Атмосфера с точки зрения теории климата
С точки зрения теории климата атмосфера характеризуется главным образом массой и химическим составом. В настоящее время земная атмосфера содержит около одной миллионной доли массы всей Земли. С высотой плотность воздуха быстро убывает, так что три четверти массы атмосферы находятся ниже 10 км, 90% — ниже 15 км, 99% — ниже 30 км, 99,9% — ниже 50 км.
Сухой воздух состоит из 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, около 0,03% углекислого газа и малых количеств благородных газов и водорода. Важную роль в формировании погоды и климата играют так называемые земные термодинамически активные примеси (ТАП) — переменные составные части атмосферы, способные влиять на состояние воздуха и распределение по атмосфере притоков тепла.
Важнейшей ТАП в атмосфере Земли является вода, содержание которой, главным образом в виде водяного пара, в среднем равно 12,4 триллиона т (что эквивалентно слою осажденной воды в 24 мм, так что при среднем годовом количестве испарения и осадков в 780 мм водяной пар в атмосфере обновляется 32 раза в год, или каждые 11 дней). Водяной пар способен конденсироваться или сублимироваться на имеющихся в атмосфере частицах, образуя облака и туманы (с выделением больших количеств скрытого тепла). Насыщающая концентрация пара растет с температурой и обратно пропорциональна давлению; при нормальном давлении на уровне моря она меняется от 0,0236% при -30° С до 0,611% при 0° С и 4,24% при 30° С.
Водяной пар и особенно облачность резко влияют на потоки коротковолнового и длинноволнового излучения в атмосфере, внося, в частности, большой вклад в парниковый эффект, т. е. в способность атмосферы пропускать солнечную радиацию до подстилающей поверхности, но поглощать собственное тепловое излучение подстилающей поверхности и нижележащих атмосферных слоев (благодаря этому эффекту температура в атмосфере растет с глубиной и ее нижние слои оказываются теплыми).
Наконец, облака способны к неустойчивости со слипанием облачных частиц и выпадением осадков (эти процессы происходят быстрее, чем испарение влаги с подстилающей поверхности, вследствие чего атмосфера в целом далека от насыщения водяным паром, несмотря на то, что две трети ее нижней границы образованы поверхностью воды). Водяные облака и осадки являются специфической особенностью погоды на Земле.
Другими ТАП в атмосфере являются углекислый газ (вносящий вклад в парниковый эффект), озон и взвешенные частицы (аэрозоль). Озон в атмосфере содержится в переменном количестве, порядка одной миллионной доли, в основном на высотах 10—30 км, где он образуется из молекулярного кислорода в результате фотохимических процессов под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. Почти вся ультрафиолетовая радиация, губительная для живых организмов, при этом поглощается, так что озон обеспечивает существование жизни на суше. Аэрозоль может рассеивать солнечную радиацию, уменьшая прямую радиацию на подстилающей поверхности, но зато увеличивая рассеянную и, по-видимому, мало меняя их сумму. Однако он может и поглощать солнечную радиацию и, переизлучая инфракрасную, увеличить парниковый эффект. Эти процессы изучены еще недостаточно.
Средняя температура воздуха у земной поверхности в наше время равна 15° С. В нижних 10 км атмосферы она уменьшается с высотой на 6,5° С за каждый километр, выше (в стратосфере) остается приблизительно постоянной, около —50° С, а еще выше, где атмосфера становится чрезвычайно разреженной, температура растет. До 105— 120 км благодаря перемешиванию атмосфера однородна по составу, а выше становится заметным разделение газов — тяжелые остаются внизу, а легкие поднимаются вверх. Выше 600 км возможна утечка газов в космическое пространство. Она возрастает с увеличением температуры и с уменьшением веса молекул. Согласно теоретическим оценкам при температуре 2000° С время полной утечки водорода составляет 1800 лет, а гелия — 24 млн. лет. Температуры такого порядка на высотах в несколько сот километров в атмосфере, по-видимому, возможны, и этим может объясняться почти полное отсутствие водорода и гелия в атмосфере Земли.
|
|
Читайте в рубрике «Атмосфера и океан»: |