Воздушная оболочка Земли.

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, которая состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей {аэрозолей). Воздух у земной поверхности содержит (по объему) более 78 % азота N2, около 21 % кислорода 02 и менее 1 % остальных газов, в том числе 0,93 % аргона Аг и 0,03 % диоксида углерода С02 [11, 18, 24, 25]. Состав его почти везде одинаков и благодаря перемешиванию сохраняется до высоты 90—100 км, а выше преобладают более легкие газы. Вследствие фотохимических реакций на высоте 15—30 км образуется слой повышенного содержания озона 03 — озоновый экран, который задерживает губительную для живых организмов ультрафиолетовую радиацию. Количество водяного пара с удалением от поверхности быстро падает. На высоте 2 км его в 2 раза меньше, чем у поверхности, а выше 70—80 км он практически отсутствует. В атмосфере присутствуют твердые и жидкие примеси (пыль, сажа, пепел, кристаллики льда и морской соли, капельки воды, микроорганизмы, пыльца растений и проч.).

В соответствии с изменением температуры с высотой выделяют: тропосферу (до 15—17 км в тропиках и до 8—9 км над полюсами), стратосферу (до 50—55 км), мезосферу (до 80—82 км) и термосферу, постепенно переходящую в межпланетное пространство. В тропосфере и мезосфере температура с высотой понижается, а в стратосфере и термосфере, наоборот, повышается (рис. 8.4). По степени ионизации в атмосфере выделяют нейтро- сферу (до высоты 80—100 км) и сильно ионизированный слой — ионосферу (выше 80—100 км).

Рис. 8.4. Вертикальный разрез атмосферы, на котором показаны слои с различной температурой

Тропосфера содержит ⁴/₅ всей массы атмосферного воздуха. Здесь образуются облака и выпадают осадки. Атмосфера получает наибольшее количество теплоты от отраженной земной поверхностью солнечной радиации. Поэтому в тропосфере температура воздуха с высотой обычно понижается. Но если земная поверхность отдает воздуху больше теплоты, чем за то же время получает, она охлаждается, от нее охлаждается и воздух над ней, и в этом случае температура воздуха с высотой повышается. Это можно наблюдать летом в ночное время, зимой — над снежной поверхностью.

Средняя температура воздуха в нижнем двухметровом слое для всей Земли составляет +14 °С. Температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. В суточном ее ходе наблюдаются один максимум (после полудня) и один минимум (после восхода Солнца). От экватора к полюсам суточные амплитуды колебания температуры убывают; над сушей они всегда больше, чем над океаном. Амплитуды годовых колебаний температуры воздуха возрастают с увеличением широты; на экваторе они меньше суточных (1—2 °С над океаном и до 5 °С над сушей), в умеренных широтах от 10—15 °С над океаном до 60 °С и более над сушей; в полярных широтах годовые колебания температуры достигают 30-40 °С.

На Земле выделяют тепловые пояса, границы которых зависят от высоты Солнца, продолжительности дня, характера земной поверхности, переноса теплоты воздушными и океаническими течениями. Границы жаркого пояса экваториальных широт, где средняя годовая температура не опускается ниже +20 °С, совпадают с границами распространения пальм на суше и кораллов в океане. К жаркому поясу с севера и юга примыкают умеренные пояса, где средняя температура самых теплых месяцев — июля в Северном полушарии и января в Южном — составляет +10 °С. Это граница распространения лесов. В двух холодных поясах средняя температура самого теплого месяца колеблется между +10 °С и 0 °С. Это граница распространения тундры. За ней располагаются лежащие у полюсов пояса мороза, где средняя температура самого теплого месяца ниже 0 °С.

Давление атмосферы на подстилающую поверхность составляет в среднем 1,033 кг на 1 см² (больше 10 т на 1 м²). Давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, миллибарах и гектопаскалях (0,75 мм рт. ст. = 1 мб = 1 гПа). Максимальное атмосферное давление 816 мм рт. ст. зарегистрировано зимой в Туруханске, а минимальное — 641 мм рт. ст. — в урагане «Нэнси» над Тихим океаном. С высотой давление понижается: на высоте 5 км оно в 2 раза ниже нормального, на высоте 20 км — в 18 раз. Изменение давления объясняется перемещением воздуха вследствие его нагревания и охлаждения. Нагреваясь от поверхности, воздух расширяется и устремляется вверх. Достигнув высоты, на которой его плотность оказывается больше плотности окружающего воздуха, он растекается в стороны. Поэтому давление на теплую поверхность понижается, а на соседние участки — увеличивается.

В экваториальных широтах давление всегда пониженное, так как нагревающийся от поверхности воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт, создавая там область повышенного давления. Над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде давление повышенное. Его создает воздух, приходящий из умеренных широт на место уплотнившегося холодного воздуха. Отток воздуха в полярные широты — причина понижения давления в умеренных широтах. В результате формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного (тропические и полярные) давления.

Воздух перемещается в горизонтальном направлении (ветер). Средняя многолетняя скорость ветра у земной поверхности

4—9 м/с. Максимальная наблюдается у побережья Антарктиды — 22 м/с с порывами до 100 м/с. С высотой скорость ветра возрастает, достигая сотен метров в секунду. Направление ветра определяется той стороной горизонта, с которой он дует, и зависит от распределения давления и отклоняющего действия вращения Земли. Воздух стремится перемещаться от большего давления к меньшему по кратчайшему пути, отклоняясь влево в Южном полушарии и вправо — в Северном (рис. 8.5). Схема поясов господствующих ветров осложняется влиянием материков и океанов, формированием сезонных минимумов и максимумов давления над сушей. На границе материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, летом — с океана на материк (муссонные ветры). В зависимости от характера рельефа, растительности, водоемов возникают местные ветры (бризы, фен, бора и т.д.).

В тропосфере постоянно образуются вихри из-за различного атмосферного давления и отклоняющего действия вращения Земли. В замкнутой области пониженного давления воздух устремляется к центру, отклоняясь вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. В центре он поднимается и растекается в стороны, тоже отклоняясь. Образуется восходящий вихрь — циклон, а у поверхности формируется область пониженного давления с циклической системой ветров (от периферии к центру). В замкнутой области повышенного давления формируется нисходящий вихрь — антициклон, ау поверхности — область повышенного давления с антициклической системой ветров (от центра к периферии). Циклоны и антициклоны особенно часто возникают в умеренных широтах. Диаметр их достигает 3—4 тыс. км при высоте до 18—20 км. Циклоны, возникающие в тропических широтах (тайфуны, ураганы), отличаются большей скоростью ветра. Разрушительной силой обладают сравнительно небольшие вихри (смерчи и торнадо).

Рис. 8.5. Пояса давления и господствующие ветры [18]

Вода в атмосфере содержится в виде пара, капелек и кристалликов. Процентное отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может содержаться при данной температуре, именуется относительной влажностью. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с поверхности. При понижении температуры в атмосфере может начаться конденсация, которая проявляется в виде росы, инея, тумана, облаков. Различают облака перистые (облака верхнего яруса — выше 6000 м; они полупрозрачные, ледяные; осадки из них не выпадают); слоистые (среднего яруса — от 2000 до 6000 м и нижнего — менее 2000 м), которые в основном и дают осадки, обычно длительные, обложные; кучевые (могут образовываться в нижнем ярусе и достигать очень большой высоты; с ними связаны ливни, град, грозы). Наибольшая облачность наблюдается в областях пониженного давления; наименьшая — в областях повышенного давления. Над океаном она больше, чем над сушей, так как здесь в воздухе больше влаги. Абсолютный максимум облачности — над Северной Атлантикой, абсолютный минимум — над Антарктидой и тропическими пустынями. Облака задерживают солнечную радиацию, идущую к земной поверхности, отражают и рассеивают ее, а также задерживают тепловое излучение земной поверхности.

Выпадающие осадки могут быть жидкими (дождь) и твердыми (снег, крупа, град). Осадки измеряются слоем воды (в миллиметрах), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм осадков, из них почти половина — в экваториальных широтах. В направлении от экваториальных широт к тропическим количество осадков убывает. В умеренных широтах их количество снова увеличивается, в полярных — убывает. Над океаном осадков выпадает больше, чем над сушей, над холодными течениями осадков меньше, чем над теплыми. На характер распределения осадков на суше влияют удаленность от океана и рельеф земной поверхности. Больше всего осадков на наветренных склонах гор, с высотой их количество убывает, причем выше снеговой линии твердые осадки не успевают таять и накапливаются в виде снежников и ледников. Благодаря малой теплопроводности снег предохраняет почву от промерзания, растения — от гибели; в нем накапливаются запасы воды, расходуемые летом. Талые воды пополняют запасы грунтовых вод, озер и рек. Абсолютный максимум осадков зарегистрирован в Черапунджи (Индия) — 26 461 мм/год, абсолютный минимум — в пустынях Атакама и Ливийская, где осадки выпадают не каждый год. Но только по количеству выпадающих осадков нельзя судить об обеспеченности территории влагой — увлажнении. Необходимо учитывать возможное испарение (испаряемость), которое зависит от количества солнечной радиации: чем радиации больше, тем больше может испариться влаги. По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области.

Атмосфера Земли представляет собой взаимосвязанную систему движущихся объемов воздуха. Большие объемы воздуха в тропосфере, обладающие примерно одинаковыми свойствами, называются воздушной массой. Для нее характерно общее направление перемещения. Свои свойства (температуру, влажность, запыленность) воздушная масса приобретает, соприкасаясь с подстилающей поверхностью, над которой задерживается. Выделяются главные (зональные) типы воздушных масс, формирующиеся в широтных поясах с разным атмосферным давлением: экваториальная — теплая и влажная; две тропические — теплые и над материками сухие; две воздушные массы умеренных широт — менее теплые и более влажные, чем тропические, но более теплые и влажные, чем арктическая и антарктическая; арктическая и антарктическая — холодные и сухие. Кроме поясов постоянного пребывания воздушных масс возникают пояса, в которых зимой господствует одна воздушная масса, летом — другая. Например, умеренный воздух формируется из тропического и арктического (антарктического).

Все воздушные массы связаны между собой общей циркуляцией в тропосфере. Внутри главных (зональных) типов воздушных масс существуют континентальный (материковый) и океанический (морской) подтипы. Главными факторами циркуляции выступают лучистая энергия Солнца, вращение Земли вокруг оси и характер земной поверхности.