Вертикальна будова атмосфери

У вертикальному напрямку атмосфера не однорідна. Ми уже виділяли гомосферу та гетеросферу за хімічним складом повітря. За вмістом озону виділяється озоносфера. Крім того, такі фізичні величини як температура, тиск, густина, вологість і склад повітря, вміст різних домішок, швидкість вітру найбільше змінюються у вертикальному напрямку. Так температура у нижній частині атмосфери зменшується в середньому на 6,5⁰ С на кожен кілометр піднесення. У горизонтальному напрямку зміна температури повітря на таку ж величину відбувається на відстані 500-600 км.

Тобто у вертикальному напрямку температура змінюється у 500 разів швидше, ніж у горизонтальному. Крім того, у різних шарах атмосфери спостерігаються різні особливості зміни температури. Тому Всесвітня метеорологічна організація в 1962 р. виділила п’ять основних сфер і чотири проміжні, які названо „паузами”, на основні зміни температури (мал.. 1).

Найнижчий шар атмосфери називається тропосфера. Середня товщина тропосфери поблизу полюсів 7-9 км, у помірних широтах 10-12 км, поблизу екватора 16-18 км. Її товщина змінюється протягом року: взимку вона менша. На її товщину впливає широта місцевості, а також циркуляція атмосфери – над областями високого тиску вона більша, над областями низького тиску – менша. Якраз для тропосфери характерне зниження температури на 0,65⁰ на кожні 100 м піднесення. Це зниження температури свідчить про радіаційний розподіл температури.

У тропосфері зосереджена основна маса атмосфери від 75 % у високих та помірних широтах, до 90 % у низьких. В ній зосереджено до 95 % маси водяної пари. Тут спостерігається інтенсивне перемішування повітря, утворюються усі основні хмари і виникають усі метеорологічні явища. Саме тут відбуваються усі процеси, які й визначають погоду та клімат місцевості.

Середня температура повітря на верхній межі тропосфери над екватором близько – 70⁰ С, над помірними широтами – 50-60⁰, над північним полюсом – 65⁰ С взимку та -47⁰ С влітку. Середня багаторічна температура повітря поблизу земної поверхні 15⁰ С.

За характером взаємодії між земною поверхнею у тропосфері виділяють граничний шар або шар тертя висотою до 1 -1,5 км. У цьому шарі швидкість вітру зменшується тим більше, чим ближче до земної поверхні. Вище цього шару земна поверхня уже не впливає на вітер. Крім того, у цьому шарі добре виражені добові зміни метеорологічних величин, особливо температури повітря.

Нижню частину граничного шару називають приземним шаром. Товщина цього шару 50-100 м. Внаслідок контакту цього шару безпосередньо із земною поверхнею тут спостерігаються найбільші добові зміни температури. Температура вдень швидко знижується при віддаленні від земної поверхні, а вночі часто підвищується.

Між тропосферою і наступною стратосферою існує перехідний шар, який називається тропопауза. Товщина тропопаузи змінюється від кількох сотень метрів до 1-2 км. Нижньою межею тропопаузи є рівень, де температура повітря з висотою починає підвищуватись, або не змінюється, або знижується дуже повільно.

Стратосфера – це шар атмосфери, що розташований над тропопаузою до висоти 50-55 км. У цьому шарі температура повітря з висотою в середньому спочатку не змінюється. Але починаючи з висоти 25 км температура повітря підвищується близько 2,8⁰ С на кожен кілометр висоти. Тому на верхній межі стратосфери середня річна температура повітря близько 0⁰ С із можливими відхиленнями в обидва боки на кілька градусів.

Ми вже згадували, що атмосферний озон в основному міститься в цьому шарі атмосфери. Він активно засвоює ультрафіолетову радіацію. Це і є головною причиною підвищення температури в стратосфері.

Водяної пари в стратосфері дуже мало. Але на висоті 23-28 км у високих широтах інколи спостерігаються так звані перламутрові хмари, які складаються з переохолоджених крапель води. Вдень їх не видно, а вночі вони ніби світяться, оскільки підсвічуються променями Сонця, яке перебуває під горизонтом.

Перехідний шар між стратосферою і мезосферою називається стратопаузою, який ще вивчений недостатньо.

Мезосфера або середня сфера – шар атмосфери, що розташований над стратосферою до висоти 85-95 км. Тут температура повітря з висотою знову знижується на 3,5⁰ С на кожен кілометр висоти. Тому поблизу верхньої межі середня температура змінюється від -85 до -90⁰ С. На висоті 82-85 км інколи спостерігаються легенькі сріблясті хмари, які складаються з дуже дрібних кристаликів льоду. Вони також вночі підсвічуються променями Сонця. Ні перламутрові ні сріблясті хмари не впливають на стан атмосфери поблизу земної поверхні.

Термосфера або тепла сфера – це шар атмосфери, який розташований над мезопаузою і простягається до висоти близько 800 км. Температура повітря тут підвищується: на висоті 150 км вона досягає 220-240⁰ К, на висоті 200 км – 500⁰ К, а на верхній межі термосфери – близько 1000⁰ К. Температура підвищується тут головним чином в результаті засвоєння сонячної радіації киснем, який в результаті цього розкладається на атоми.

Слід пам’ятати, що частинки атмосферних газів рухаються тут з дуже великими швидкостями, але густина повітря дуже мала. Тому температура тут характеризує лише кінетичну енергію руху молекул. Температура сторонніх тіл (супутники) визначається засвоєною сонячною радіацією та теплообміном з навколишнім середовищем.

Екзосфера – це зовнішня частина атмосфери, шар розсіювання, що простягається до так званої земної корони на висоті 20000-30000 км. Швидкість руху частинок газів дуже велика, але густина повітря зовсім мала. Частинки газів можуть облітати Землю за еліптичними орбітами і не зустрічатись між собою. У кожному кубічному сантиметрі повітря корони є близько тисячі частинок, а в міжпланетному просторі в десять разів менше. Температура повітря в цьому шарі підвищується до 2000⁰ К.

Атмосфера також не однорідна за ступенем концентрації іонів. Шар атмосфери товщиною до 60-90 км, в якому не заряджені частинки переважають над іонами, називається нейтросферою. Шар атмосфери товщиною від 60-90 км до 400 км, в якому спостерігається відносно велика концентрація позитивних молекулярних і атомних іонів та вільних електронів, називається іоносферою. Тут виділяють кілька шарів із максимальною іонізацією: шар D на висоті 60-90 км, шар Е – на висоті 90-160 км, шар F₁ – на висоті 160-200 км і шар F₂ – вище 200 км. Положення іоносферних шарів та концентрація іонів в них весь час змінюється. Від ступеня іонізації залежить електропровідність атмосфери. В іоносфері вона в 10¹² разів більша, ніж поблизу поверхні Землі. Радіохвилі в іоносфері поглинаються, заломлюються та відбиваються. Іменно внаслідок відбивання в іоносфері коротких радіохвиль можливий дальній радіозв’язок. Оскільки положення цих шарів і концентрація іонів постійно змінюються, то змінюються і умови поглинання, заломлення, відбивання та розповсюдження радіохвиль, а значить і якість зв’язку.

В іоносфері епізодично спостерігаються полярні сяйва та близьке до нього за природою світіння нічного неба, а також різкі коливання магнітного поля, так звані іоносферні магнітні бурі. Полярне сяйво – екзотичне епізодичне світіння нічного неба у високих широтах планети. Кольори свічення від голубувато-білого до жовто-зеленого, червонуватого та фіолетового спостерігається на висотах від 60 км до 1000 км. Явище виникає під дією бомбардування розрідженого повітря зарядженими частинками „сонячного вітру”, тобто потоками заряджених часточок (протони та електрони), які досягають земної атмосфери при спалахах на Сонці. Усе це залежить від коливання сонячної активності, від якої залежить інтенсивність корпускулярного випромінювання Сонця.

Шар верхньої атмосфери від стратосфери до термосфери ще називаються хемосферою (хімічною сферою), оскільки тут відбуваються фотохімічні реакції за участю кисню, озону, азоту, гідроксилу натрію тощо.