Основные свойства земной атмосферы

Полеты современных летательных аппаратов, использующих аэродинамические и аэростатические принципы, осуществляются в атмосфере земли. С этой точки зрения необходимо иметь представление как о структуре, так и основных ее характеристиках.

Атмосфера Земли представляет собой газовую оболочку, которая вращается с Землей как единое целое. Теоретическая толщина атмосферы (определяется притяжением молекул газа гравитационным полем Земли) составляет на полюсах 28 тыс. км, на экваторе – 42 тыс. км. Однако ее реальная высота не превышает 2...3 тыс. км над поверхностью.

Масса воздушной оболочки составляет 5,27·10¹⁸ кг и распределяется по высоте неравномерно: в нижних слоях до высоты 5,5 км находится половина, а на высотах до 20 км – 94% всей земной атмосферы. С изменением высоты характер и свойства атмосферы изменяются.

Слой воздуха до 100...110 км над поверхностью Земли, называемой гомосферой, имеет постоянный в процентном отношении объемный газовый состав: азота – 78,09%; кислорода – 20,95%; аргона – 0,93%; углекислого газа – 0,03%; неона – 1,8∙10^-3 %; гелия – 5,24∙10^-4 %; криптона – 1,0∙10^-4 %; водорода – 5,0∙10^-4 % и т.д. Ниже дается краткая характеристика некоторых газов с точки зрения влияния на процесс дыхания человека.

Азот – N₂, являясь балластным газом, не участвует в биологическом процессе жизнедеятельности организма и формирует, в основном, давление и плотность атмосферы. Однако он не может считаться безвредным при снижении барометрического давления и его выделении из крови в виде газовой фазы.

В атмосфере кислород может присутствовать в трех видоизменениях. Молекулярный кислород – О₂ обеспечивает все окислительные процессы в организме человека и определяет его энергетический баланс.

Атомарный кислород – О обладает высокой окислительной (в том числе и токсичной) способностью. В атмосфере Земли он существует на высотах более 100 км, поэтому в дыхательной смеси он отсутствует.

Озон – О₃, аллотропическое видоизменение кислорода, распространен на высотах 10...50 км с максимальной концентрацией на высоте 25...28 км. Он является сильным окислителем: обесцвечивает некоторые красители, убивает микроорганизмы. Озон относится к числу высокотоксичных веществ. Так при концентрациях:

- 0,0002…0,001 мг/л – появляется раздражение слизистой оболочки носа, горла, глаз;

- 0,002…0,01 мг/л – при вдыхании в течение одного часа возникает кашель, головная боль;

- свыше 0,02 мг/л – возникает пневмония и необратимый отек легких.

Инертный газ аргон – Ar не участвует в физиологическом процессе дыхания человека.

Углекислый газ – СО₂ продукт жизнедеятельности живых организмов и окисления органических веществ. Находясь в атмосфере, он поглощает значительную часть теплового излучения поверхности Земли и создает «парниковый эффект».

Рис.1.1. Изменение средней температуры воздуха по высоте атмосферы

Слой атмосферы, располагающийся над Землей выше 100 км, называется гетеросферой и характеризуется неоднородным составом газов. Основным компонентом гетеросферы до высот 800 км является атомарный кислород, на высотах более 900 км атмосфера состоит в основном из водорода и гелия. На больших высотах атмосфера плавно переходит в межпланетный газ (состоит из 76%водорода и 23% гелия).

В соответствии с изменением температуры по высоте атмосфера подразделяется на пять слоев (см. рис. 1.1): тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

Тропосфера (изменчивая область) распространяется до высот 8...10 км над полюсами, 10...12 км – над средними широтами и 16...17 км – на экваторе. Она характеризуется устойчивым падением температуры в 6,5°С на 1 км высоты, достигая на своей границе, значения -56,5°С. В тропосфере изменение основных параметров воздуха оценивается следующими зависимостями:

Т_H = Т ₀ – 0,0065 H;

P_H = P ₀ (1 – H / 44300)^5,256;

ρ _H = ρ₀ (1 – H / 44300)^4,256.

Здесь T, P и ρ соответственно температура, давление и плотность; H – высота в метрах. Индекс 0 соответствует значению параметров на уровне земли.

В связи с неравномерным нагревом поверхности Земли в тропосфере существует интенсивное перемещение слоев воздуха, как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях, что является причиной "болтанки" самолетов.

Стратосфера (слоистая область) распространяется до высот 50...55 км. В нижних слоях до высот 20....22 км температура воздуха постоянна и составляет -56,5°С. С дальнейшим ростом высоты – на верхней границе стратосферы температура воздуха возрастает до 0°С. В нижних слоях стратосферы встречаются горизонтальные струйные течения шириной в сотни километров, в пределах которых скорость потока достигает 100...150 км/ч. Из-за отсутствия вертикальных составляющих полет носит спокойный характер (без "болтанки").

Мезосфера (промежуточная область) простирается от 50 км до 80 км. С увеличением высоты температура снижается до -85°С на верхней границе.

На высоте около 50 км стратосфера отделена от мезосферы переходным слоем, называемым стратопаузой, которая характеризуется значением температурного максимума.

Термосфера составляет слой атмосферы от 80 до 800 км и характеризуется повышением температуры на 3...4°С на один км, достигая на верхней границе 700... 750°С, что вызвано ионизацией частиц газа, идущей с выделением тепла.

Экзосфера – слой выше 800 км над поверхностью Земли является переходной областью к межпланетному пространству. Эта зона характеризуется таким глубоким вакуумом, что газовые частицы почти не сталкиваются друг с другом. Экзосфера простирается до высоты 1100…1300 км с дальнейшим переходом в межпланетное пространство.