Слои атмосферы Земли¶

Слои атмосферы — это условно выделяемые по вертикали области газовой оболочки Земли, различающиеся температурой, плотностью, химическим составом и характером физических процессов. Атмосфера не имеет резкой верхней границы: её плотность плавно убывает с высотой, и разные исследователи проводят условную границу на отметках от 100 до 1000 км и выше. Разделение на слои основано главным образом на характере изменения температуры с высотой, а также на преобладающих физико-химических процессах.

¶Общая характеристика

Атмосфера Земли удерживается силой тяжести планеты. Основную часть её массы составляет азот (около 78 %) и кислород (около 21 %); на аргон, углекислый газ, водяной пар и прочие газы приходится менее 1 %. Около 99 % массы атмосферы сосредоточено в пределах первых 30–35 км. Давление и плотность воздуха с высотой быстро падают: на высоте 5,5 км давление примерно вдвое меньше, чем на уровне моря, а на высоте около 100 км — в миллионы раз.

По температурному профилю атмосферу принято делить на пять основных слоёв: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Между ними выделяют переходные зоны — тропопаузу, стратопаузу, мезопаузу и термопаузу.

¶Тропосфера

Тропосфера — нижний и наиболее плотный слой, простирающийся от поверхности Земли до высоты в среднем 8–10 км в полярных широтах и 16–18 км над экватором. В ней сосредоточено около 80 % всей массы атмосферы и почти весь водяной пар. Температура здесь убывает с высотой в среднем на 6,5 °C на каждый километр. Именно в тропосфере формируются облака, осадки, циклоны и антициклоны, происходит основная часть погодных явлений. Верхняя граница слоя — тропопауза — характеризуется минимальной температурой и относительной устойчивостью.

¶Стратосфера

Стратосфера расположена примерно от 11 до 50 км. В нижней её части температура меняется слабо, а начиная с высоты около 20 км возрастает с высотой, достигая у стратопаузы значений, близких к 0 °C. Такой рост температуры связан с поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном. Озоновый слой — ключевая особенность стратосферы — располагается преимущественно на высотах 20–30 км и защищает биосферу от жёсткого ультрафиолета. В стратосфере почти нет водяного пара, а вертикальные движения воздуха ослаблены; здесь летают высотные самолёты и стратостаты.

¶Мезосфера

Мезосфера занимает высоты от 50 до 80–85 км. Температура в ней вновь понижается с высотой и у мезопаузы опускается до −80…−90 °C — это самое холодное место в атмосфере Земли. Плотность воздуха здесь уже очень мала, но достаточна для торможения метеорных тел: именно в мезосфере сгорает большинство метеоров. В верхней части мезосферы иногда наблюдаются серебристые облака — самые высокие облака в атмосфере.

¶Термосфера

Термосфера простирается от 80–90 км до 500–800 км. Температура в ней растёт с высотой и может достигать 1000–2000 °C, однако из-за крайне низкой плотности воздуха эта величина характеризует среднюю энергию частиц, а не нагрев тел. В термосфере происходит ионизация газов под действием солнечного излучения, что формирует ионосферу — область, отражающую радиоволны и обеспечивающую дальнюю радиосвязь. Здесь же наблюдаются полярные сияния. Нижняя часть термосферы иногда выделяется как гомосфера и гетеросфера — зона, где состав воздуха меняется с высотой.

¶Экзосфера

Экзосфера (сфера рассеяния) начинается на высоте около 500–800 км и постепенно переходит в космическое пространство. Плотность газа здесь настолько мала, что частицы почти не сталкиваются друг с другом; наиболее быстрые из них могут преодолевать земное притяжение и покидать планету. Водород и гелий — основные компоненты экзосферы. Именно этот слой является внешней границей атмосферы.

¶Классификация по составу и свойствам

Помимо температурной, применяют и другие классификации:

По однородности состава: гомосфера (до высоты около 100 км), где состав воздуха практически постоянен, и гетеросфера, где газы разделяются по массе.
По степени ионизации: нейтральная атмосфера и ионосфера.
По взаимодействию с излучением: озоносфера, поглощающая ультрафиолет.

¶Значение и изучение

Слоистое строение атмосферы определяет климат планеты, защиту от метеоритов и космической радиации, условия распространения радиоволн и полётов авиации. Изучением атмосферы занимаются метеорология, климатология, аэрология и физика атмосферы. Данные получают с помощью метеозондов, радиозондов, самолётов, ракет, спутников и наземных станций. Понимание структуры атмосферы важно для прогноза погоды, мониторинга озонового слоя и оценки изменений климата.

¶Интересные факты

Температурный минимум в мезопаузе и максимум в термосфере — следствие разных механизмов нагрева: поглощения ультрафиолета озоном и ионизации газов.
Давление воздуха на высоте 100 км примерно в миллион раз меньше, чем на уровне моря.
Серебристые облака в мезосфере видны только в сумерках, когда нижние слои уже в тени, а верхние ещё освещены Солнцем.
Полярные сияния возникают в термосфере на высотах 90–400 км при вторжении заряженных частиц солнечного ветра.

Источники: учебники по метеорологии и физике атмосферы, материалы Росгидромета, энциклопедические издания по наукам о Земле, данные Всемирной метеорологической организации.