Строение и состав атмосферы

Плотность атмосферного воздуха снижается с удалением от земной поверхности. У поверхности земли плотность сухого воздуха составляет 1293 г/м³. На высоте 100 км плотность менее 0,001 г/м³.

В метеорологии используется внесистемная единица давления – миллибар: 1 мб равен 100Па.

Давление быстро падает с высотой. Если у поверхности Земли оно равно 1013 мб, то на высоте 50 км – 1,0 мб, а на высоте 100 км –менее 0,001 мб.

Средняя глобальная температура на поверхности Земли равна примерно 15⁰С (298⁰К). С учетом особенностей изменения температуры и других характеристик с высотой, в атмосфере выделено несколько слоев .

В самой нижней части атмосферы — тропосфере, где наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание, температура убывает с увеличением высоты, причём уменьшение температуры по вертикали составляет в среднем 6° на 1 км (0.6 град/100 м). Высота тропосферы изменяется от 8—10 км в полярных широтах до 16—18 км у экватора. В пределах тропосферы образуются облака, их которых выпадают осадки.

Над тропосферой расположен переходный слой — тропопауза с температурой 190—220 K, выше которой начинается стратосфера. В нижней части стратосферы уменьшение температуры с высотой прекращается, и температура остаётся приблизительно постоянной до высоты 25 км — т. н. изотермическая область (нижняя стратосфера); выше температура начинает возрастать — область инверсии (верхняя стратосфера). Температура достигает максимума ~ 270 K на уровне стратопаузы, расположенной на высоте около 55 км.

Слой атмосферы, находящийся на высотах от 55 до 80 км, где вновь происходит понижение температуры с высотой, получил название мезосферы. Над ней находится переходный слой — мезопауза, выше которой располагается термосфера, где температура, увеличиваясь с высотой, достигает очень больших значений (св. 1000 K). Ещё выше (на высотах ~ 1000 км и более) находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство и где происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Химический состав. Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода. Атмосфера Земли содержит также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные в переменные компоненты.

Водяной пар – наиболее важная переменная составная часть атмосферы. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах — у земной поверхности от 3% в тропиках, до 2´10^-5 % в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поскольку его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах — около 1,6—1,7 см «слоя осажденной воды». Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега. Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере. Именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20—30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака обычно закрывают около 50% всей земной поверхности.

Чем ниже температура, тем меньше в воздухе может содержаться пара. При понижении температуры избыток пара конденсируется, и влагосодержание атмосферы уменьшается. Образование облаков и выпадение осадков связанно с испарением воды с поверхности Земли, подъемом водяного пара в холодные слои атмосферы и последующей его конденсацией.

Наибольшее количество пара в воздухе называется влажностью насыщения или максимальной упругостью водяного пара, выражается либо в г/м³ (А).

Относительная влажность воздуха (в процентах), равна отношению массы пара, реально содержащегося в воздухе, к максимальной упругости.

10. Циркуляционные факторы загрязнения атмосферы

За направление ветра принимается то направление, откуда он дует. Например: западный ветер дует с запада на восток, и т.д. Направление ветра характеризует роза ветров (рис. 2.2). Предприятия, загрязняющие атмосферу, следует размещать таким образом, чтобы ветры, направленные в сторону жилых массивов, имели наименьшую повторяемость.

Скорость ветра можно характеризовать, используя шкалу Бофорта (табл. 2.3). От скорости ветра зависит интенсивность перемешивания загрязнений с объемами воздуха: чем больше скорость ветра, тем меньше концентрация загрязнений, поскольку эти загрязнения будут распределяться в большем объеме воздуха. Экологическая обстановка в населенном пункте, в котором атмосферный воздух загрязняется промышленными выбросами, ухудшается при уменьшении скорости ветра.

Рис. 2.2. Роза ветров, показывает повторяемость (%) ветров различных направлений

Таблица 2.3

Шкала Бофорта для глазомерной оценки скорости ветра

Циркуляция атмосферы– это система крупномасштабных воздушных течений над Земным шаром. Если воздушная масса приходит с юга, она приносит тепло, если с севера – холод.

Перемещение воздушных масс вызвано неравномерностью нагрева поверхности земного шара радиацией Солнца. Атмосферное давление над нагретыми районами снижается, так как нагретый воздух расширяется, занимая больший объём. Над холодными районами Земли воздух сжимается и атмосферное давление повышается. Сила барического градиента, приводящая воздух в движение, направлена из области высокого давления в область низкого давления по нормали к изобарам (линиям, соединяющим точки с равным давлением).

Уже в XVII и XVIII веках первые исследования распределения атмосферного давления на Земном шаре показали, что над холодными районами полюсов давление повышено, а на жарком экваторе – понижено. Следовательно, тяжелый и холодный воздух должен двигаться в приземном слое атмосферы в направлении от полюсов к экватору. По мере приближения к экватору воздух прогревается, становится более легким, поднимается в верхние слои тропосферы и перемещается в сторону полюсов. Следовательно, циркуляция атмосферы представлялась следующей: в приземном слое воздух перемещается от полюсов к экватору, а в верхней тропосфере – от экватора к полюсам.

Помимо областей высокого давления в районе полюсов Земли и низкого в районе экватора, выделяются две области повышенного давления в районах 30-35⁰ северной и южной широты, и две области высокого давления в районах 60-65⁰ северной и южной широты (рис. 2.3).

Французский учёный Кориолис показал (1838 г), что вследствие вращения Земли все движущие тела в северном полушарии отклоняются вправо, а в южном влево. Под влиянием силы Кориолиса атмосферный воздух в северном полушарии отклоняется вправо от направления силы барического градиента, а в южном – влево. Глобальное распределение ветров учитывает распределение давления на Земном шаре и действие силы Кореолиса (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема глобального распределения атмосферного давления и направлений ветраЗемном шаре. Обозначения:

“-“ давление меньше нормального;

“+” давление больше нормального.

Помимо относительно постоянных ветров, на Земле наблюдаются и сезонные ветры, связанные с неодинаковым прогревом суши и моря. Летом суша прогревается сильнее моря, поэтому давление над сушей меньше, а над морем больше. Следовательно, ветры дуют с моря на сушу. Зимой – наоборот. Эти сезонные ветры называют – муссоны. Системы различных циркуляций складываются алгебраически. Если направление совпадает, то общая циркуляция усиливается, если не совпадает – ослабляется или меняет знак.