Строение атмосферы Земли слоистое, а слои отличаются друг от друга физическими и химическими свойствами, важнейшими из которых являются температура и давление. На основании этого в атмосфере планеты выделяют – тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу.
С высотой плотность атмосферы меняется и на высоте $11$ км становится в $4$ раза меньше, чем в приземном слое. Рассмотрим слои атмосферы в зависимости от плотности, состава и свойств газов.
Тропосфера
В переводе с греческого языка термин «тропосфера» означает «поворот, изменение», что очень точно отражает её свойства. В пределах этого слоя происходит постоянное перемешивание воздуха и перемещение его в разных направлениях, поэтому только здесь наблюдаются туманы, дожди, снегопады и другие погодные явления.
Тропосфера является нижним слоем атмосферы, верхняя граница которой проходит на высоте $8-10$ км на полюсах и $16-18$ км – на экваторе. Мощность тропосферы может меняться в зависимости от сезона года. В летний период, когда воздух теплый верхний предел тропосферы поднимается выше.
В этом слое содержится до $80\%$ всей массы атмосферы и почти весь водяной пар, что говорит о её плотности и массивности. В тропосфере температура воздуха с высотой понижается через каждые $100$ м на $0,6$ градуса и, естественно, что у верхней границы она будет отрицательной. Принцип этот характерен только для тропосферы, потому что с ростом высоты температура воздуха начнет повышаться. На границе тропосферы и стратосферы выделяется зона, которая получила название тропопауза – в её пределах температура остается без изменений. Нижний слой тропосферы, получивший название приземного пограничного слоя, непосредственно контактирует с литосферой и играет огромную роль в циркуляции атмосферы. Именно здесь осуществляется водообмен – вода, взятая с поверхности суши и из океанов за $8-12$ дней возвращается обратно.
С тропосферой связано атмосферное давление у поверхности Земли, которое в норме соответствует $1000$ миллибар. Давление в $1013$ миллибар является эталоном и составляет одну «атмосферу». С высотой происходит стремительное снижение давления и на $45-ти$ километровой отметке оно падает до $1$ мБара.
Стратосфера
В переводе с греческого языка стратосфера означает «настил, слой», который находится выше тропосферы и простирается до высоты $50-55$ км.
Для стратосферы характерна незначительная плотность и давление воздуха. Воздух разрежен, но представлен теми же газами, что и тропосфера. В этом слое водяной пар почти отсутствует. С высотой давление в стратосфере понижается – если в нижней части слоя давление в $10$ раз меньше приповерхностного, то в его верхней части меньше уже в $100$ раз. На высоте $15-30$ км появляется газ озон, поглощающий коротковолновую часть солнечной энергии, в результате чего происходит нагревание воздуха и в нижней части тропосферы температура возрастает до $+56$ градусов, а на границе с мезосферой достигает $0$ градусов. Нагрев прекращается в стратопаузе.
Мезосфера
Данный слой располагается над стратосферой и простирается до высоты $80$ км. Плотность воздуха здесь в $200$ раз меньше, чем у поверхности Земли, а температура понижается до – $90$ градусов. Это самое холодное место на планете, здесь в верхнем слое мезосферы воздух охлаждается до – $143$ градусов. Из всех слоев атмосферы мезосфера изучена менее всего. Давление газов экстремально низкое и ниже поверхностного от $1000-10000$ раз. В результате этого движение воздушных шаров ограничено, они просто зависают на месте, потому что их подъемная сила доходит до нуля. Подобная ситуация происходит и с реактивными самолетами, поэтому в мезосфере летать могут только ракеты или самолеты с ракетными двигателями. Например, ракетоплан Х-15. Он считается самым быстрым самолетом в мире, но рекордный его полет длился всего $15$ минут. Аппараты, исследующие мезосферу, находиться на заданной высоте могут ограниченное время – они улетают выше или падают вниз. Проблематичным является исследование мезосферы со спутников и суборбитальных зонтов, т.к. даже низкое давление тормозит и даже сжигает космические аппараты.
Основная часть метеоров сгорает в этом слое атмосферы, метеорит, заходя в атмосферу Земли под острым углом, и, имея скорость $11$ км/ч, загорается от силы трения. Космическая пыль от сгоревших метеоритов ежедневно оседает на поверхность, оставляя от $100-10$ тысяч тонн метеоритного вещества.
Термосфера
Она располагается выше мезосферы и поднимается до высоты $800$ км. Термосфера характеризуется процессами поглощения и преобразования ультрафиолетового и рентгеновского излучений.
На высоте $100$ км проходит условная граница между Землей и космосом – это так называемая линия Кармана. Нижняя граница термосферы совпадает с этой линией. В термосфере есть небольшое количество газов, которые вращаются вместе с Землей, но выше линии Кармана газов становится очень мало, поэтому любой полет за пределами $100$ километровой отметки, принято считать космическим. Температура здесь снова растет и на высоте $150$ км достигает $ 220$ градусов, а на высоте $ 400$ км – достигает максимума в $ 1800$ градусов. В центральной части термосферы давление в $1$ млн. раз меньше концентрации воздуха у поверхности Земли. Отдельно взятые частицы имеют очень большую энергию, но огромные расстояния между собой. В результате получается, что космические аппараты находятся в вакууме.
В пределах термосферы выделяется ионосфера, где под действием коротковолновой солнечной радиации отдельные электроны отрываются от оболочек атомов и возникают слои заряженных частиц. В результате небольшой плотности воздуха, солнечные лучи рассеиваются и на черном небе ярко светят звезды. В ионосфере образуются мощные электрические токи, вызывающие нарушения магнитного поля Земли и возникают полярные сияния.
Фактически термосфера представляет собой открытый космос, в её пределах проходила орбита первого советского спутника. На этой же высоте работают многие искусственные спутники, изучающие поверхность Земли, океаны и атмосферу.
Экзосфера
Этот слой атмосферы означает «сфера рассеивания», потому что граничит с космосом и является воздухом, рассеивающимся в межпланетное пространство. Слой состоит из атомов водорода, который является легчайшим элементом. Могут также попадать атомы кислорода и азота, но они сильно ионизированы солнечным излучением.
Экзосфера находится на высоте от $800-3000$ км и имеет температуру свыше $2000$ градусов. Газы этой сферы представлены водородом и гелием, скорость движения которых близка к критической и составляет $11,2$ км/с.
В результате этого отдельные частицы могут преодолеть земное притяжение и уйти в космическое пространство.
Экзосфера по своим размерам слой небольшой и перерастает в корону Земли, растянувшуюся до $100$ тыс. км от планеты.
В жизни планеты роль атмосферы исключительно велика – Земля была бы без неё просто мертва. С атмосферой связаны все погодные явления, а с ними связана деятельность человека. Являясь посредником между Землей и космосом атмосфера служит мощной броней для железо-каменных метеорных потоков. Благодаря этой воздушной оболочке на Земле дует ветер, выпадают осадки, возникают сумерки и полярные сияния, происходит непрерывный обмен теплом и влагой с живой поверхностью.
