Общая характеристика верхней нейтральной атмосферы

 

3.1. Характерные высотные области нейтральной атмосферы [2,8]

 

Атмосфера нашей планеты служит средой обитания для различных форм жизни на ее поверхности и является переходной зоной между космическим пространством и Землей. Нижняя часть атмосферы постоянно изучается в рамках метеорологических программ, координируемых Всемирной метеорологической организацией. С появлением ракет и спутников стало возможным изучение верхней атмосферы, что послужило началом нового этапа в изучении атмосферы Земли.

Область, расположенная между поверхностью Земли и приблизительно 10 км (на экваторе 15-17 км), называется тропосферой и характеризуется убыванием уровнем температуры с высотой. Область, находящаяся выше (до 100 км), называется средней атмосферой. Эта область гораздо более чувствительна к воздействию внешних факторов - таких, как изменение солнечной активности либо выброс каких-либо веществ на некоторой высоте или на поверхности Земли. Выше 100 км начинается диффузионное разделение газовых составляющих атмосферы.

Одним из наиболее важных элементов средней атмосферы является озон - единственная компонента, способная эффективно поглощать солнечное ультрафиолетовое излучение в области 250-300 нм, предохраняя растения и животный мир от опасной радиации. Благодаря этому вопрос о стабильности озонового слоя (с максимумом, расположенным примерно на высоте 20-25 км) является одним из центральных в понимании физики средней атмосферы.

Имеются указания на то, что атмосфера Земли имеет вторичное происхождение (т. е. образовалась за счет постепенного выхода газов из внутренних частей планеты), а не первичное (связанное с формированием атмосферы непосредственно в период образования Земли). Нейтральную атмосферу условно разделяют на ряд высотных областей по характеру доминирующих в них процессов. Верхние границы некоторых из этих областей, называемые «паузами»; привязывают к особенностям высотного профиля температуры нейтрального газа (рис.3.1).

Тропосфера — самая нижняя область атмосферы с отрицательным высотным градиентом температуры (~5-10К/км), простирающаяся от поверхности Земли до тропопаузы, на которой градиент Т обращается в нуль. Высота тропопаузы максимальна на экваторе (~18 км), где ее температура минимальна (190 К), и минимальна у полюсов (~8 км) при температуре 220 К. В тропосфере формируются основные погодные явления.

Рис. 3.1 - Высотный ход температуры нейтрального газа и характерные высотные области нейтральной атмосферы

 

Стратосфера - область с положительным высотным градиентом температуры от тропопаузы до стратопаузы (50±5км), на которой температура достигает величины 270±20К. Рост температуры в стратосфере обусловлен наличием в ней слоя озона,
эффективно поглощающего солнечное ультрафиолетовое излучение. В связи с этим употребляется термин озоносфера, означающий область, примыкающую к максимуму концентрации озона, расположенному на высоте порядка 30 км. В противоположность тропопаузе у экваториальной стратопаузы температура выше, чем у приполюсной.

Мезосфера - область от стратопаузы до мезопаузы (85±5 км), в которой температура вновь падает с высотой, достигая на мезопаузе абсолютного минимума (~180 К).

Термосфера - область с положительным высотным градиентом
температуры, расположенная над мезопаузой. В термосфере с увеличением высоты рост температуры замедляется и, наконец, выше некоторой высоты, называемой термопаузой, прекращается, атмосфера становится изотермичной по высоте, испытывая, однако, вариации по горизонтальным координатам. Высота термопаузы минимальна при низкой солнечной активности (~200 км) и максимальна при высокой солнечной активности (~500 км). Соответствующие минимальные и максимальные значения температуры
в области изотермии составляют ~500 и ~2000 К при характерном среднем значении ~1200 К.

Существует также разделение атмосферы на области по характеру движений в них. Гомосфера - область от поверхности Земли до гомопаузы, или турбопаузы, расположенной на высотах около 100—110 км. В этой области эффективно турбулентное перемешивание, вследствие чего относительное содержание основных компонент атмосферы (химический состав) остается постоянным по высоте, исключая химически активные малые компоненты.

Гетеросфера область выше турбопаузы, где молекулярная диффузия преобладает над турбулентной (обычно высоту турбопаузы определяют как высоту, где сравниваются коэффициенты турбулентной и молекулярной диффузии). Процесс молекулярной диффузии в поле силы тяжести ведет к «всплыванию» легких компонент и увеличению их относительного содержания с ростом высоты, т. е. к изменению химического состава с высотой.

Экзосфера — область, в которой практически отсутствуют столкновения, вследствие чего возможно убегание достаточно быстрых частиц за пределы атмосферы. Основание этой области, лежащее на высотах ~400-800 км (в зависимости от солнечной активности), именуют экзобазой.