Физическая атмосфера и её определение¶

Физическая атмосфера — это газообразная оболочка небесного тела (планеты, спутника, звезды), удерживаемая гравитацией и вращающаяся вместе с ним. В узком смысле термин используется для обозначения воздушной оболочки Земли, однако физические принципы формирования и динамики атмосферы универсальны для всех объектов Солнечной системы и за её пределами. Атмосфера характеризуется составом, плотностью, температурным профилем и наличием таких явлений, как ветер, облачность и осадки.

¶Состав и строение

Химический состав атмосферы варьируется в зависимости от массы тела, его температуры и геологической активности. Для Земли основными компонентами являются азот (78,08 % по объёму), кислород (20,95 %), аргон (0,93 %) и углекислый газ (около 0,04 %). Следовые концентрации включают неон, гелий, метан, криптон и водород. В нижних слоях присутствует переменное количество водяного пара (от 0 до 4 %).

По вертикали атмосфера Земли разделяется на пять основных слоёв:

• Тропосфера — нижний слой (от 8–16 км), содержащий около 80 % массы атмосферы и почти весь водяной пар. Температура убывает с высотой в среднем на 6,5 °C на километр.
• Стратосфера — простирается до 50–55 км. Здесь расположен озоновый слой, поглощающий жёсткое ультрафиолетовое излучение. Температура растёт с высотой из-за поглощения солнечной радиации озоном.
• Мезосфера — от 50 до 85–90 км, самый холодный слой (до −90 °C). В ней сгорают большинство метеоров.
• Термосфера — от 85 до 600–800 км. Температура здесь возрастает до 1500 °C за счёт поглощения коротковолнового излучения, однако плотность газа крайне мала.
• Экзосфера — внешний слой, где лёгкие атомы (водород, гелий) могут преодолевать гравитационный захват и улетучиваться в космическое пространство.

Границы между слоями называются паузами (тропопауза, стратопауза и т. д.). Кроме того, выделяют гомосферу (до 100 км, где состав перемешан) и гетеросферу (выше, где газы разделяются по молекулярной массе).

¶Физические параметры

Ключевыми характеристиками атмосферы являются давление, плотность, температура и влажность. Атмосферное давление у поверхности Земли составляет в среднем 1013,25 гектопаскаля (760 мм ртутного столба) и экспоненциально убывает с высотой. Плотность воздуха на уровне моря при стандартных условиях равна примерно 1,225 кг/м³.

Температурный профиль атмосферы определяется балансом между поглощением солнечного излучения, собственным тепловым излучением планеты и вертикальным перемешиванием воздуха. Важным физическим параметром является также вертикальный температурный градиент — скорость изменения температуры с высотой, которая определяет устойчивость атмосферы и развитие конвекции.

¶Динамика атмосферы

Движение воздушных масс вызывается неравномерным нагревом поверхности планеты солнечным излучением и вращением небесного тела. На Земле это приводит к формированию глобальной циркуляции: пассатов, западных ветров умеренных широт и полярных восточных ветров. Вращение планеты порождает силу Кориолиса, отклоняющую потоки воздуха и формирующую циклоны и антициклоны.

Вертикальные движения воздуха связаны с конвекцией: нагретый у поверхности воздух поднимается, охлаждается, и при достижении точки росы водяной пар конденсируется, образуя облака и осадки. Энергетика атмосферы поддерживается в основном солнечной радиацией, а также теплом, выделяемым при конденсации водяного пара и при теплообмене с поверхностью.

¶Атмосферы других небесных тел

Физические принципы, описывающие земную атмосферу, применимы и к другим объектам. Венера обладает плотной углекислотной атмосферой с давлением у поверхности около 92 атмосфер и мощным парниковым эффектом, разогревающим поверхность до 460 °C. Марс имеет разрежённую атмосферу (давление около 0,6 % земного), состоящую преимущественно из углекислого газа, с частыми пылевыми бурями. Газовые гиганты — Юпитер и Сатурн — состоят в основном из водорода и гелия и не имеют твёрдой поверхности; их атмосферы переходят в жидкие слои без чёткой границы.

Спутники планет также могут обладать атмосферами: Титан (спутник Сатурна) имеет плотную азотную атмосферу с метановыми облаками и осадками, а Ио (спутник Юпитера) — крайне разрежённую сернистую атмосферу вулканического происхождения. У тел с малой массой и высокой температурой атмосфера отсутствует, поскольку тепловая скорость молекул превышает вторую космическую скорость (например, у Луны и Меркурия).

¶Значение атмосферы

Атмосфера выполняет защитную и регулирующую функции. Она поглощает и рассеивает солнечную радиацию, защищая живые организмы от жёсткого ультрафиолета и метеоритов. Парниковые газы (водяной пар, углекислый газ, метан) удерживают тепловое излучение, поддерживая среднюю температуру поверхности Земли около +15 °C; без атмосферы она составляла бы примерно −18 °C. Атмосфера также участвует в круговороте воды, переносе тепла и формировании климата и погоды.

¶История изучения

Первые инструментальные измерения атмосферного давления выполнил Эванджелиста Торричелли в 1643 году. Закон убывания давления с высотой был сформулирован Блезом Паскалем. В XVIII–XIX веках развивалась химия атмосферы: Антуан Лавуазье установил состав воздуха, Джон Дальтон сформулировал закон парциальных давлений. В XX веке началось систематическое исследование верхних слоёв с помощью радиозондов, ракет и спутников, что позволило построить полную модель вертикального строения атмосферы.

¶Источники

• Хргиан А. Х. «Физика атмосферы» — М.: Издательство Московского университета, 1986.
• Wallace J. M., Hobbs P. V. «Atmospheric Science: An Introductory Survey» — Academic Press, 2006.
• Матвеев Л. Т. «Курс общей метеорологии. Физика атмосферы» — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
• Большая российская энциклопедия, статья «Атмосфера Земли».