Сайт университета Вашингтона
СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ. Вертикальное распределение температуры, давления, плотности и состава атмосферы является атмосферной структурой. Эти величины также зависит от сезона и от местоположения по широте и долготе, а также от времени суток.
Давление и плотность воздуха быстро уменьшается с высотой и постепенно сливается в пустоту пространства. Пятьдесят процентов массы атмосферы находится в пределах 5,5 км (3.4 мили) уровня моря; 90 процентов находится в пределах приблизительно 16 километров (10 миль) от уровня моря, и 99.9 процентов ниже 49 километрах (около 30 миль). Так как средний радиус Земли составляет 6371 км, атмосфера очень тонкий слой вокруг нашей планеты.
Можно было бы ожидать что температура будет постепенно снижаться с высотой, как уменьшается давление, так как воздух остывает по мере их продвижения на более низком давлении в регионах, но это не везде так. Температура понижается с высотой на протяжении всей тропосферы, но она повышается, проходя через стратосферу, однако температура опять упадет проходя через мезосферу; наконец он нагревается в термосфере и экзосфере.
Ученые сделали быстрый прогресс в понимании строения атмосферы начиная с начала 20 века. В 1902 году Leon Teisserenc de Bort обнаружил постоянные температуры с высотой в нижней стратосфере с использованием оперативно-восходящих воздушных шаров с водородом. Вывод о высокой температуре около 50 километров впервые был сделан в 1923 году Фридрихом А. Линдеманном и Гордоном М.В. Добсоном с помощью измерения метеорных следов. Позже метеорологические ракеты стали допускается в исследования температуры и состава верхних слоев атмосферы в случаях недоступных для метеозондов. Дистанционное зондирование атмосферы со спутников началось в начале 1960-х годов и остается крайне важной для измерения свойств различных слоев атмосферы.
СОСТАВ АТМОСФЕРЫ. Воздух представляет собой смесь целого ряда газов, но наиболее обильными являются молекулярный азот (N2) и молекулярного кислорода (О2), также небольшое количество инертного газа аргона (AR). Эти газы составляют более 99,9 процентов от массы сухого воздуха; отношение числа молекул каждого газа практически постоянно до высоты около 80 или 90 км (около 60 миль). Другие газы, чьи относительные концентрации меняются, существуют только в небольших количествах. Наиболее важными из них являются: водяной пар (H2O) и углекислый газ (СО2), которые поглощают и излучают длинноволновую радиацию, и Озон (О3), который поглощает ультрафиолетовое излучение от Солнца, а также некоторые длинноволновые радиации от Земли. Распределение этих “следовых” газов, следовательно, влияет на вертикальное распределение температуры.
Количество водяных паров в воздухе является довольно переменной и падает стремительно с высотой. В пик концентрации вблизи поверхности, водяной пар может составить около 4 процентов массы воздуха, но в общей водяной пар составляет лишь около 0,33 процента масса атмосферы. На высотах около 10 километров концентрация водяного пара составляет лишь около 1 процента от того, что на земле, а более высокие уровни имеют гораздо меньше. Это происходит прежде всего потому, что очень мало водяных паров, необходимых для насыщения холодного воздуха, и лишняя вода будет выпадать в виде осадков.
Ультрафиолетовое излучение от Солнца взаимодействует с молекулами кислорода в стратосфере, образует Озон (О3). Пик концентрации озона находится примерно в 25 км (15.5 миль). Хотя сумма очень мала (всего около 10 молекул) О3 на миллион молекул воздуха при максимальной концентрации в озоновых блоках много ультрафиолетового излучения, которое может причинить ущерб живому.
В отличие от водяного пара и озона, углекислый газ достаточно хорошо перемешивается в воздухе. Несмотря на низкую концентрацию СО2 (на 1 млн. молекул воздуха вблизи поверхности, только около 400 являются СО2) он жизненно необходим для фотосинтеза, а также для поддержания излучения. Водяной пар и углекислый газ поглощают мало солнечного излучения, но они не впитывают некоторые излучения Земли и проецируют ее как вверх, так и вниз. Это приводит к возникновению парникового эффекта, который удерживает температуру поверхности выше.
ТРОПОСФЕРА. В приземном слое атмосферы, тропосфера является самым тонким слоем, но она содержит около 80% массы атмосферы. Это регион, где большая часть того, что мы знаем как “погода” занимает место. Почти все облака и осадки содержатся в тропосфере; погодные фронты, ураганы и грозы тропосферных явлений. Погода активности производит гораздо восходящего и нисходящего движения, поэтому тропосфера-это область смешения: префикс tropo
происходит от греческого слова переворачивая
.
В нижней части тропосферы, обычно самой низкий километр или так называется планетарный пограничный слой, где ветров и температур подвержены характеристик подстилающей поверхности, таких как высота растительности и температура земной или водной поверхности. Близко к поверхности, меняется с днем, когда Земля получает тепло от Солнца, в ночное время, когда она теряет высокую температуру, гораздо больше, чем на больших высотах в тропосфере.
Скорость, с которой температура уменьшается с высотой, называется вертикальный градиент. Выше пограничного слоя в тропосфере вертикальный градиент составляет в среднем около 6 до 7°C в километр, но фактический вертикальный градиент в той или иной ситуации могут быть совершенно разными. Иногда температура постоянна с высотой, или оно может даже повышаться с высоты в неглубокий слой, называемый инверсией.
В средней тропосфере вертикальный градиент меньше. Это значение прежде всего из-за латентного нагрева от конденсации водяного пара (хотя другие процессы, такие как крупномасштабные динамические движения и излучения являются важными частями тропосферы). Как только теплые, влажные участки поднимаются, воздух становится холодным достаточно для конденсации. Результаты конденсата в нагреве воздуха, с ростом температуры до 50°C от конденсации водяных паров, если все влажные участки конденсируются наружу. Таким образом, воздух остывает не так быстро, как он поднимается. Конденсации водяных паров также является одним из основных процессов в крупномасштабных циркуляциях на Земле.
В верхней части тропосферы, тропопаузы, составляет в среднем около 11 на 12 километров над уровнем моря, но она может составлять от 7 до 8 километров в полярных областях, и от 16 до 18 км в тропиках. Самая холодная температура тропопаузы над тропиками, где она может быть -70°C или холоднее, в то время как над полюсами температура тропопаузы от -40°.
СТРАТОСФЕРА. Выше тропопаузы начинается стратосфера. Температура обычно прекращает уменьшаться; сначала она становится примерно постоянной, а затем начинает возрастать с высотой. Воздух стратосферы очень сухой, обычно имеющий менее 0,05 процентов максимальное количество водяного пара, находящегося над поверхностью земли. Облака здесь бывают очень редко. Стратосфера заканчивается на около 50 километрах (31 миль) от земли, под поверхностью на стратопаузы. Здесь плотность воздуха составляет лишь около одной тысячной от той, что на уровне моря, а температура может быть около 0°C, а иногда около 20°С. Повышение температуры в стратосфере происходит из-за присутствия озона. Поглощение озоном ультрафиолетовой радиации приводит к формированию более теплого воздуха; порой может достигаться температура выше, чем на земле. Эта температура распределяет более теплый воздух выше холодного, гасит вертикальные движения и перемешивание. Это производит стратифицированное распределение материала, отсюда и название этого слоя.
ВЫШЕ СТРАТОСФЕРЫ. Около 99,9% массы атмосферы находится в сочетании тропосферы и стратосферы. Из оставшейся массы, около 99% находится в следующем слое, называемом мезосферой. Мезосфера, или средняя атмосфера, начинается выше стратопаузы. Количество озона очень мала, поэтому температура перестает расти и начинает падение. Температура падает практически до -90°c на верхней части этого слоя, в мезопаузы, на высота около 85 до 90 километров. В мезосфере, метеоры нагреваются и становятся видимыми.
Выше мезопаузы, в термосфере, температура начинает увеличиваться опять же потому, что там газы поглощают очень коротких ультрафиолетовых волн – Солнечного излучения (излучения, которое не проникает ниже). Термосфера, вместе с верхней частью мезосферы, является областью ионосферы. По оценкам между 500 и 1000 километров радикально меняется количеством солнечного света. Температура в этой области также не определена, но значения свыше 1000°с, иногда сообщается.
За пределами термосферы находится область под названием экзосфера. В этом слое, последний из атмосферный «сфер» воздух настолько разреженный, что молекулы газа не сталкиваются друг с другом. В экзосфере атмосфера постепенно сменяется радиационными поясами и магнитными полями космического пространства.