Строение атмосферы. 
Основные сведения о Земле как планете

Земля представляет собой одну из девяти больших планет, входящих в состав Солнечной системы. Солнце — звезда средней величины — служит единственным источником энергии, благодаря которой существует жизнь на Земле. Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца носит название плоскости эклиптики. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 660 34'. Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси по отношению к плоскости эклиптики происходит смена времен года.

В астрономии введено понятие о звездных (зв.) и солнечных (солн.) сутках. Год содержит около 365,25 солн. сут. Это означает, что за один год Земля совершает 365,25 оборота вокруг своей оси по отношению к Солнцу. Кроме того, пройдя за год всю орбиту, Земля сделает еще один оборот вокруг своей оси по отношению к неподвижным звездам. Поэтому один год равен 365,25 солн. сут, или 366,25 зв. сут. Отсюда 1 зв. сут равны 365,25/366,25 солн. сут. Угловая скорость суточного вращения Земли определяется как скорость вращения по отношению к неподвижным звездам.

Тщательная обработка астрономических наблюдений на нескольких обсерваториях за продолжительностью звездных суток, которые оцениваются при помощи независимых хранителей времени, позволила обнаружить годовые колебания длины суток. Такие изменения скорости вращения Земли обусловлены колебаниями в течение года скорости воздушных течений, горизонтальный масштаб (размер) которых сравним с размерами материков, океанов и всего полушария.

Совокупность таких воздушных течений носит название общая циркуляция атмосферы. При движении воздуха относительно поверхности Земли возникает сила трения, которая может или ускорять, или замедлять вращение твердой оболочки Земля. Этими колебаниями скорости ветра объясняется примерно 2/3 наблюдаемых изменений продолжительности суток в течение года. Возможно, оставшуюся 1/3 можно будет объяснить сезонными колебаниями сильных ветров в стратосфере. Известную роль в изменении угловой скорости вращения Земли играет также сезонное перераспределение масс воздуха между материками и океанами. Зимой избыточные массы воздуха скапливаются над материками, а летом над океанами. Поскольку материки и океаны распределены по земному шару неравномерно, перераспределение масс воздуха между ними приводит к изменению момента вращения Земли, а вместе с этим и угловой скорости.

Если бы Земля была вполне однородной или состояла из концентрических однородных слоев, то при отсутствии вращения вокруг своей оси она имела бы форму шара. Так как в действительности Земля вращается вокруг своей оси, то она деформировалась в сфероид, т. е. в малосплюснутый эллипсоид вращения. Однако истинная форма Земли несколько отлична от сфероида, что обусловлено неоднородностью земной поверхности и неравномерным распределением плотности во внутренних частях Земли эта сложная поверхность называется геоидом.

Принципы деления атмосферы на слои. Атмосфера по своим свойствам неоднородна. Изменяются такие физические величины, как температура, давление, плотность, состав и влажность воздуха, Содержание примесей и др. Наиболее резко они меняются по вертикали. В основе деления атмосферы по вертикали на слои лежат различные принципы, например, термический режим, состав воздуха, взаимодействие с земной поверхностью, влияние на летательные аппараты.

По принципу изменения температуры воздуха с высотой атмосферу принято делить на 5 слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера.

По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу (до 95 км) и гетеросферу. В первом слое относительный состав основных газов и относительная молекулярная масса воздуха практически не изменяются с высотой. В гетеросфере наряду с молекулярным азотом и кислородом появляются атомные кислород и азот. Поэтому относительная молекулярная масса воздуха в гетеросфере уменьшается с высотой. По этому же признаку в атмосфере выделяют озоносферу (20−55 км), в которой сосредоточена основная масса озона.

Начиная с высоты 50−60 км в атмосфере резко увеличивается содержание заряженных частиц (ионов и электронов). Вследствие этого слой атмосферы, расположенный выше указанного уровня, называют ионосферой. Внешняя часть атмосферы, где взаимные столкновения частиц редки и преобладающая их часть заряжена, составляет радиационный пояс Земли, В пределах радиационного пояса заряженные частицы совершают сложные колебательные движения вдоль силовых линий магнитного поля Земли и обладают значительными энергиями. Граница радиационного пояса со стороны освещенной части земной поверхности в плоскости геомагнитного экватора лежит на расстоянии 10—12 радиусов Земли (считая от центра Земли). В неосвещенной части она несколько ближе к Земле (9 — 10 радиусов).

Причиной ионизации в ионосфере является диссоциация молекул атмосферных газов при поглощении ультрафиолетовой и рентгеновой радиации Солнца, также под действием корпускулярной радиации — космической, солнечной и заключающейся в радиационном поясе Земли.

По признаку взаимодействия атмосферы с земной поверхностью атмосферу делят на пограничный слой (иногда называемый также слоем трения) и свободную атмосферу. В пограничном слое (высотой до 1- 1,5 км) на характер движения большое влияние оказывают земная поверхность и силы турбулентного трения. В этом слое хорошо выражены суточные изменения метеорологических величин. Внутри пограничного слон выделяется приземный слой атмосферы (высотой 50 -100 м), в пределах которого метеорологические величины (температура, скорость ветра, удельная влажность).

Для получения сведений о физических свойствах и строении атмосферы используются различные методы исследовании. Все они разделяются на прямые и косвенные. К прямым методам исследования атмосферы методы исследования атмосферы с помощью радиозондов, аэростатов.

Тропосфера, стратосфера и мезосфера. Характерной особенностью тропосферы является падение температуры с высотой. Среднее значение вертикального градиента температуры в тропосфере около 0,650/100м с возможными отклонениями средних значений до 0,3° С/100 м в ту и другую сторону. Значения же вертикального градиента в фиксированный момент времени в разных точках могут изменяться в широких пределах — от положительных значений порядка десятков градусов на 100 м до таких те отрицательных значений. В тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются Осадки, грозовая деятельность. В ней сосредоточена основная масса атмосферы от 75% в умеренных и высоких широтах до 90% в низких.

Характерное для тропосферы падение температуры на некоторой высоте может прекращаться. Сначала падение температуры замедляется, а затем переходит в изотермическое распределение. Слой атмосферы, характеризующийся замедленным падением температуры < 0,20С/100 м), постоянством или ростом температуры с высотой, носит название стратосфера. Границы стратосферы в среднем располагаются на высотах 11 и 50 км; переходный слой от тропосферы к стратосфере называют тропопаузой. Выше тропопаузы температура чаще всего или не изменяется с высотой (= 0), или слабо растет (< 0).

В мезосфере — слое атмосферы расположенном над стратосферой, наблюдается в среднем падение температуры с высотой. Средняя температура переходного слоя — стратопаузы (на высоте 45−55 км) близка к 00 с возможными отклонениями в ту или другую сторону на 200. Вблизи верхней границы мезосферы (на высоте 90 км) температура летом составляет в умеренных широтах -900, зимой — около-500.выше менопаузы — в термосфере температура снова падает.

Облака. Морфологическая классификация облаков включает описание внешнего вида облаков, а также указания на высоту их нижней границы (основания). В зависимости от высоты основания все облака принято делить на четыре семейства:

А. Облака верхнего яруса (высота НГО >6 км);

Б. Облака среднего яруса (высота НГО 2−6 км);

В. Облака нижнего яруса (высота НГО < 2 км);

Г. Облака вертикального развития; высота основания этих облаков, как правило, меньше 2 км, однако их вершина может находиться на любой высоте в пределах тропосферы.

Каждое из семейств включает несколько форм (родов) облаков, которые в свою очередь подразделяются на несколько видов и разновидностей. Фотографии наиболее часто наблюдаемых форм, видов и разновидностей облаков и их описание составляют содержание «Международного атласа облаков». Наименования облаков по международной классификации —латинские.

Общее число форм облаков (во всех четырех семействах) равно 10. Семейство облаков верхнего яруса включает три формы: перистые (С1), перисто-кучевые (Сс) и перисто-слоистые (Сs); семейство облаков среднего яруса — две формы: высоко-кучевые (Ас) и высоко-слоистые (Аs); семейство облаков нижнего яруса — три формы: слоисто-кучевые (Sс), слоистые (St) и слоисто-дождевые (Ns); семейство облаков вертикального развития — две формы: кучевые (Сu) и кучево-дождевые (Сb).

В природе нередко встречаются переходные формы облаков или наблюдается сочетание нескольких форм (видов, разновидностей) облаков.

В стратосфере на высотах 22—27 км образуются так называемые перламутровые облака. В верхней мезосфере на высотах 82—85 км наблюдаются в летнее время, когда здесь наиболее низкие температуры, так называемые серебристые (или мезосферные) облака. Это очень тонкие облака, настолько прозрачные, что через них хорошо видны звезды. Прежде полагали, что эти облака образуются из вулканической пыли. В настоящее время исследователи считают, что происхождение серебристых облаков аналогично происхождению перистых облаков. Выше 85 км (в области мезопаузы) стратификация атмосферы сильно устойчивая, что способствует накоплению водяного пара. Здесь при очень низких температурах сравнительно небольшая концентрация пара оказывается достаточной для того, чтобы произошла сублимация.