ТЕМА № 1. Предмет, структура, завдання і методи  науки про атмосферу.

 

                  ПОВІТРЯ ТА АТМОСФЕРА

Атмосфера (від грец. "атмос" - пара і "сфера" - оболонка) - це газоподібна оболонка Землі, що бере участь у її добовому та річному обертанні. Вона є об'єктом вивчення метеорології. На дні цього атмосферного океану в основному і проходить наше життя.

Повітря, на відміну від води, стискається. Тому з висотою щільність його зменшується, і атмосфера поступово, без різкого переходу, зникає.

Половина всієї маси атмосфери зосереджена в нижніх 5 км, три чверті - в нижніх 10 км, дев'ять десятих - в нижніх 20 км.

Але присутність повітря - чим вище, тим більш розрідженого - реєструється на дуже великих відстанях від Землі.

Полярні сяйва вказують на наявність атмосфери на висотах до 1000 км і більше.

Польоти супутників на висотах у декілька тисяч кілометрів також відбуваються в атмосфері, хоча й дуже розрідженій. Із спостережень за допомогою ракет можна зробити висновок, що атмосфера простягається, при поступовому зменшенні щільності, до середньої відстані більш як 20 000 км (від 18 000 км над полюсами до 42 000 км над екватором).

        Атмосфера, як і Земля, характеризується сплюснутістю біля полюсів та збільшеною потужністю біля екватора, що пов'язано з обертальним рухом Землі навколо своєї осі та дією відцентрових сил.

ТРОПОСФЕРА

           Атмосфера складається з декількох концентричних шарів, що відрізняються один від іншого температурними та іншими умовами. Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, у якій зосереджено 4/5 усієї маси атмосферного повітря, зветься тропосферою. Для неї характерний спад температури з висотою в середньому на 0,65 °C/100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже уся водяна пара атмосфери і виникають майже всі хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так називаних струменевих течіях у верхній частині тропосфери.
            Висота, до якої простягається тропосфера, над кожною точкою Землі змінюється день у день. Крім того, навіть у середньому вона різна під різними широтами й у різні сезони року. У середньорічному виразі тропосфера поширюється над полюсами до висоти біля 9 км, над помірними широтами до 10-12 км і над екватором до 15-17 км. Середня річна температура повітря в земної поверхні біля 26°С на екваторі і біля -23 °С на Північному полюсі. На верхній межі тропосфери над екватором середня температура біля -70 °С, над Північним полюсом зимою біля -65 °С, а влітку біля          -45 °С. Тиск повітря на верхній межі тропосфери відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна маса атмосферного повітря знаходиться саме в тропосфері. Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і клімату біля земної поверхні.

Самий нижній тонкий шар тропосфери, товщиною 50-100 м, що безпосередньо примикає до земної поверхні, носить назву приземного шару.

 

СТРАТОСФЕРА І МЕЗОСФЕРА

           Над тропосферою до висоти 50-55 км лежить стратосфера, характерна тим, що температура в ній у середньому зростає з висотою. Перехідний шар між тропосферою і стратосферою (товщиною 1-2 км) зветься носить назву тропопаузи. Вище були приведені дані про температуру на верхній межі тропосфери. Ці температури характерні і для нижньої стратосфери. Таким чином, температура повітря в нижній стратосфері над екватором завжди дуже низька; притім улітку набагато нижча, ніж над полюсом.
         Нижня стратосфера більш-менш ізотермічна. Але, починаючи з висоти біля 25 км температура в стратосфері швидко зростає з висотою, досягаючи на висоті біля 50 км максимальних, притім позитивних значень (від 1 до 5°С). Внаслідок зростання температури з висотою турбулентність у стратосфері мала. Водяної пари в стратосфері мізерно мало. Однак на висотах 22-27 км спостерігаються іноді у високих широтах дуже тонкі, так звані перламутрові хмари. Вдень вони не значні, а вночі здаються світними, тому що висвітлюються сонцем, що знаходиться під обрієм. Ці хмари складаються із переохолоджених водяних крапель або кристалів льоду.

         Стратосфера характеризується ще тим, що переважно в ній міститься атмосферний озон. З цього погляду вона може бути названа озоносферою. Зростання температури з висотою у стратосфері пояснюється саме поглинанням сонячної радіації озоном. 2. Над стратосферою лежить шар мезосфери, приблизно до 85-95 км. Тут температура з висотою падає до декількох десятків градусів нижче нуля. Внаслідок швидкого спаду температури з висотою в мезосфері сильно розвинута турбулентність. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (82-85 км), спостерігаються ще особливого роду хмари, що також висвітлюються сонцем у нічні години, так звані сріблясті хмари. Вони вперше спостерігались в червні 1885 року і потім були описані приват-доцентом В.К. Цераським. Скоріше за все, мабуть, вони складаються з крижаних кристалів, ядрами конденсації (сублімації) для яких служать частки метеоритної речовини.

           На верхній межі мезосфери тиск повітря разів у 200 менше, ніж у земної поверхні. Таким чином, у тропосфері, стратосфері і мезосфері разом до висоти 80 км, знаходиться більше ніж 99,5% усієї маси атмосфери. На шари, що лежать вище, припадає незначна кількість повітря.

ТЕРМОСФЕРА Й ЕКЗОСФЕРА

           Верхня частина атмосфери, над мезосферою, характеризується дуже високими температурами і тому називається термосферою. У ній розрізняються, однак, дві частини: іоносфера, що простирається від мезосфери до висот порядку тисячі кілометрів, і  екзосфера, зовнішня атмосферна оболонка, що поступово переходить у земну корону.

           Повітря в термосфері надзвичайно розріджене. Але і при такій малій щільності кожен кубічний сантиметр повітря на висоті 300 км ще містить біля одного мільярда (109) молекул або атомів, а на висоті 600 км - більше 10 мільйонів (107). Це на декілька порядків більше, ніж вміст газів у міжпланетному просторі.

           Іоносфера, про що говорить вже сама її назва, характеризується дуже сильним ступенем іонізації повітря. Вміст іонів тут у багато разів більший, ніж у шарах, що лежать нижче, незважаючи на сильну загальну розрідженість повітря. Ці іони являють собою в основному заряджені атоми кисню, заряджені молекули окису азоту і вільні електрони. Їхнє вміст на висотах 100-400 км - порядку 1015-106 на кубічний сантиметр.

          У іоносфері виділяється декілька шарів, або областей, із максимальною іонізацією, особливо на висотах 100-120 км (шар Е) і 200-400 км (шар F). Але й у проміжках між цими шарами ступінь іонізації атмосфери залишається дуже високою. Положення іоносферних шарів і концентрація іонів у них увесь час змінюються. Спорадичні скупчення електронів з особливо великою концентрацією називаються електронними хмарами.

           Від ступеня іонізації залежить електропровідність атмосфери. Тому в іоносфері електропровідність повітря в загальному в 1012 разів більше, ніж біля земної поверхні. Радіохвилі зазнають в іоносфері поглинання, заломлення і відбиття. Хвилі довжиною більш 20 м узагалі не можуть пройти крізь іоносферу: вони відбиваються вже шарами з невеликою концентрацією іонів у нижній частині іоносфери (на висотах 70-80 км). Середні і короткі хвилі відбиваються іоносферними шарами, що лежать вище. Саме внаслідок відбиття від іоносфери можливий далекий зв'язок на коротких хвилях. Багаторазове відбиття від іоносфери і земної поверхні дозволяє коротким хвилям зигзагоподібно поширюватися на великі відстані, огинаючи поверхню земної кулі. Оскільки положення і концентрація іоносферних шарів безупинно змінюються, змінюються й умови поглинання, відбитки і поширення радіохвиль. Тому для надійного радіозв'язку необхідне безупинне вивчення стану іоносфери. Спостереження над поширенням радіохвиль саме є засобом для такого дослідження.

          В іоносфері спостерігаються полярні сяйва і близьке до них за природою світіння нічного неба - постійна люмінісценція атмосферного повітря, а також різкі коливання магнітного поля - іоносферна магнітна буря. Колір полярного сяйва залежить від того, який газ піддається бомбардуванню корпускулярними частками. Так, наприклад, азот дає яскраво-червоний, синій і фіолетовий кольори, а кисень - зелений і рожевий.
           Іонізація в іоносфері зобов'язана своїм існуванням дії ультрафіолетової радіації Сонця. Її поглинання молекулами атмосферних газів призводить до виникнення заряджених атомів і вільних електронів, про що говорилося раніше. Коливання магнітного поля в іоносфері і полярні сяйва залежать від коливань сонячної активності. З змінами сонячної активності пов'язані зміни в потоці корпускулярної радіації, що йде від Сонця в земну атмосферу.
Температура в іоносфері зростає з висотою до дуже великих значень. На висотах біля 800 км вона досягає 1000°С. Говорячи про високі температури іоносфери, мають на увазі те, що частки атмосферних газів рухаються там із дуже великими швидкостями. Однак щільність повітря в іоносфері настільки мала, що тіло, що знаходиться в іоносфері, наприклад, штучний супутник, не буде нагріватися шляхом теплообміну з повітрям. Температурний режим супутника буде залежати від безпосереднього поглинання ним сонячної радіації і від віддачі його власного випромінювання в навколишній простір. Атмосферні шари вище 800-1000 км виділяються під назвою екзосфери (зовнішньої атмосфери). Швидкості руху часток газів, особливо легких, тут дуже великі, а внаслідок надзвичайної розрідженості повітря на цих висотах частки можуть облітати Землю по еліптичних орбітах, не зустрічаючись між собою.

           Окремі частки можуть при цьому мати швидкості, достатні для того, щоб перебороти силу тяжіння. Для незаряджених часток критичною швидкістю буде 11 200 м/с. Такі особливо швидкі частки можуть, рухаючись по гіперболічних траєкторіях, вилітати з атмосфери у світовий простір, зникати, розсіюватися, диссипувати. Тому екзосферу називають ще сферою розсіювання. Розсіюванню піддаються переважно атоми водню, що є пануючим газом у найбільш високих шарах екзосфери. Порівняно недавно вважали, що екзосфера, і з нею взагалі земна атмосфера, кінчається на висотах порядку 2000-3000 км. Але за допомогою спостережень з космічних ракет і супутників визначили, що водень, що зникає з екзосфери, утворює навколо Землі так звану земну корону, що простирається більш ніж до 20 000 км. Звичайно, щільність газу в земній короні мізерно мала. На кожний кубічний сантиметр тут приходиться в середньому усього біля тисячі часток. Але в міжпланетному просторі концентрація часток (переважно протонів і електронів) принаймні в десять разів менше.

           За допомогою супутників і геофізичних ракет встановлено існування у верхній частині атмосфери й у навколоземному космічному просторі радіаційного пояса Землі, що починається на висоті декількох сотень кілометрів і простягається ще на десятки тисяч кілометрів від земної поверхні. Цей пояс складається з електрично заряджених часток - протонів й електронів, захоплених магнітним полем Землі, які рухаються з дуже великими швидкостями. Їхня енергія - порядку сотень тисяч електрон-вольт. Радіаційний пояс постійно втрачає частки в земній атмосфері і поповнюється потоками сонячної корпускулярної радіації.

                              ПОГОДА І КЛІМАТ

        Погода - це фізичний стан атмосфери, що безперервно змінюється. Погода у даний момент у даному місці характеризується сукупністю значень метеорологічних елементів (величин). Це температура повітря, хмарність, атмосферні опади, вітер та ін. За деякий відтинок часу вона визначається послідовними змінами цих елементів або їх середніми значеннями за цей же час. 

        Зміни погоди біля земної поверхні мають велике значення для сільського господарства та багатьох інших галузей господарської діяльності людини. Погода у більш високих шарах атмосфери впливає на польоти авіації. При цьому треба мати на увазі, що атмосферні процеси на різних висотах пов'язані між собою. Тому для повноцінного вивчення погоди у земної поверхні необхідно вивчати і більш високі шари атмосфери.

        Клімат - це статистичний режим атмосферних умов (умов погоди), характерний для кожного даного місця на Землі в силу його географічного розташування. Цей режим дещо змінюється від одного багаторічного відтинку часу до іншого, причому такі зміни за історичний час носять характер коливань. Але ці коливання клімату достатньо малі і не заважають йому бути сталою географічною характеристикою даної місцевості.

           Існують три основних цикли атмосферних процесів, що визначають клімат. Це так звані кліматоутворюючі фактори - теплообіг, вологообіг та атмосферна циркуляція. Вони, в свою чергу, складаються з атмосферних процесів, що утворюють кругообіг води в природі.