числа являются ориентировочными, так как границы атмосферных слоев зависят от ряда факторов, например, от активности Солнца.
Атмосфера представляет собой смесь различных газов. Она простирается от поверхности Земли на высоту до 900 км, защищая планету от вредного спектра солнечного излучения, и содержит газы, необходимые для всего живого на планете. Атмосфера задерживает солнечное тепло, нагревая около земной поверхности и создавая благоприятный климат.
Состав атмосферы
Атмосфера Земли состоит в основном из двух газов - азота (78%) и кислорода (21%). Кроме того, она содержит примеси углекислого и других газов. в атмосфере существует в виде пара, капель влаги в облаках и кристалликов льда.
Слои атмосферы
Атмосфера состоит из многих слоев, между которыми нет четких границ. Температуры разных слоев заметно отличаются друг от друга.
- Безвоздушная магнитосфера. Здесь летает большинство спутников Земли за пределами земной атмосферы.
- Экзосфера (450-500 км от поверхности). Почти не содержит газов. Некоторые спутники погоды совершают полеты в экзосфере. Термосфера (80-450 км) характеризуется высокими температурами, достигающими в верхнем слое 1700°С.
- Мезосфера (50-80 км). В этой сфере температура падает по мере увеличения высоты. Именно здесь сгорает большинство метеоритов (осколков космических пород), попадающих в атмосферу.
- Стратосфера (15-50 км). Содержит озоновый спой, т. е. слой озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Это приводит к повышению температуры около поверхности Земли. Здесь обычно летают реактивные самолеты, так как видимость в этом слое очень хорошая и почти нет помех, вызванных погодными условиями.
- Тропосфера. Высота варьируется от 8 до 15 км от земной поверхности. Именно здесь формируется погода планеты, так как в этом слое содержится больше всего водяных паров, пыли и возникают ветры. Температура понижается по мере удаления от земной поверхности.
Атмосферное давление
Хотя мы и не ощущаем этого, слои атмосферы оказывают давление на поверхность Земли. Наиболее высокое около поверхности, а при удалении от неё оно постепенно снижается. Оно зависит от перепада температур суши и океана, и поэтому в районах, находящихся на одинаковой высоте над уровнем моря нередко бывает разное давление. Низкое давление приносит сырую погоду, а при высоком обычно устанавливаете ясная погода.
Движение воздушных масс в атмосфере
И давления заставляют в нижних слоях атмосферы перемешаться. Так возникают ветры, дующие из областей высокого давления в области низкого. Во многих регионах возникают и местные ветры, вызванные перепадами температур суши и моря. Горы также оказывают существенное влияние на направление ветров.
Парниковый эффект
Углекислый газ и другие газы, входящие в состав земной атмосферы, задерживают солнечное тепло. Этот процесс принято называть парниковым эффектом, так как он во многом напоминает циркуляцию тепла в парниках. Парниковый эффект влечет за собой глобальное потепление на планете. В областях высокого давления - антициклонах - устанавливается ясная солнечная . В областях низкого давления - циклонах - обычно стоит неустойчивая погода. Тепло и световая , поступающие в атмосферу. Газы задерживают тепло, отражающееся от земной поверхности, вызывая тем самым повышение температуры на Земле.
В стратосфере существует особый озоновый слой. Озон задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, защищая от него Землю и все живое на ней. Ученые установили, что причиной разрушения озонового слоя являются особые хлорофторуглекислые газы, содержащиеся в некоторых аэрозолях и холодильном оборудовании. Над Арктикой и Антарктидой в озоновом слое были обнаружены огромные дыры, способствующие увеличению количества ультрафиолетового излучения, воздействующего на поверхность Земли.
Озон образуется в нижних слоях атмосферы в результате между солнечным излучением и различными выхлопными дымами и газами. Обычно он рассеивается по атмосфере, но, если под слоем теплого воздуха образуется замкнутый слой холодного, озон концентрируется и возникает смог. К сожалению, это не может восполнять потери озона в озоновых дырах.
На фотоснимке со спутника хорошо видна дыра в озоновом слое над Антарктикой. Размеры дыры меняются, но ученые считают, что она постоянно увеличивается. Предпринимаются попытки снизить уровень выхлопных газов в атмосфере. Следует уменьшать загрязнение воздуха и применять в городах бездымные виды топлива. Смог вызывает раздражение глаз и удушье у многих людей.
Возникновение и эволюция атмосферы Земли
Современная атмосфера Земли представляет собой результат длительного эволюционного развития. Она возникла в результате совместных действий геологических факторов и жизнедеятельности организмов. В течение всей геологической истории земная атмосфера пережила несколько глубоких перестроек. На основе геологических данных и теоретических (предпосылок первозданная атмосфера молодой Земли, существовавшая около 4 млрд. лет тому назад, могла состоять из смеси инертных и благородных газов с небольшим добавлением пассивного азота (Н. А. Ясаманов, 1985; А. С. Монин, 1987; О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991, 1993). В настоящее время взгляд на состав и строение ранней атмосферы несколько видоизменился. Первичная атмосфера (протоатмосфера) на самой ранней протопланетной стадии., т.е. старше чем 4,2 млрд. лет, могла состоять из смеси метана, аммиака и углекислого газа. В результате дегазации мантии и протекающих на земной поверхности активных процессов выветривания в атмосферу стали поступать пары воды, соединения углерода в виде СO 2 и СО, серы и ее соединений, а также сильных галогенных кислот - НСI, НF, НI и борной кислоты, которые дополнялись находившимися в атмосфере метаном, аммиаком, водородом, аргоном и некоторыми другими благородными газами. Эта первичная атмосфера была чрезвычайно тонкой. Поэтому температура у земной поверхности была близкой к температуре лучистого равновесия (А. С. Монин, 1977).
С течением времени газовый состав первичной атмосферы под влиянием процессов выветривания горных пород, выступавших на земной поверхности, жизнедеятельности цианобактерий и сине-зеленых водорослей, вулканических процессов и действия солнечных лучей стал трансформироваться. Привело это к разложению метана на и углекислоту, аммиака - на азот и водород; во вторичной атмосфере стали накапливаться углекислый газ, который медленно опускался к земной поверхности, и азот. Благодаря жизнедеятельности сине-зеленых водорослей в процессе фотосинтеза стал вырабатываться кислород, который, однако, в начале в основном расходовался на «окисление атмосферных газов, а затем и горных пород. При этом аммиак, окислившийся до молекулярного азота, стал интенсивно накапливаться в атмосфере. Как предполагается, значительная чаешь азота современной атмосферы является реликтовой. Метан и оксид углерода окислялись до углекислоты. Сера и сероводород окислялись до SO 2 и SO 3 , которые вследствие своей высокой подвижности и легкости быстро удалились из атмосферы. Таким образом, атмосфера из восстановительной, какой она была в архее и раннем протерозое, постепенно превращалась в окислительную.
Углекислый газ поступал в атмосферу как вследствие окисления метана, так и в результате дегазации мантии и выветривания горных пород. В том случае, если бы весь углекислый газ, выделившийся за всю историю Земли, сохранился в атмосфере, его парциальное давление в настоящее время могло стать таким же, как на Венере (О. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1991). Но на Земле действовал обратный процесс. Значительная часть углекислого газа из атмосферы растворялась в гидросфере, в которой он использовался гидробионтами для построения своей раковины и биогенным путем превращался в карбонаты. В дальнейшем из них были сформированы мощнейшие толщи хемогенных и органогенных карбонатов.
Кислород в атмосферу поступал из трех источников. В течение длительного времени, начиная с момента возникновения Земли, он выделялся в процессе дегазации мантии и в основном расходовался на окислительные процессы, Другим источником кислорода была фотодиссоциация паров воды жестким ультрафиолетовым солнечным излучением. Появлений; свободного кислорода в атмосфере привело к гибели большинства прокариот, которые обитали в восстановительных условиях. Прокариотные организмы сменили места своего обитания. Они ушли с поверхности Земли в ее глубины и области, где еще сохранялись восстановительные условия. Им на смену пришли эукариоты, которые стали энергично перерабатывать углекислоту в кислород.
В течение архея и значительной части протерозоя практически весь кислород, возникающий как: абиогенным, так и биогенным путем, в основном расходовался на окисление железа и серы. Уже к концу протерозоя все металлическое двухвалентное железо, находившееся на земной поверхностей или окислилось, или переместилось в земное ядро. Это привело к тому, что парциальное давление кислорода в раннепротерозойской атмосфере изменилось.
В середине протерозоя концентрация кислорода в атмосфере достигала точки Юри и составляла 0,01% современного уровня. Начиная с этого времени кислород стал накапливаться в атмосфере и, вероятно, уже в конце рифея его содержание достигло точки Пастера (0,1% современного уровня). Возможно, в вендском периоде возник озоновый слой и Ь этого времени уже никогда не исчезал.
Появление свободного кислорода в земной атмосфере стимулировало эволюцию жизни и привело к возникновению новых форм с более совершенным метаболизмом. Если ранее эукариотные одноклеточные водоросли и цианеи, появившиеся в начале протерозоя, требовали содержания кислорода в воде всего 10 -3 его современной концентрации, то с возникновением бесскелетных Metazoa в конце раннего венда, т. е. около 650 млн. лет тому назад, концентрация кислорода в атмосфере должна была бы быть значительно выше. Ведь Metazoa использовали кислородное дыхание и для этого требовалось, чтобы парциальное давление кислорода достигло критического уровня - точки Пастера. В этом случае анаэробный процесс брожения сменился энергетически более перспективным и прогрессивным кислородным метаболизмом.
После этого дальнейшее накопление кислорода в земной атмосфере происходило довольно быстро. Прогрессивное увеличение объема сине-зеленых водорослей способствовало достижению в атмосфере необходимого для жизнеобеспечения животного мира уровня кислорода. Определенная стабилизация содержания кислорода в атмосфере произошла с того момента, когда растения вышли на сушу, - примерно 450 млн. лет назад. Выход растений на сушу, происшедший в силурийском периоде, привел к окончательной стабилизации уровня кислорода в атмосфере. Начиная с этого времени его концентрация стала колебаться в довольно узких пределах, никогда не всходивших за рамки существования жизни. Полностью концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась со времени появления цветковых растений. Это событие произошло в середине мелового периода, т.е. около 100 млн. лет тому назад.
Основная масса азота сформировалась на ранних стадиях развития Земли, главным образом за счет разложения аммиака. С появлением организмов начался процесс связывания атмосферного азота в органическое вещество и захоронения его в морских осадках. После выхода организмов на сушу азот стал захоронятся и в континентальных осадках. Особенно усилились процессы переработки свободного азота с появлением наземных растений.
На рубеже криптозоя и фанерозоя, т. е. около 650 млн. лет тому назад, содержание углекислого газа в атмосфере снизилось до десятых долей процентов, а содержания, близкого к современному уровню, он достиг лишь совсем недавно, примерно 10-20 млн. лет тому назад.
Таким образом, газовый состав атмосферы не только предоставлял организмам жизненное пространство, но и определял особенности их жизнедеятельности, способствовал расселению и эволюции. Возникающие сбои в распределении благоприятного для организмов газового состава атмосферы как из-за космических, так и планетарных причин приводили к массовым вымираниям органического мира, которые неоднократно происходили в течение криптозоя и на определенных рубежах фанерозойской истории.
Этносферные функции атмосферы
Атмосфера Земли обеспечивает необходимым веществом, энергией и определяет направленность и скорость метаболических процессов. Газовый состав современной атмосферы является оптимальным для существования и развития жизни. Будучи областью формирования погоды и климата, атмосфера должна создавать комфортные условия для жизнедеятельности людей, животных и растительности. Отклонения в ту или другую сторону в качестве атмосферного воздуха и погодных условиях создают экстремальные условия для жизнедеятельности животного и растительного мира, в том числе и для человека.
Атмосфера Земли не только обеспечивает условия существования человечества, являясь основным фактором эволюции этносферы. Она в то же время оказывается энергетическим и сырьевым ресурсом производства. В целом атмосфера - это фактор, сохраняющий здоровье человека, а некоторые области в силу физико-географических условий и качества атмосферного воздуха служат рекреационными территориями и являются областями, предназначенными для санаторно-курортного лечения и отдыха людей. Таким образом, атмосфера является фактором эстетического и эмоционального воздействия.
Этносферные и техносферные функции атмосферы, определенные совсем недавно (Е. Д. Никитин, Н. А. Ясаманов, 2001), нуждаются в самостоятельном и углубленном исследовании. Так, весьма актуальным является изучение энергетических атмосферных функций как с точки зрения возникновения и действия процессов, наносящих ущерб окружающей среде, так и с точки зрения воздействия на здоровье и благосостояние людей. В данном случае речь идет об энергии циклонов и антициклонов, атмосферных вихрей, атмосферном давлении и других экстремальных атмосферных явлениях, эффективное использование которых будет способствовать успешному решению проблемы получения не загрязняющих окружающую среду альтернативных источников энергии. Ведь воздушная среда, особенно та ее часть, которая располагается над Мировым океаном, является областью выделения колоссального объема свободной энергии.
Например, установлено, что тропические циклоны средней силы только за сутки выделяют энергию, эквивалентную энергии 500 тыс. атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. За 10 дней существования такого циклона высвобождается энергия, достаточная для удовлетворения всех энергетических потребностей такой страны, как США, в течение 600 лет.
В последние годы было опубликовано большое количество работ ученых естественнонаучного профиля, в той или иной мере касающихся разных сторон деятельности и влияния атмосферы на земные процессы, что свидетельствует об активизации междисциплинарных взаимодействий в современном естествознании. При этом проявляется интегрирующая роль определенных его направлений, среди которых надо отметить функционально-экологическое направление в геоэкологии.
Данное направление стимулирует анализ и теоретическое обобщение по экологическим функциям и планетарной роли различных геосфер, а это, в свою очередь, является важной предпосылкой для разработки методологии и научных основ целостного изучения нашей планеты, рационального использования и охраны ее природных ресурсов.
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, ионосферы и экзосферы. В верхней части тропосферы и нижней части стратосферы располагается слой, обогащенный озоном, именуемый озоновым экраном. Установлены определенные (суточные, сезонные, годовые и т. д.) закономерности в распределении озона. Со времени своего возникновения атмосфера влияет на течение планетарных процессов. Первичный состав атмосферы был совершенно иным, чем в настоящее время, но с течением времени неуклонно росли доля и роль молекулярного азота, около 650 млн. лет назад появился свободный кислород, количество которого непрерывно повышалось, но соответственно снижалась концентрация углекислого газа. Высокая подвижность атмосферы, ее газовый состав и наличие аэрозолей обусловливают ее выдающуюся роль и активное участие в разнообразных геологических и биосферных процессах. Велика роль атмосферы в перераспределении солнечной энергии и развитии катастрофических стихийных явлений и бедствий. Негативное воздействие на органический мир и природные системы оказывают атмосферные вихри - смерчи (торнадо), ураганы, тайфуны, циклоны и другие явления. Основными источниками загрязнений наряду с природными факторами выступают различные формы хозяйственной деятельности человека. Антропогенные воздействия на атмосферу выражаются не только в появлении различных аэрозолей и парниковых газов, но ив увеличении количества водяных паров, и проявляются в виде смогов и кислотных дождей. Парниковые газы меняют температурный режим земной поверхности, выбросы некоторых газов уменьшают объем озонового экрана и способствуют возникновению озоновых дыр. Велика этносферная роль атмосферы Земли.
Роль атмосферы в природных процессах
Приземная атмосфера в своего промежуточного состояния между литосферой и космическим пространством и своего газового состава создает условия для жизнедеятельности организмов. Вместе с тем от количества, характера и периодичности атмосферных осадков, от частот и силы ветров и особенно от температуры воздуха зависят выветривание и интенсивность разрушения горных пород, перенос и аккумуляция обломочного материала. Атмосфера выступает центральным компонентом климатической системы. Температура и влажность воздуха, облачность и осадки, ветер - все это характеризует погоду, т. е. непрерывно меняющееся состояние атмосферы. Одновременно эти же компоненты характеризуют и климат, т. е. усредненный многолетний режим погоды.
Состав газов, наличие облачности и различных примесей, которые называются аэрозольными частицами (пепел, пыль, частички водяного пара), определяют особенности прохождения солнечной радиации сквозь атмосферу и препятствуют уходу теплового излучения Земли в космическое пространство.
Атмосфера Земли очень подвижна. Возникающие в ней процессы и изменения ее газового состава, толщины, облачности, прозрачности и наличие в ней тех или иных аэрозольных частиц воздействуют как на погоду, так и на климат.
Действие и направленность природных, процессов, а также жизнь и деятельность на Земле определяются солнечной радиацией. Она дает 99,98% теплоты, поступающей на земную поверхность. Ежегодно это составляет 134*10 19 ккал. Такое количество теплоты можно получить при сжигании 200 млрд. т. каменного угля. Запасов водорода, создающего этот поток термоядерной энергии в массе Солнца, хватит, по крайней мере, еще на 10 млрд. лет, т. е. на период в два раза больший, чем существуют само и наша планета.
Около 1/3 общего количества солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, отражается обратно в мировое пространство, 13% поглощается озоновым слоем (в том числе почти вся ультрафиолетовая радиация),. 7% - остальной атмосферой и лишь 44% достигает земной поверхности. Суммарная солнечная радиация, достигающая Земли за сутки, равна энергии, которую человечество получило в результате сжигания всех видов топлива за последнее тысячелетие.
Количество и характер распределения солнечной радиации на земной поверхности находятся в тесной зависимости от облачности и прозрачности атмосферы. На величину рассеянной радиации влияют высота Солнца над горизонтом, прозрачность атмосферы, содержание в ней водяных паров, пыли, общее количество углекислоты и т. д.
Максимальное количество рассеянной радиации попадает в полярные районы. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше теплоты поступает на данный участок местности.
Большое значение имеют прозрачность атмосферы и облачность. В пасмурный летний день обычно холоднее, чем в ясный, так как дневная облачность препятствует нагреванию земной поверхности.
Большую роль в распределении теплоты играет запыленность атмосферы. Находящиеся в ней тонкодисперсные твердые частицы пыли и пепла, влияющие на ее прозрачность, отрицательно сказываются на распределении солнечной радиации, большая часть которой отражается. Тонкодисперсные частицы попадают в атмосферу двумя путями: это или пепел, выбрасываемый во время вулканических извержений, или пыль пустынь, переносимая ветрами из аридных тропических и субтропических областей. Особенно много такой пыли образуется в период засух, когда потоками теплого воздуха она выносится в верхние слои атмосферы и способна находиться там продолжительное время. После извержения вулкана Кракатау в 1883 г. пыль, выброшенная на десятки километров в атмосферу, находилась в стратосфере около 3 лет. В результате извержения в 1985 г. вулкана Эль-Чичон (Мексика) пыль достигла Европы, и поэтому произошло некоторое понижение приземных температур.
Атмосфера Земли содержит переменное количество водяного пара. В абсолютном исчислении по массе или объему его количество составляет от 2 до 5%.
Водяной пар, как и углекислота, усиливает парниковый эффект. В возникающих в атмосфере облаках и туманах протекают своеобразные физико-химические процессы.
Первоисточником водяного пара в атмосферу является поверхность Мирового океана. С него ежегодно испаряется слой воды толщиной от 95 до 110 см. Часть влаги возвращается в океан после конденсации, а другая воздушными потоками направляется в сторону материков. В областях переменно-влажного климата осадки увлажняют почву, а во влажных создают запасы грунтовых вод. Таким образом, атмосфера является аккумулятором влажности и резервуаром осадков. и туманы, формирующиеся в атмосфере, обеспечивают влагой почвенный покров и тем самым играют определяющую роль в развитии животного и растительного мира.
Атмосферная влага распределяется по земной поверхности благодаря подвижности атмосферы. Ей присуща весьма сложная система ветров и распределения давления. В связи с тем что атмосфера находится в непрерывном движении, характер и масштабы распределения ветровых потоков и давления все время меняются. Масштабы циркуляции изменяются от микрометеорологических, размером всего в несколько сотен метров, до глобального - в несколько десятков тысяч километров. Огромные атмосферные вихри участвуют в создании систем крупномасштабных воздушных течений и определяют общую циркуляцию атмосферы. Кроме того, они являются источниками катастрофических атмосферных явлений.
От атмосферного давления зависит распределение погодных и климатических условий и функционирование живого вещества. В том случае, если атмосферное давление колеблется в небольших пределах, оно не играет решающей роли в самочувствии людей и поведении животных и не отражается на физиологических функциях растений. С изменением давления, как правило, связаны фронтальные явления и изменения погоды.
Фундаментальное значение имеет атмосферное давление для формирования ветра, который, являясь рельефообразующим фактором, сильнейшим образом воздействует на животный и растительный мир.
Ветер способен подавить рост растений и в то же время способствует переносу семян. Велика роль ветра в формировании погодных и климатических условий. Выступает он и в качестве регулятора морских течений. Ветер как один из экзогенных факторов способствует эрозии и дефляции выветрелого материала на большие расстояния.
Эколого-геологическая роль атмосферных процессов
Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию «перламутровых» облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, являются причиной климатических изменений.
Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов.
В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с (буря) срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья.
Большое негативное экологическое воздействие с катастрофическими последствиями оказывают шквальные бури и смерчи (торнадо) - атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, имеющие скорость до 100 м/с. Шквалы - это горизонтальные вихри с ураганной скоростью ветра (до 60-80 м/с). Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200-250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья.
Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой.
Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях.
Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам. Они формируются всего за 20-30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно.
Другими разрушительными, но действующими продолжительное время атмосферными вихрями являются циклоны. Они образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны в отличие от смерчей зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Ветры со скоростями 19 - 30 м/с образуют бурю, 30 - 35 м/с - шторм, а более 35 м/с - ураган.
Тропические циклоны - ураганы и тайфуны - имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы. Длятся тропические циклоны от нескольких дней до нескольких недель, перемещаясь со скоростью от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют больший диаметр. Поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров, скорость ветра штормовая. Движутся в северном полушарии с запада и сопровождаются градом и снегопадом, имеющими катастрофический характер. По числу жертв и наносимому ущербу циклоны и связанные с ними ураганы и тайфуны являются самыми крупными после наводнений атмосферными стихийными явлениями. В густонаселенных районах Азии число жертв во время ураганов измеряется тысячами. В 1991 г. в Бангладеш во время урагана, который вызвал образование морских волн высотой 6 м, погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. В Западной Европе ураганы приносят меньший ущерб.
Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90-100 дней в году, в умеренном поясе по 10-30 дней. В нашей стране наибольшее количество гроз случается на Северном Кавказе.
Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы у нас в стране находятся на Северном Кавказе. В июле 1992 г. град повредил в аэропорту «Минеральные Воды» 18 самолетов.
К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн. долларов.
Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки.
Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах.
Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки.
Большой ущерб приносят такие атмосферные явления, как снегопады, кратковременные ливневые дожди и продолжительные затяжные дожди. Снегопады вызывают массовые сходы лавин в горах, а быстрое таяние выпавшего снега и ливневые продолжительные дожди приводят к наводнениям. Огромная масса воды, падающая на земную поверхность, особенно в безлесных районах, вызывает сильную эрозию почвенного покрова. Происходит интенсивный рост овражно-балочных систем. Наводнения возникают в результате крупных паводков в период обильного выпадения атмосферных осадков или половодья после внезапно наступившего потепления или весеннего таяния снега и, следовательно, по происхождению относятся к атмосферным явлениям (они рассматриваются в главе, посвященной экологической роли гидросферы).
Антропогенные изменения атмосферы
В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60% общего количества атмосферных загрязнений, промышленности - 15, тепловой энергетики - 15, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов - 10%.
Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).
Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические . Но главенствующее положение среди выбросов (до 85%) занимает пыль.
В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10 -3 -10 -7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй - аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые - туманами. В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет. Так, например, при уничтожении огнем сухой травы на площади 4000 м 2 образуется в среднем 11*10 22 ядер аэрозолей.
Аэрозоли начали образовываться с момента возникновения нашей планеты и влияли на природные условия. Однако их количество и действия, уравновешиваясь с общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.
Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые . Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Одни из них разлагают живую ткань, а радиоактивные аэрозоли вызывают онкологические заболевания. Среди радиоактивных изотопов особую опасность представляет Sг 90 не только своей канцерогенностью, но и как аналог кальция, замещающий его в костях организмов, вызывая их разложение.
Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 - 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.
Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.
Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог назван аляскинским. Это сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.
Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.
Сухой смог возникает в летнее время, и его нередко называют смогом лос-анджелесского типа. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым. Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы затем рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются:
NO 2 → NO + О
Затем происходит синтез озона:
O + O 2 + M → O 3 + M
NO + О → NO 2
Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением.
Кроме того, происходят реакции по типу: SO 3 + Н 2 0 -> Н 2 SO 4 , т. е. образуется сильная серная кислота.
С изменением метеорологических условий (появление ветра или изменение влажности) холодный воздух рассеивается и смог исчезает.
Наличие канцерогенных веществ в смоге приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, возникновению астматических удуший и нередко к смерти. Особенно опасен смог для малолетних детей.
Кислотные дожди представляют собой атмосферные осадки, подкисленные растворенными в них промышленными выбросами оксидов серы, азота и паров хлорной кислоты и хлора. В процессе сжигания угля, и газа большая часть находящейся в ней серы как в виде оксида, так в соединениях с железом, в частности в пирите, пирротине, халькопирите и т. д., превращается в оксид серы, который вместе с диоксидом углерода выбрасывается в атмосферу. При соединении атмосферного азота и технических выбросов с кислородом образуются различные оксиды азота, причем объем образовавшихся оксидов азота зависит от температуры горения. Основная масса оксидов азота возникает во время эксплуатации автотранспорта и тепловозов, а меньшая часть приходится на энергетику и промышленные предприятия. Оксиды серы и азота - главные кислотообразователи. При реакции с атмосферным кислородом и находящимися в нем парами воды образуются серная и азотная кислоты.
Известно, что щелочно-кислотный баланс среды определяется величиной рН. Нейтральная среда имеет величину рН, равную 7, кислая - 0, а щелочная - 14. В современную эпоху величина рН дождевой воды составляет 5,6, хотя в недавнем прошлом она была нейтральной. Уменьшение значения рН на единицу соответствует десятикратному повышению кислотности и, следовательно, в настоящее время практически повсеместно выпадают дожди с повышенной кислотностью. Максимальная кислотность дождей, зарегистрированная в Западной Европе, составляла 4-3,5 рН. При этом надо учесть, что величина рН, равная 4-4,5, смертельна для большинства рыб.
Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на растительный покров Земли, на промышленные и жилые здания и способствуют существенному ускорению выветривания обнаженных горных пород. Повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, в которых растворяются питательные вещества. В свою очередь, это приводит к резкому снижению урожайности и вызывает деградацию растительного покрова. Кислотность почв способствует освобождению находящихся в связанном состоянии тяжелых , которые постепенно усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения тканей и проникая в пищевые цепочки человека.
Изменение щелочно-кислотного потенциала морских вод, особенно в мелководьях, ведет к прекращению размножения многих беспозвоночных, вызывает гибель рыб и нарушает экологическое равновесие в океанах.
В результате кислотных дождей под угрозой гибели находятся лесные массивы Западной Европы, Прибалтики, Карелии, Урала, Сибири и Канады.
Атмосфера Земли неоднородна: на разных высотах наблюдаются различная плотность воздуха и давление, меняется температура и газовый состав. На основании поведения температуры окружающего воздуха (т.е. растет температура с высотой или понижается) в ней выделяются следующие слои: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Границы между слоями называются паузами: их насчитывается 4, т.к. верхняя граница экзосферы очень размыта и часто относится к ближнему космосу. С общим строением атмосферы можно ознакомиться на прилагающейся схеме.
Рис.1 Строение атмосферы Земли. Credit: сайт
Самый нижний атмосферный слой - тропосфера, верхняя граница которой, называемая тропопаузой, в зависимости от географической широты различается и составляет от 8 км. в полярных до 20 км. в тропических широтах. В средних или умеренных широтах её верхняя граница лежит на высотах 10-12 км.. В течении года верхняя граница тропосферы испытывает колебания, зависящие от поступления солнечной радиации. Так в результате зондирования у Южного полюса Земли метеорологической службой США было выявлено, что, с марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, в результате которого на короткий период в августе или сентябре её граница поднимается до 11,5 км. Затем, в период с с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, после которого её высота практически не изменяется до марта. Т.е. наибольшей своей толщины тропосфера достигает летом, а наименьшей зимой.
Стоит отметить, что кроме сезонных существуют и суточные колебания высоты тропопаузы. Также на её положение оказывают влияние циклоны и антициклоны: в первых она опускается, т.к. давление в них ниже чем в окружающем воздухе, во вторых соответственно поднимается.
Тропосфера содержит до 90% всей массы земного воздуха и 9/10 всего водяного пара. Здесь сильно развита турбулентность, особенно в приповерхностных и наиболее высоких слоях, развиваются облака всех ярусов, формируются циклоны и антициклоны. А благодаря накоплению парниковыми газами (углекислый газ, метан, водяной пар) отражённых от поверхности Земли солнечных лучей развивается парниковый эффект.
С парниковым эффектом связано понижение температуры воздуха в тропосфере с высотой (т.к. нагретая Земля больше тепла отдаёт приземным слоям). Средний вертикальный градиент составляет 0,65°/100 м (т.е. температура воздуха понижается на 0,65° C при подъёме на каждые 100 метров). Так если у поверхности Земли в районе экватора среднегодовая температура воздуха составляет +26° то на верхней границе -70°. Температура в районе тропопаузы над северным полюсом в течении года изменяется от -45° летом до -65° зимой.
С ростом высоты падает и давление воздуха, составляя у верхней границы тропосферы лишь 12-20% от приповерхностного.
На границе тропосферы и вышележащего слоя стратосферы лежит слой тропопаузы, толщиной 1-2 км. В качестве нижних границ тропопаузы обычно принимается слой воздуха в котором вертикальный градиент снижается до 0,2°/100 м против 0,65°/100 м в нижележащих районах тропосферы.
В пределах тропопаузы наблюдаются воздушные потоки строго определённого направления, называемые высотные струйные течения либо "реактивные потоки" (jet streams), образующиеся под влиянием вращения Земли вокруг своей оси и нагрева атмосферы при участии солнечной радиации. Наблюдаются течения на границах зон со значительными перепадами температур. Выделяют несколько очагов локализации этих течений, например, арктический, субтропический, субполярный и прочие. Знание локализации jet streams очень важно для метеорологии и авиации: первая использует потоки для более точного прогнозирования погоды, вторая для построения маршрутов полетов самолетов, т.к. на границах потоков существуют сильные турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, называемые из-за отсутствия на этих высотах облачности "турбулентностью ясного неба".
Под влиянием высотных струйных течений в тропопаузе часто образуются разрывы, а временами она вообще исчезает, правда затем образуется заново. Особенно часто это наблюдается в субтропических широтах над которыми господствует мощное субтропическое высотное течение. Кроме того к формированию разрывов приводит различие слоёв тропопаузы по температуре окружающего воздуха. Например, обширный разрыв существует между тёплой и низкой полярной тропопаузой и высокой и холодной тропопаузой тропических широт. В последнее время выделяется и слой тропопаузы умеренных широт, который имеет разрывы с предыдущими двумя слоями: полярным и тропическим.
Вторым слоем земной атмосферы является стратосфера. Стратосферу условно можно разделить на 2 области. Первая из них, лежащая до высот 25 км характеризуется почти постоянными температурами, которые равны температурам верхних слоев тропосферы над конкретной местностью. Вторая область или область инверсии, характеризуется повышением температуры воздуха до высот примерно 40 км. Это происходит за счёт поглощения кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. В верхней части стратосферы благодаря этому прогреву температура часто является положительной или даже сопоставима с температурой приземного воздуха.
Выше области инверсии находится слой постоянных температур, который носит название стратопаузы и является границей между стратосферой и мезосферой. Её толщина достигает 15 км.
В отличии от тропосферы в стратосфере редки турбулентные возмущения, но зато отмечены сильные горизонтальные ветры или струйные течения, дующие в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращённых к полюсам. Положение этих зон непостоянно: они могут смещаться, расширяться или даже вовсе исчезать. Часто струйные течения проникают в верхние слои тропосферы, или же наоборот массы воздуха из тропосферы проникают в нижние слои стратосферы. Особенно характерно подобное перемешивание масс воздуха в районах атмосферных фронтов.
Мало в стратосфере и водяного пара. Воздух здесь очень сух, а потому и облаков образуется мало. Лишь на высотах 20-25 км находясь в высоких широтах можно заметить очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных водяных капелек. Днём эти облака не видны, зато с наступлением темноты они кажутся светящимися из-за освещения их уже севшим за горизонт Солнцем.
На этих же высотах (20-25 км.) в нижней стратосфере существует так называемый озоновый слой - область с наибольшим содержанием озона, который образуется под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения (более подробно об этом процессе вы можете узнать на странице ). Озоновый слой или озоносфера имеет чрезвычайную важность для поддержания жизни всех организмов живущих на суше, поглощая смертельно опасные ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 290 нм. Именно по этой причине выше озонового слоя живые организмы не живут, он является верхней границей распространения жизни на Земле.
Под воздействием озона также изменяются магнитные поля, атомы распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений.
Слой атмосферы лежащий выше стратосферы называется мезосферой. Для него характерно понижение температуры воздуха с высотой со средним вертикальным градиентом 0,25-0,3°/100 м, что приводит к сильной турбулентности. У верхних границ мезосферы в области называемой мезопаузой были отмечены температуры до -138°С, что является абсолютным минимумом для всей атмосферы Земли в целом.
Здесь же в пределах мезопаузы проходит нижняя граница области активного поглощения рентгеновского и коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Подобный энергетический процесс получил название лучистый теплообмен. В результате происходит нагревание и ионизация газа, что обусловливает свечение атмосферы.
На высотах 75-90 км у верхних границ мезосферы были отмечены особые облака, занимающие в полярных регионах планеты обширные площади. Называют эти облака серебристыми из-за их свечения в сумерках, которое обусловлено отражением солнечных лучей от ледяных кристаллов, из которых эти облака состоят.
Давление воздуха в пределах мезопаузы в 200 раз меньше чем у земной поверхности. Это говорит о том, что практически весь воздух атмосферы сосредоточен в её 3 нижних слоях: тропосфере, стратосфере и мезосфере. На вышележащие слои термосферу и экзосферу приходится лишь 0,05% массы всей атмосферы.
Термосфера лежит на высотах от 90 до 800 км над поверхностью Земли.
Для термосферы характерен непрерывный рост температуры воздуха до высот 200-300 км, где она может достигать 2500°C. Рост температуры происходит за счёт поглощения молекулами газа рентгеновского и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца. Выше 300 км над уровнем моря рост температуры прекращается.
Одновременно с ростом температуры снижается давление, и, следовательно, плотность окружающего воздуха. Так если у нижних границ термосферы плотность составляет 1,8×10 -8 г/см 3 , то у верхних уже 1,8×10 -15 г/см 3 , что примерно соответствует 10 млн. - 1 млрд. частиц в 1 см 3 .
Все характеристики термосферы, такие как состав воздуха, его температура, плотность, подвержены сильным колебаниям: в зависимости от географического положения, сезона года и времени суток. Меняется даже расположение верхней границы термосферы.
Самый верхний слой атмосферы называется экзосферой или слоем рассеяния. Его нижняя граница постоянно меняется в очень широких пределах; за среднюю же величину принята высота 690-800 км. Устанавливается она там, где вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, т.е. среднее расстояние, которое преодолеет хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой (т.н. свободный пробег) будет настолько велико, что фактически молекулы с вероятностью близкой к нулю не столкнуться. Слой где имеет место сказываться описанное явление называется термопаузой.
Верхняя граница экзосферы лежит на высотах 2-3 тыс.км. Она сильно размыта и постепенно переходит в ближнекосмический вакуум. Иногда, по этой причине, экзосферу считают частью космического пространства, а за её верхнюю границу принимают высоту 190 тыс.км, на которой влияние давления солнечного излучения на скорости атомов водорода превышает гравитационное притяжение Земли. Это т.н. земная корона, состоящая из атомов водорода. Плотность земной короны очень мала: всего 1000 частиц в кубическом сантиметре, но и это число более чем в 10 раз превышает концентрацию частиц в межпланетном пространстве.
В связи в чрезвычайной разреженностью воздуха экзосферы частицы движутся вокруг Земли по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Некоторые же из них, двигаясь по разомкнутым или гиперболическим траекториям с космическими скоростями (атомы водорода и гелия) покидают пределы атмосферы и уходят в космическое пространство, по причине чего экзосферу называют сферой рассеяния.
Атмосфера – газовая оболочка Земли, именно благодаря атмосфере стало возможным зарождение и дальнейшее развитие жизни на нашей планете. Значение атмосферы для Земли колоссально – исчезнет атмосфера, исчезнет планета. Но последнее время с экранов телевизоров и динамиков радиоприемников мы все чаще и чаще слышим о проблеме загрязнения атмосферы, о проблеме разрушения озонового экрана, о губительном воздействии солнечной радиации на живые организма и человека в том числе. То тут то там происходят экологические катастрофа оказывающие в различной степени негативное воздействие на земную атмосферу непосредственно влияя на её газовый состав. К сожалению, приходиться констатировать, что атмосфера с каждым годом промышленной деятельности человека становиться всё меньше и меньше пригодной для нормальной жизнедеятельности живых организмов.
Появление атмосферы
Возраст атмосферы принято приравнивать к возрасту самой планеты Земля – примерно 5000 миллионов лет. На первоначальном этапе своего формирования Земля разогрелась до внушительных температур. «Если, как считает большинство ученых, только что образовавшаяся Земля была чрезвычайно горячей (имела температуру около 9000° C), то большинство газов, составляющих атмосферу, должны были бы покинуть её. По мере постепенного охлаждения и затвердевания Земли газы, растворенные в жидкой земной коре, выходили бы из неё». Из этих газов и сложилась первичная земная атмосфера, благодаря которой стало возможным зарождение жизни.
Как только Земля остыла, вокруг неё, из выделенных газов, сформировалась атмосфера. Точное процентное соотношение элементов химического состава первичной атмосферы, к сожалению, определить не представляется возможным, но можно с точностью предположить, что газы, входящие в её состав, были подобны тем, которые теперь выбрасываются вулканами – углекислый газ, водяной пар и азот. «Вулканические газы в виде перегретых паров воды, углекислого газа, азота, водорода, аммиака, кислых дымов, благородных газов и кислорода формировали праатмосферу. В это время накопление кислорода в атмосфере не происходило, поскольку он расходовался на окисление кислых дымов (HCl, SiO 2 , H 2 S)»(1).
Существуют две теории происхождения самого важного для жизни химического элемента – кислорода. По мере охлаждения Земли температура упала примерно до 100° C, большая часть водяного пара сконденсировалась и выпала на земную поверхность первым дождем, вследствие, чего образовались реки, моря и океаны – гидросфера. «Водяная оболочка на Земле обеспечила возможность накопления эндогенного кислорода, став его аккумулятором и (при насыщении) поставщиком в атмосферу, к этому времени уже очищенную от воды, углекислоты, кислых дымов, и других газов в результате прошедших ливней»(1).
Другая теория утверждает, что кислород образовался при фотосинтезе в результате жизнедеятельности примитивных клеточных организмов, когда растительные организмы расселились по всей Земле, количество кислорода в атмосфере стало быстро увеличиваться. Однако, многие учёные склонны рассматривать обе версии без взаимного исключения.
Изменение состава атмосферы Земли
|
Этапы развития жизни на Земле |
Изменение состава атмосферы |
|
|
Образование планеты |
4,5 – 5 млрд. лет назад |
Нет атмосферы |
|
Появление признаков жизни на Земле |
2,5 – 3 млрд. лет назад |
Первичная атмосфера не содержит кислорода |
|
Активное завоеваение Земли живыми организмами |
Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО 2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций (см . ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ). Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.
Вероятно, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как ледниковые периоды .
Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают a-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой a-частицы появляются по два электрона, которые, рекомбинируя с a-частицами, образуют нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. На основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно оценить относительное содержание различных химических элементов во Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов раз выше, чем на Земле, криптона – в десять миллионов раз, а ксенона – в миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, по-видимому, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40 Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.
Барометрическое распределение давления.
Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5·10 15 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м 2 = 1,1 кг/см 2 . Давление, равное Р 0 = 1033,23 г/см 2 = 1013,250 мбар = 760 мм рт. ст. = 1 атм, принимается в качестве стандартного среднего значения атмосферного давления. Для атмосферы в состоянии гидростатического равновесия имеем: dP = –rgdh , это означает, что на интервале высот от h до h + dh имеет место равенство между изменением атмосферного давления dP и весом соответствующего элемента атмосферы с единичной площадью, плотностью r и толщиной dh. В качестве соотношения между давлением Р и температурой Т используется достаточно применимое для земной атмосферы уравнение состояния идеального газа c плотностью r: P = r R T /m, где m – молекулярная масса, и R = 8,3 Дж/(К моль) – универсальная газовая постоянная. Тогда d logP = – (mg/RT )dh = – bdh = – dh /H, где градиент давления в логарифмической шкале. Обратную ему величину Н принять называть шкалой высоты атмосферы.
При интегрировании этого уравнения для изотермичой атмосферы (Т = const) или для ее части, где такое приближение допустимо, получается барометрический закон распределения давления с высотой: P = P 0 exp(–h /H 0), где отсчет высот h производится от уровня океана, где стандартное среднее давление составляет P 0 . Выражение H 0 = RT / mg, называется шкалой высоты, которая характеризует протяженность атмосферы, при условии, что температура в ней всюду одинакова (изотермичная атмосфера). Если атмосфера не изотермична, то интегрировать надо с учетом изменения температуры с высотой, а параметр Н – некоторая локальная характеристика слоев атмосферы, зависящая от их температуры и свойств среды.
Стандартная атмосфера.
Модель (таблица значений основных параметров), соответствующая стандартным давлению у основания атмосферы Р 0 и химическому составу, называется стандартной атмосферой. Точнее, это условная модель атмосферы, для которой заданы средние для широты 45° 32ў 33І значения температуры, давления, плотности, вязкости и др. характеристик воздуха на высотах от 2 км ниже уровня моря до внешней границы земной атмосферы. Параметры средней атмосферы на всех высотах рассчитаны по уравнению состояния идеального газа и барометрическому закону в предположении, что на уровне моря давление равно 1013,25 гПа (760 мм рт. ст.), а температура 288,15 К (15,0° С). По характеру вертикального распределения температуры средняя атмосфера состоит из нескольких слоев, в каждом из которых температура аппроксимирована линейной функцией высоты. В самом нижнем из слоев – тропосфере (h Ј 11 км) температура падает на 6,5° C каждым километром подъема. На больших высотах значение и знак вертикального градиента температуры меняются от слоя к слою. Выше 790 км температура составляет около 1000 К и практически не меняется с высотой.
Стандартная атмосфера является периодически уточняемым, узаконенным стандартом, выпускаемым в виде таблиц.
| Таблица 1. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ . В таблице приведены: h – высота от уровня моря, Р – давление, Т – температура, r – плотность, N – число молекул или атомов в единице объема, H – шкала высоты, l – длина свободного пробега. Давление и температура на высоте 80–250 км, полученные по ракетным данным, имеют более низкие значения. Значения для высот, больших чем 250 км, полученные путем экстраполяции, не очень точны. | ||||||
| h (км) | P (мбар) | T (°К) | r (г/см 3) | N (см –3) | H (км) | l (см) |
| 0 | 1013 | 288 | 1,22· 10 –3 | 2,55·10 19 | 8,4 | 7,4·10 –6 |
| 1 | 899 | 281 | 1,11·10 –3 | 2,31·10 19 | 8,1·10 –6 | |
| 2 | 795 | 275 | 1,01·10 –3 | 2,10·10 19 | 8,9·10 –6 | |
| 3 | 701 | 268 | 9,1·10 –4 | 1,89·10 19 | 9,9·10 –6 | |
| 4 | 616 | 262 | 8,2·10 –4 | 1,70·10 19 | 1,1·10 –5 | |
| 5 | 540 | 255 | 7,4·10 –4 | 1,53·10 19 | 7,7 | 1,2·10 –5 |
| 6 | 472 | 249 | 6,6·10 –4 | 1,37·10 19 | 1,4·10 –5 | |
| 8 | 356 | 236 | 5,2·10 -4 | 1,09·10 19 | 1,7·10 –5 | |
| 10 | 264 | 223 | 4,1·10 –4 | 8,6·10 18 | 6,6 | 2,2·10 –5 |
| 15 | 121 | 214 | 1,93·10 –4 | 4,0·10 18 | 4,6·10 –5 | |
| 20 | 56 | 214 | 8,9·10 –5 | 1,85·10 18 | 6,3 | 1,0·10 –4 |
| 30 | 12 | 225 | 1,9·10 –5 | 3,9·10 17 | 6,7 | 4,8·10 –4 |
| 40 | 2,9 | 268 | 3,9·10 –6 | 7,6·10 16 | 7,9 | 2,4·10 –3 |
| 50 | 0,97 | 276 | 1,15·10 –6 | 2,4·10 16 | 8,1 | 8,5·10 –3 |
| 60 | 0,28 | 260 | 3,9·10 –7 | 7,7·10 15 | 7,6 | 0,025 |
| 70 | 0,08 | 219 | 1,1·10 –7 | 2,5·10 15 | 6,5 | 0,09 |
| 80 | 0,014 | 205 | 2,7·10 –8 | 5,0·10 14 | 6,1 | 0,41 |
| 90 | 2,8·10 –3 | 210 | 5,0·10 –9 | 9·10 13 | 6,5 | 2,1 |
| 100 | 5,8·10 –4 | 230 | 8,8·10 –10 | 1,8·10 13 | 7,4 | 9 |
| 110 | 1,7·10 –4 | 260 | 2,1·10 –10 | 5,4·10 12 | 8,5 | 40 |
| 120 | 6·10 –5 | 300 | 5,6·10 –11 | 1,8·10 12 | 10,0 | 130 |
| 150 | 5·10 –6 | 450 | 3,2·10 –12 | 9·10 10 | 15 | 1,8·10 3 |
| 200 | 5·10 –7 | 700 | 1,6·10 –13 | 5·10 9 | 25 | 3·10 4 |
| 250 | 9·10 –8 | 800 | 3·10 –14 | 8·10 8 | 40 | 3·10 5 |
| 300 | 4·10 –8 | 900 | 8·10 –15 | 3·10 8 | 50 | |
| 400 | 8·10 –9 | 1000 | 1·10 –15 | 5·10 7 | 60 | |
| 500 | 2·10 –9 | 1000 | 2·10 –16 | 1·10 7 | 70 | |
| 700 | 2·10 –10 | 1000 | 2·10 –17 | 1·10 6 | 80 | |
| 1000 | 1·10 –11 | 1000 | 1·10 –18 | 1·10 5 | 80 | |
Тропосфера.
Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы, в котором температура быстро уменьшается с высотой, называется тропосферой. Он содержит до 80% всей массы атмосферы и простирается в полярных и средних широтах до высот 8–10 км, а в тропиках до 16–18 км. Здесь развиваются практически все погодообразующие процессы, происходит тепловой- и влагообмен между Землей и ее атмосферой, образуются облака, возникают различные метеорологические явления, возникают туманы и осадки. Эти слои земной атмосферы находятся в конвективном равновесии и, благодаря активному перемешиванию имеют однородный химический состав, в основном, из молекулярных азота (78%) и кислорода (21%). В тропосфере сосредоточено подавляющее количество природных и техногенных аэрозольных и газовых загрязнителей воздуха. Динамика нижней части тропосферы толщиной до 2 км сильно зависит от свойств подстилающей поверхности Земли, определяющей горизонтальные и вертикальные перемещения воздуха (ветры), обусловленные передачей тепла от более нагретой суши, через ИК-излучение земной поверхности, которое поглощается в тропосфере, в основном, парами воды и углекислого газа (парниковый эффект). Распределение температуры с высотой устанавливается в результате турбулентного и конвективного перемешивания. В среднем оно соответствует падению температуры с высотой примерно на 6,5 К/км.
Скорость ветра в приземном пограничном слое сначала быстро растет с высотой, а выше она продолжает увеличиваться на 2–3 км/с на каждый километр. Иногда в тропосфере возникают узкие планетарные потоки (со скоростью более 30 км/с), западные в средних широтах, а вблизи экватора – восточные. Их называют струйными течениями.
Тропопауза.
У верхней границы тропосферы (тропопаузы) температура достигает минимального значения для нижней атмосферы. Это переходный слой между тропосферой и расположенной над нею стратосферой. Толщина тропопаузы от сотен метров до 1,5–2 км, а температура и высота соответственно в пределах от 190 до 220 К и от 8 до 18 км в зависимости от географической широты и сезона. В умеренных и высоких широтах зимой она ниже, чем летом на 1–2 км и на 8–15 К теплее. В тропиках сезонные изменения значительно меньше (высота 16–18 км, температура 180–200 К). Над струйными течениями возможны разрывы тропопаузы.
Вода в атмосфере Земли.
Важнейшей особенностью атмосферы Земли является наличие значительного количества водяных паров и воды в капельной форме, которую легче всего наблюдать в виде облаков и облачных структур. Степень покрытия неба облаками (в определенный момент или в среднем за некоторый промежуток времени), выраженная в 10-балльной шкале или в процентах, называют облачностью. Форма облаков определяется по международной классификации. В среднем, облака покрывают около половины земного шара. Облачность – важный фактор, характеризующий погоду и климат. Зимой и ночью облачность препятствует понижению температуры земной поверхности и приземного слоя воздуха, летом и днем – ослабляет нагревание земной поверхности солнечными лучами, смягчая климат внутри материков.
Облака.
Облака – скопления взвешенных в атмосфере водяных капель (водяные облака), ледяных кристаллов (ледяные облака) или – тех и других вместе (смешанные облака). При укрупнении капель и кристаллов они выпадают из облаков в виде осадков. Облака образуются, главным образом, в тропосфере. Они возникают в результате конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе. Диаметр облачных капель порядка нескольких мкм. Содержание жидкой воды в облаках – от долей до нескольких граммов на м 3 . Облака различают по высоте: Согласно международной классификации существует 10 родов облаков: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, высококучевые, высокослоистые, слоисто-дождевые, слоистые, слоисто-кучевые, кучево-дождевые, кучевые.
В стратосфере наблюдаются также перламутровые облака, а в мезосфере – серебристые облака.
Перистые облака – прозрачные облака в виде тонких белых нитей или пелены с шелковистым блеском, не дающие тени. Перистые облака состоят из ледяных кристаллов, образуются в верхних слоях тропосферы при очень низких температурах. Некоторые виды перистых облаков служат предвестниками смены погоды.
Перисто-кучевые облака – гряды или слои тонких белых облаков верхней тропосферы. Перисто-кучевые облака построены из мелких элементов, имеющих вид хлопьев, ряби, маленьких шариков без теней и состоят преимущественно из ледяных кристаллов.
Перисто-слоистые облака – белесоватая полупрозрачная пелена в верхней тропосфере, обычно волокнистая, иногда размытая, состоящая из мелких игольчатых или столбчатых ледяных кристаллов.
Высококучевые облака – белые, серые или бело-серые облака нижних и средних слоев тропосферы. Высококучевые облака имеют вид слоев и гряд, как бы построенных из лежащих друг над другом пластинок, округлых масс, валов, хлопьев. Высококучевые облака образуются при интенсивной конвективной деятельности и обычно состоят из переохлажденных капелек воды.
Высокослоистые облака – сероватые или синеватые облака волокнистой или однородной структуры. Высокослоистые облака наблюдаются в средней тропосфере, простираются на несколько км в высоту и иногда на тысячи км в горизонтальном направлении. Обычно высокослоистые облака входят в состав фронтальных облачных систем, связанных с восходящими движениями воздушных масс.
Слоисто-дождевые облака – низкий (от 2 и выше км) аморфный слой облаков однообразно-серого цвета, дающий начало обложному дождю или снегу. Слоисто-дождевые облака – сильно развиты по вертикали (до нескольких км) и горизонтали (несколько тысяч км), состоят из переохлажденных капель воды в смеси со снежинками обычно связаны с атмосферными фронтами.
Слоистые облака – облака нижнего яруса в виде однородного слоя без определенных очертаний, серого цвета. Высота слоистых облаков над земной поверхностью составляет 0,5–2 км. Изредка из слоистых облаков выпадает морось.
Кучевые облака – плотные, днем ярко-белые облака со значительным вертикальным развитием (до 5 км и более). Верхние части кучевых облаков имеют вид куполов или башен с округлыми очертаниями. Обычно кучевые облака возникают как облака конвекции в холодных воздушных массах.
Слоисто-кучевые облака – низкие (ниже 2 км) облака в виде серых или белых не волокнистых слоев или гряд из круглых крупных глыб. Вертикальная мощность слоисто-кучевых облаков невелика. Изредка слоисто-кучевых облака дают небольшие осадки.
Кучево-дождевые облака – мощные и плотные облака с сильным вертикальным развитием (до высоты 14 км), дающие обильные ливневые осадки с грозовыми явлениями, градом, шквалами. Кучево-дождевые облака развиваются из мощных кучевых облаков, отличаясь от них верхней частью, состоящей из кристаллов льда.
Стратосфера.
Через тропопаузу, в среднем на высотах от 12 до 50 км, тропосфера переходит в стратосферу. В нижней части, на протяжении около 10 км, т.е. до высот около 20 км, она изотермична (температура около 220 К). Затем она растет с высотой, достигая максимума около 270 К на высоте 50–55 км. Здесь находится граница между стратосферой и выше лежащей мезосферой, называемая стратопаузой.
В стратосфере значительно меньше водяных паров. Все же иногда наблюдаются – тонкие просвечивающие перламутровые облака, изредка возникающие в стратосфере на высоте 20–30 км. Перламутровые облака видны на темном небе после захода и перед восходом Солнца. По форме перламутровые облака напоминают перистые и перисто-кучевые облака.
Средняя атмосфера (мезосфера).
На высоте около 50 км с пика широкого температурного максимума начинается мезосфера. Причиной увеличения температуры в области этого максимума является экзотермическая (т.е. сопровождающаяся выделением тепла) фотохимическая реакция разложения озона: О 3 + hv ® О 2 + О. Озон возникает в результате фотохимического разложения молекулярного кислорода О 2
О 2 + hv ® О + О и последующей реакции тройного столкновения атома и молекулы кислорода с какой-нибудь третьей молекулой М.
О + О 2 + М ® О 3 + М
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Озон, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
В мезосфере большей частью сгорают попадающие на Землю мелкие твердые метеоритные частицы, вызывающие явление метеоров.
Метеоры, метеориты и болиды.
Вспышки и другие явления в верхней атмосфере Земли вызванные вторжением в нее со скоростью от 11 км/с и выше твердых космических частиц или тел, называются метеороидами. Возникает наблюдаемый яркий метеорный след; наиболее мощные явления, часто сопровождаемые падением метеоритов, называются болидами ; появление метеоров связано с метеорными потоками.
Метеорный поток :
1) явление множественного падения метеоров в течение нескольких часов или дней из одного радианта.
2) рой метеороидов, движущихся по одной орбите вокруг Солнца.
Систематическое появление метеоров в определенной области неба и в определенные дни года, вызванное пересечением орбиты Земли с общей орбитой множества метеоритных тел, движущихся с примерно одинаковыми и одинаково направленными скоростями, из-за чего их пути на небе кажутся выходящими из одной общей точки (радианта). Называются по имени созвездия, где находится радиант.
Метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, но отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10 000 тонн, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты.
Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности. Их можно обнаружить в Гренландии и Антарктиде, где почти без изменений годами сохраняются ледниковые покровы. Океанологи находят их в донных океанических отложениях.
Большая часть метеорных частиц, поступивших в атмосферу, осаждается примерно в течение 30 суток. Некоторые ученые считают, что эта космическая пыль играет важную роль в формировании таких атмосферных явлений, как дождь, поскольку служит ядрами конденсации водяного пара. Поэтому предполагают, что выпадение осадков статистически связано с крупными метеорными дождями. Однако некоторые специалисты полагают, что, поскольку общее поступление метеорного вещества во много десятков раз превышает его поступление даже с крупнейшим метеорным дождем, изменением в общем количестве этого вещества, происходящим в результате одного такого дождя, можно пренебречь.
Однако несомненно, что наиболее крупные микрометеориты и видимые метеориты оставляют длинные следы ионизации в высоких слоях атмосферы, главным образом в ионосфере. Такие следы можно использовать для дальней радиосвязи, так как они отражают высокочастотные радиоволны.
Энергия поступающих в атмосферу метеоров расходуется главным образом, а может быть и полностью, на ее нагревание. Это одна из второстепенных составляющих теплового баланса атмосферы.
Метеорит – твердое тело естественного происхождения, упавшее на поверхность Земли из космоса. Обычно различают каменные, железо-каменные и железные метеориты. Последние в основном состоят из железа и никеля. Среди найденных метеоритов большинство имеют вес от нескольких граммов до нескольких килограммов. Крупнейший из найденных, – железный метеорит Гоба весит около 60 тонн и до сих пор лежит там же, где был обнаружен, в Южной Африке. Большинство метеоритов представляют собой осколки астероидов, но некоторые метеориты, возможно, попали на Землю с Луны и даже с Марса.
Болид – очень яркий метеор, иногда наблюдаемый даже днем, часто оставляющий после себя дымный след и сопровождаемый звуковыми явлениями; нередко заканчивается падением метеоритов.
Термосфера.
Выше температурного минимума мезопаузы начинается термосфера, в которой температура, сначала медленно, а потом быстро вновь начинает расти. Причиной является поглощение ультрафиолетового, излучения Солнца на высотах 150–300 км, обусловленное ионизацией атомарного кислорода: О + hv ® О + + е.
В термосфере температура непрерывно растет до высоты около 400 км, где она достигает днем в эпоху максимума солнечной активности 1800 К. В эпоху минимума эта предельная температура может быть меньше 1000 К. Выше 400 км атмосфера переходит в изотермичную экзосферу. Критический уровень (основание экзосферы) находится на высоте около 500 км.
Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
Полярные сияния.
В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния. Они могут продолжаться несколько минут, но часто видимы в течение нескольких часов. Полярные сияния сильно различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени. Спектр полярных сияний состоит из эмиссионных линий и полос. В спектре сияний усиливаются некоторые из эмиссий ночного неба, прежде всего зеленая и красная линии l 5577 Å и l 6300 Å кислорода. Бывает, что одна из этих линий во много раз интенсивнее другой, и это определяет видимый цвет сияния: зеленый или красный. Возмущения магнитного поля сопровождаются также нарушениями радиосвязи в полярных районах. Причиной нарушения являются изменения в ионосфере, которые означают, что во время магнитных бурь действует мощный источник ионизации. Установлено, что сильные магнитные бури происходят при наличии вблизи центра солнечного диска больших групп пятен. Наблюдения показали, что бури связаны не с самими пятнами, а с солнечными вспышками, которые появляются во время развития группы пятен.
Полярные сияния – это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли. Визуальное полярное сияние содержит зеленую 5577Å) и красную (6300/6364Å) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N 2 , которые возбуждаются энергичными частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии обычно высвечиваются на высоте около 100 км и выше. Термин оптическое полярное сияние используется для обозначения визуальных полярных сияний и их эмиссионного спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Энергия излучения в инфракрасной части спектра существенно превосходит энергию видимой области. При появлении полярных сияний наблюдались эмиссии в диапазоне УНЧ (
Реальные формы полярных сияний трудно классифицировать; наиболее употребительны следующие термины:
1. Спокойные однородные дуги или полосы. Дуга обычно простирается на ~1000 км в направлении геомагнитной параллели (в направлении на Солнце в полярных районах) и имеет ширину от одного до нескольких десятков километров. Полоса – это обобщение понятия дуги, она обычно не имеет правильной дугообразной формы, а изгибается в виде буквы S или в виде спиралей. Дуги и полосы располагаются на высотах 100–150 км.
2. Лучи полярного сияния. Этот термин относится к авроральной структуре, вытянутой вдоль магнитных силовых линий, с протяженностью по вертикали от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Протяженность лучей по горизонтали невелика, от нескольких десятков метров до нескольких километров. Обычно лучи наблюдаются в дугах или как отдельные структуры.
3. Пятна или поверхности. Это изолированные области свечения, не имеющие определенной формы. Отдельные пятна могут быть связаны между собой.
4. Вуаль. Необычная форма полярного сияния, представляющая собой однородного свечение, покрывающее большие участки небосвода.
По структуре полярные сияния подразделяются на однородные, половатые и лучистые. Используются различные термины; пульсирующая дуга, пульсирующая поверхность, диффузная поверхность, лучистая полоса, драпри и т.д. Существует классификация полярных сияний по их цвету. По этой классификации полярные сияния типа А . Верхней части или полностью имеют красный цвет (6300–6364 Å). Они обычно появляются на высотах 300–400 км при высокой геомагнитной активности.
Полярные сияния типа В окрашены в нижней части в красный цвет и связанны со свечением полос первой положительной системы N 2 и первой отрицательной системы O 2 . Такие формы сияния появляются во время наиболее активных фаз полярных сияний.
Зоны полярных сияний – это зоны максимальной частоты появления сияний в ночное время, по данным наблюдателей в фиксированной точке на поверхности Земли. Зоны располагаются на 67° северной и южной широты, а их ширина составляет около 6°. Максимум появлений полярных сияний, соответствующий данному моменту геомагнитного местного времени, происходит в овалоподобных поясах (овал полярных сияний), которые располагаются асимметрично вокруг северного и южного геомагнитных полюсов. Овал полярных сияний фиксирован в координатах широта – время, а зона полярных сияний является геометрическим местом точек полуночной области овала в координатах широта – долгота. Овальный пояс располагается приблизительно на 23° от геомагнитного полюса в ночном секторе и на 15° в дневном секторе.
Овал полярных сияний и зоны полярных сияний. Расположение овала полярных сияний зависит от геомагнитной активности. Овал становится шире при высокой геомагнитной активности. Зоны полярных сияний или границы овала полярных сияний лучше представляются значением L 6,4, чем дипольными координатами. Геомагнитные силовые линии на границе дневного сектора овала полярных сияний совпадают с магнитопаузой. Наблюдается изменение положения овала полярных сияний в зависимости от угла между геомагнитной осью и направлением Земля – Солнце. Овал полярных сияний определяется также на основе данных о высыпаниях частиц (электронов и протонов) определенных энергий. Его положение может быть независимо определено по данным о каспах на дневной стороне и в хвосте магнитосферы.
Суточная вариация частоты появления полярных сияний в зоне полярных сияний имеет максимум в геомагнитную полночь и минимум в геомагнитный полдень. На приэкваториальной стороне овала частота появления полярных сияний резко уменьшается, но форма суточных вариаций сохраняется. На приполюсной стороне овала частота появления полярных сияний уменьшается постепенно и характеризуется сложными суточными изменениями.
Интенсивность полярных сияний.
Интенсивность полярных сияний определяется измерением кажущейся поверхности яркости. Поверхность яркости I полярного сияния в определенном направлении определяется суммарной эмиссией 4рI фотон/(см 2 с). Так как эта величина не является истинной поверхностной яркостью, а представляет собой эмиссию из столба, обычно при исследовании полярных сияний используют единицу фотон/(см 2 ·столб·с). Обычная единица для измерения суммарной эмиссии – Рэлей (Рл) равный 10 6 фотон/(см 2 ·столб.·с). Более практичные единицы интенсивности полярных сияний определяется по эмиссиям отдельной линии или полосы. Например, интенсивность полярных сияний определяется международным коэффициентами яркости (МКЯ) по данным об интенсивности зеленой линии (5577 Å); 1 кРл = I МКЯ, 10 кРл = II МКЯ, 100 кРл = III МКЯ, 1000 кРл = IV МКЯ (максимальная интенсивность полярного сияния). Эта классификация не может быть использована для сияний красного цвета. Одним из открытий эпохи (1957–1958) стало установление пространственно-временного распределения полярных сияний в виде овала, смещенного относительно магнитного полюса. От простых представлений о круговой форме распределения полярных сияний относительно магнитного полюса был совершен переход к современной физике магнитосферы. Честь открытия принадлежит О.Хорошевой, а интенсивную разработку идей овала полярных сияний осуществили Г.Старков, Я.Фельдштейн, С-И.Акасофу и ряд других исследователей. Овал полярных сияний представляет собой область наиболее интенсивного воздействия солнечного ветра на верхнюю атмосферу Земли. Интенсивность полярных сияний наибольшая именно в овале, а за его динамикой ведутся непрерывные наблюдения с помощью спутников.
Устойчивые авроральные красные дуги.
Устойчивая авроральная красная дуга, иначе называемая среднеширотной красной дугой или М-дугой , представляет собой субвизуальную (ниже предела чувствительности глаза) широкую дугу, вытянутую с востока на запад на тысячи километров и опоясывающую, возможно, всю Землю. Широтная протяженность дуги 600 км. Излучение устойчивой авроральной красной дуги практически монохроматично в красных линиях l 6300 Å и l 6364 Å. Недавно сообщалось также о слабых эмиссионных линиях l 5577 Å (OI) и l 4278 Å (N + 2). Устойчивые красные дуги классифицируются как полярные сияния, но они проявляются на гораздо больших высотах. Нижняя граница располагается на высоте 300 км, верхний предел около 700 км. Интенсивность спокойной авроральной красной дуги в эмиссии l 6300 Å составляет от 1 до 10 кРл (типичная величина 6 кРл). Порог чувствительности глаза на этой длине волны около 10 кРл, так что дуги редко наблюдаются визуально. Однако, наблюдения показали, что их яркость составляет >50 кРл в 10% ночей. Обычное время жизни дуг около одних суток, и они редко появляются в последующие дни. Радиоволны от спутников или радиоисточников, пересекающих устойчивые авроральные красные дуги, подвержены мерцаниям, что указывает на существование неоднородностей электронной плотности. Теоретическое объяснение красных дуг состоит в том, что нагретые электроны области F ионосферы вызывают увеличение атомов кислорода. Спутниковые наблюдения показывают увеличение электронной температуры вдоль силовых линий геомагнитного поля, которые пересекают устойчивые авроральные красные дуги. Интенсивность этих дуг положительно коррелирует с геомагнитной активностью (бурями), а частота появления дуг – с солнечной пятнообразовательной активностью.
Изменяющееся полярное сияние.
Некоторые формы полярных сияний испытывают квазипериодические и когерентные временные вариации интенсивности. Эти полярные сияния с примерно стационарной геометрией и быстрыми периодическими вариациями, происходящими в фазе, называются изменяющимися полярными сияниями. Они классифицируются как полярные сияния формы р по данным Международного атласа полярных сияний Более детальное подразделение изменяющихся полярных сияний:
р 1 (пульсирующее полярное сияние) представляет собой свечение с однородными фазовыми вариациями яркости по всей форме полярного сияния. По определению, в идеальном пульсирующем полярном сиянии пространственная и временная части пульсации могут быть разделены, т.е. яркость I (r,t ) = I s (r )·I T (t ). В типичном полярном сиянии р 1 происходят пульсации с частотой от 0,01 до 10 Гц низкой интенсивности (1–2 кРл). Большинство полярных сияний р 1 – это пятна или дуги, пульсирующие с периодом в несколько секунд.
р 2 (пламенное полярное сияние). Этот термин обычно используется для обозначения движений, подобных языкам пламени, заполняющим небосвод, а не для описания отдельной формы. Сияния имеют форму дуг и обычно движутся вверх с высоты 100 км. Эти полярные сияния относительно редки и чаще происходят за пределами полярных сияний.
р 3 (мерцающее полярное сияние). Это полярные сияния с быстрыми, иррегулярными или регулярными вариациями яркости, создающие впечатление мерцающего пламени на небосводе. Они появляются незадолго до распада полярного сияния. Обычно наблюдаемая частота вариаций р 3 равна 10 ± 3 Гц.
Термин струящееся полярное сияние, используемый для другого класса пульсирующих полярных сияний, относится к иррегулярным вариациям яркости, быстро движущимся горизонтально в дугах и полосах полярных сияний.
Изменяющееся полярное сияние – это одно из солнечно-земных явлений, сопровождающих пульсации геомагнитного поля и аврорального рентгеновского излучения, вызванные высыпанием частиц солнечного и магнитосферного происхождения.
Свечение полярной шапки характеризуется большой интенсивностью полосы первой отрицательной системы N + 2 (л 3914 Å). Обычно эти полосы N + 2 интенсивнее зеленой линии OI l 5577 Å в пять раз, абсолютная интенсивность свечения полярной шапки составляет от 0,1 до 10 кРл (обычно 1–3 кРл). При этих сияниях, появляющихся в периоды ППШ, однородное свечение охватывает всю полярную шапку вплоть до геомагнитной широты 60° на высотах о 30 до 80 км. Оно генерируется преимущественно солнечными протонами и d-частицами с энергиями 10–100 МэВ, создающими максимум ионизации на этих высотах. Имеется и другой тип свечения в зонах полярных сияний, называемый мантийным полярным сиянием. Для этого типа аврорального свечения суточный максимум интенсивности, приходящийся на утренние часы, составляет 1–10 кРл, а минимум интенсивности в пять раз слабее. Наблюдения мантийных полярных сияний немногочисленны, их интенсивность зависит от геомагнитной и солнечной активности.
Свечение атмосферы определяется как излучение, образованное и испускаемое атмосферой планеты. Это нетепловое излучение атмосферы, за исключением эмиссии полярных сияний, молниевых разрядов и излучения метеорных следов. Этот термин используется применительно к земной атмосфере (ночное свечение, сумеречное свечение и дневное свечение). Свечение атмосферы составляет только часть имеющегося в атмосфере света. Другими источниками являются свет звезд, зодиакальный свет и дневной рассеянный свет Солнца. Временами свечение атмосферы может составлять до 40% общего количества света. Свечение атмосферы возникает в атмосферных слоях изменяющейся высоты и толщины. Спектр свечения атмосферы охватывает длины волн от 1000 Å до 22,5 мкм. Основная линия излучения в свечении атмосферы – l 5577 Å, появляющаяся на высоте 90–100 км в слое толщиной 30–40 км. Возникновение свечения обусловлено механизмом Чемпена, основанным на рекомбинации атомов кислорода. Другие эмиссионные линии – это л 6300 Å, появляющаяся в случае диссоциативной рекомбинации О + 2 и эмиссии NI l 5198/5201 Å и NI l 5890/5896 Å.
Интенсивность свечения атмосферы измеряется в Рэлеях. Яркость (в Рэлеях) равна 4 рв, где в – угловая поверхность яркость излучающего слоя в единицах 10 6 фотон/(см 2 ·стер·с). Интенсивность свечения зависит от широты (по-разному для различных эмиссий), а также меняется в течение суток с максимумом вблизи полуночи. Отмечена положительная корреляция для свечения атмосферы в эмиссии l 5577 Å с числом солнечных пятен и потоком солнечного излучения на длине волны 10,7 см. Свечение атмосферы наблюдается во время спутниковых экспериментов. Из космического пространства оно выглядит как кольцо света вокруг Земли и имеет зеленоватый цвет.
Озоносфера.
На высотах 20–25 км достигается максимальная концентрация ничтожного количества озона О 3 (до 2Ч10 –7 от содержания кислорода!), который возникает под действием солнечного ультрафиолетового излучения на высотах примерно от 10 до 50 км, защищая планету от ионизующего солнечного излучения. Несмотря на исключительно малое количество молекул озона, они предохраняют все живое на Земле от губительного действия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца. Если осадить все молекулы к основанию атмосферы, то получится слой, толщиной не более 3–4 мм! На высотах более 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; многие молекулы диссоциируют на отдельные атомы, которые, ионизуясь под действием жесткого излучения Солнца, образуют ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.
На высоте 20–25 км располагается озонный слой . Озон образуется за счет распада молекул кислорода при поглощении ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн короче 0,1–0,2 мкм. Свободный кислород соединяясь с молекулами О 2 и образует озон О 3 , который жадно поглощает весь ультрафиолет короче 0,29 мкм. Молекулы озона О 3 легко разрушаются под действием коротковолнового излучения. Поэтому, несмотря на свою разреженность, озонный слой эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, прошедшее сквозь более высокие и прозрачные атмосферные слои. Благодаря этому живые организмы на Земле защищены от губительного воздействия ультрафиолетового света Солнца.
Ионосфера.
Излучение Солнца ионизирует атомы и молекулы атмосферы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О 2 , азота N 2 и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60-ти километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Нижний слой, ионизация которого несущественна, называют нейтросферой.
Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км.
История изучения ионосферы.
Гипотеза о существовании проводящего слоя в верхней атмосфере была высказана в 1878 английским ученым Стюартом для объяснения особенностей геомагнитного поля. Затем в 1902, независимо друг от друга, Кеннеди в США и Хевисайд в Англии указали, что для объяснения распространения радиоволн на большие расстояния необходимо предположить существование в высоких слоях атмосферы областей с большой проводимостью. В 1923 академик М.В.Шулейкин, рассматривая особенности распространения радиоволн различных частот, пришел к выводу о наличии в ионосфере не менее двух отражающих слоев. Затем в 1925 английские исследователи Эпплтон и Барнет, а также Брейт и Тьюв впервые экспериментально доказали существование областей, отражающих радиоволны, и положили начало их систематическому изучению. С того времени ведется систематическое изучение свойств этих слоев, в целом называемых ионосферой, играющих существенную роль в ряде геофизических явлений, определяющих отражение и поглощение радиоволн, что очень важно для практических целей, в частности для обеспечения надежной радиосвязи.
В 1930-е были начаты систематические наблюдения состояния ионосферы. В нашей стране по инициативе М.А.Бонч-Бруевича были созданы установки для импульсного ее зондирования. Были исследованы многие общие свойства ионосферы, высоты и электронная концентрацию основных ее слоев.
На высотах 60–70 км наблюдается слой D, на высотах 100–120 км слой Е , на высотах, на высотах 180–300 км двойной слой F 1 и F 2 . Основные параметры этих слоев приведены в Таблице 4.
| Таблица 4. | ||||||
| Область ионосферы | Высота максимума, км | T i , K | День | Ночь n e , см –3 | a΄, ρм 3 с – 1 | |
| мин n e , см –3 | макс n e , см –3 | |||||
| D | 70 | 20 | 100 | 200 | 10 | 10 –6 |
| E | 110 | 270 | 1,5·10 5 | 3·10 5 | 3000 | 10 –7 |
| F 1 | 180 | 800–1500 | 3·10 5 | 5·10 5 | – | 3·10 –8 |
| F 2 (зима) | 220–280 | 1000–2000 | 6·10 5 | 25·10 5 | ~10 5 | 2·10 –10 |
| F 2 (лето) | 250–320 | 1000–2000 | 2·10 5 | 8·10 5 | ~3·10 5 | 10 –10 |
| n e – электронная концентрация, е – заряд электрона, T i – температура ионов, a΄ – κоэффициент рекомбинации (который определяет величину n e и ее изменение во времени) | ||||||
Приведены средние значения, поскольку они меняются для различных широт, в зависимости от времени суток и сезонов. Подобные данные необходимы для обеспечения дальней радиосвязи. Они используются при выборе рабочих частот для различных коротковолновых линий радиосвязи. Знание их изменения в зависимости от состояния ионосферы в разное время суток и в разные сезоны исключительно важно для обеспечения надежности радиосвязи. Ионосферой называется совокупность ионизированных слоев земной атмосферы, начинающаяся с высот порядка 60 км и простирающаяся до высот в десятки тысяч км. Основной источник ионизации земной атмосферы – ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, возникающее главным образом в солнечной хромосфере и короне. Кроме того, на степень ионизации верхней атмосферы влияют солнечные корпускулярные потоки, возникающие во время вспышек на Солнце, а также космические лучи и метеорные частицы.
Ионосферные слои
– это области в атмосфере, в которых достигаются максимальные значения концентрации свободных электронов (т.е. их числа в единице объема). Электрически заряженные свободные электроны и (в меньшей степени менее подвижные ионы), возникающие в результате ионизации атомов атмосферных газов, взаимодействуя с радиоволнами (т.е. электромагнитными колебаниями), могут изменять их направление, отражая или преломляя их, и поглощать их энергию. В результате этого при приеме далеких радиостанций могут возникать различные эффекты, например, замирания радиосвязи, усиления слышимости удаленных станций, блекауты и т.п. явления.
Методы исследования.
Классические методы изучения ионосферы с Земли сводятся к импульсному зондированию - посылки радиоимпульсов и наблюдения их отражений от различных слоев ионосферы с измерением времени запаздывания и изучением интенсивности и формы отраженных сигналов. Измеряя высоты отражения радиоимпульсов на различных частотах, определяя критические частоты различных областей (критической называется несущая частота радиоимпульса, для которой данная область ионосферы становится прозрачной), можно определять значение электронной концентрации в слоях и действующие высоты для заданных частот, выбирать оптимальные частоты для заданных радиотрасс. С развитием ракетной техники и с наступлением космической эры искусственных спутников Земли (ИСЗ) и других космических аппаратов, появилась возможность непосредственного измерения параметров околоземной космической плазмы, нижней частью которой и является ионосфера.
Измерения электронной концентрации, проводимые с борта специально запускаемых ракет и по трассам полетов ИСЗ, подтвердили и уточнили ранее полученные наземными методами данные о структуре ионосферы, распределении концентрации электронов с высотой над различными районами Земли и позволили получить значения электронной концентрации выше главного максимума – слоя F . Ранее это было невозможно сделать методами зондирования по наблюдениям отраженных коротковолновых радиоимпульсов. Обнаружено, что в некоторых районах земного шара существуют достаточно устойчивые области с пониженной электронной концентрацией, регулярные «ионосферные ветры», в ионосфере возникают своеобразные волновые процессы, переносящие местные возмущения ионосферы на тысячи километров от места их возбуждения, и многое другое. Создание особо высокочувствительных приемных устройств позволило осуществить на станциях импульсного зондирования ионосферы прием импульсных сигналов, частично отраженных от самых нижних областей ионосферы (станции частичных отражений). Использование мощных импульсных установок в метровом и дециметровом диапазонах волн с применением антенн, позволяющих осуществлять высокую концентрацию излучаемой энергии, дало возможность наблюдать сигналы, рассеянные ионосферой на различных высотах. Изучение особенностей спектров этих сигналов, не когерентно рассеянных электронами и ионами ионосферной плазмы (для этого использовались станции некогерентного рассеяния радиоволн) позволило определить концентрацию электронов и ионов, их эквивалентную температуру на различных высотах вплоть до высот в несколько тысяч километров. Оказалось, что для используемых частот ионосфера достаточно прозрачна.
Концентрация электрических зарядов (электронная концентрация равна ионной) в земной ионосфере на высоте 300 км составляет днем около 10 6 см –3 . Плазма такой плотности отражает радиоволны длиной более 20 м, а более короткие пропускает.
Типичное вертикальное распределение электронной концентрации в ионосфере для дневных и ночных условий.
Распространение радиоволн в ионосфере.
Стабильный прием дальних радиовещательных станций зависит от используемых частот, а также от времени суток, сезона и, кроме того, от солнечной активности. Солнечная активность существенно влияет на состояние ионосферы. Радиоволны, излучаемые наземной станцией, распространяются прямолинейно, как и все виды электромагнитных колебаний. Однако следует учесть, что как поверхность Земли, так и ионизированные слои ее атмосферы, служат как бы обкладками огромного конденсатора, воздействующими на них подобно действию зеркал на свет. Отражаясь от них, радиоволны могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками в сотни и тысячи км, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или воды.
В 20-х годах прошлого столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения. Первые эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой провели английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели. Независимо друг от друга они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда – Кеннели, а затем – ионосферой.
Согласно современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, в основном молекулярного кислорода O + и окиси азота NO + . Ионы и электроны образуются в результате диссоциации молекул и ионизации нейтральных атомов газа солнечным рентгеновским и ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы ионизовать атом необходимо сообщить ему энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучение Солнца.
Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, рекомбинирует, вновь образуя нейтральные частицы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается, и число свободных электронов начинает убывать. Чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. С уменьшением электронной концентрации прохождение радиоволн возможно только на низкочастотных диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м. Электроны распределены в ионосфере неравномерно. На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона. Верхний слой ионосферы обозначают буквой F . Здесь наиболее высокая степень ионизации (доля заряженных частиц порядка 10 –4). Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов. В летние месяцы область F распадается на два слоя – F 1 и F 2 . Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F 2 как бы «плавает» в интервале высот 300–400 км. Обычно слой F 2 ионизирован значительно сильнее слоя F 1 . Ночью слой F 1 исчезает, а слой F 2 остается, медленно теряя до 60% степени своей ионизации. Ниже слоя F на высотах от 90 до 150 км расположен слой E , ионизация которого происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Степень ионизации слоя E ниже, чем слоя F , днем прием станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от слоя E . Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000–1500 км. Ночью в слое E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.
Большой интерес для приема сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют возникающие в области E прослойки (облака) сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название – спорадический слой E и обозначается Es . Облака Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время происхождение радиоволн за счет облаков Es за месяц бывает 15–20 дней. В районе экватора он присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. Иногда, в годы низкой солнечной активности, когда нет прохождения на высокочастотный КВ диапазонах, на диапазонах 16, 13 и 11 м с хорошей громкостью вдруг появляются дальние станции, сигналы которых многократно отразились от Es.
Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны, а сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. После захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоев F 2 и E . Отдельные слои ионосферы играют важную роль в распространении сигналов КВ радиостанций. Воздействие на радиоволны происходит главным образом из-за наличия в ионосфере свободных электронов, хотя механизм распространения радиоволн связан с наличием крупных ионов. Последние также представляют интерес при изучении химических свойств атмосферы, поскольку они активнее нейтральных атомов и молекул. Химические реакции, протекающие в ионосфере, играют важную роль в ее энергетическом и электрическом балансе.
Нормальная ионосфера. Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части спектра. Ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны и большей энергией, чем у фиолетовых световых лучей, испускается водородом внутренней части атмосферы Солнца (хромосферы), а рентгеновское излучение, обладающее еще более высокой энергией, – газами внешней оболочки Солнца (короны).
Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы.
Возмущения в ионосфере.
Как известно, на Солнце возникают мощные циклически повторяющиеся проявления активности, которые достигают максимума каждые 11 лет. Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала 18 века. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, и резко увеличивается мощность ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов. Во время вспышки извергается солнечная плазма (в основном протоны и электроны), и элементарные частицы устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли.
Первоначальная реакция отмечается через 8 минут после вспышки, когда интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достигает Земли. В результате резко повышается ионизация; рентгеновские лучи проникают в атмосферу до нижней границы ионосферы; количество электронов в этих слоях возрастает настолько, что радиосигналы почти полностью поглощаются («гаснут»). Дополнительное поглощение радиации вызывает нагрев газа, что способствует развитию ветров. Ионизированный газ является электрическим проводником, и когда он движется в магнитном поле Земли, проявляется эффект динамо-машины и возникает электрический ток. Такие токи могут в свою очередь вызывать заметные возмущения магнитного поля и проявляться в виде магнитных бурь.
Структура и динамика верхней атмосферы существенно определяется неравновесными в термодинамическом смысле процессами, связанными с ионизацией и диссоциацией солнечным излучением, химическими процессами, возбуждением молекул и атомов, их дезактивацией, соударением и другими элементарными процессами. При этом степень неравновесности возрастает с высотой по мере уменьшения плотности. Вплоть до высот 500–1000 км, а часто и выше, степень неравновесности для многих характеристик верхней атмосферы достаточно мала, что позволяет использовать для ее описания классическую и гидромагнитную гидродинамику с учетом химических реакций.
Экзосфера – внешний слой атмосферы Земли, начинающийся с высот в несколько сотен км, из которого легкие, быстро движущиеся атомы водорода могут ускользать в космическое пространство.
Эдвард Кононович
Литература:
Пудовкин М.И. Основы физики Солнца
. СПб, 2001
Eris Chaisson, Steve McMillan Astronomy today
. Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, 2002
Материалы в Интернете: http://ciencia.nasa.gov/