Атмосфера на Земята

Атмосферата на Земята е слоестата обвивка на земното кълбо, съставена от различни газове и наричана общо въздух. Освен, че е тяхна жизнена среда, атмосферата предпазва живите организми, като спира голяма част от вредните за тях ултравиолетови лъчи. Около 99 % от газовете са азот и кислород.

Структура 
Атмосферата на Земята няма ясно изразена горна граница. Най-външните ѝ слоеве се простират до няколко хиляди километра височина, но 90 % от нейната маса е съсредоточена в приземния 16-километров слой. Въпреки липсата на точна геометрична граница между атмосферата и космическото пространство, може да се дефинира понятието физическа граница. Физическата граница на атмосферата е височината, до която въздухът е все още достатъчно плътен, за да се регистрират ред физични явления, съотносими към земните, а не към космическите.

По своите физически свойства атмосферата е нееднородна – не само по вертикала, но и по хоризонтала. С увеличаване на височината се изменят съставът и редица други нейни свойства и параметри. Съществуват няколко деления на атмосферата.

Температурно деление 
За основа се взема средното изменение на температурата на въздуха с изкачването по височината (g = − dT/dz). Според отделните си признаци (изменение на температурата във височина, състав на атмосферния въздух и наличие на заредени частици) атмосферата се дели на пет основни слоя, наречени сфери. Между всеки от тях има преходни слоеве с малка дебелина, наречени паузи. Имената им зависят от местонахождението им, например над тропосферата се намира тропопаузата и т.н.

Тропосфера 

Тропосферата е най-ниският слой от атмосферата. Има средна дебелина около 15 km. Дебелината ѝ нараства от полюса към екватора, като средните ѝ стойности са: над полюса – 8 – 10 km, в умерените ширини – до 10 – 12 km, в тропичните и екваториалните райони – 16 – 18 km. През лятото горната граница се издига, а през зимата височината ѝ намалява. С изкачването към горния край на тропосферата температурата намалява средно с 6 °C на километър, а налягането със 120 mbar/km. За горна граница на тропосферата се приема височината, на която температурата престава да се понижава. Средната годишна температура в горната граница на тропосферата на екватора е от – 47 °С до – 75 °С. 

Тропосферата има постоянен състав: 4/5 азот и 1/5 кислород. Тя е разделена на три подслоя: ниска – на височина от 0 до 1 – 1,5 km; средна – от 1 – 1,5 km до 6 – 7 km и висока тропосфера – от 6 – 7 km до тропопаузата. В тропосферата се съдържа средно около 80 % от масата на атмосферата. Отвъд тропосферата условията не позволяват развитието на живота.

Тропопауза 

Тропопаузата разделя тропосферата от стратосферата. Има дебелина от няколкостотин метра до 10 – 11 km. Представлява задържащ слой за вертикалните движения, като резултат се получава разстилане на върховете на мощните купесто-дъждовни облаци (Cb). Само най-мощните купесто-дъждовни облаци, във взаимодействие с най-интензивни възходящи движения, могат да пробият тропопаузата. На нивото на тропопаузата се наблюдават така наречените струйни течения – въздушни потоци със скорост от 150 до 300 km/h. В границата на тропопаузата температурата не се изменя и за неин горен край се приема началото на повишаването на въздушната температура.

Стратосфера 

Разположена е над тропопаузата. Характерно за нея е, че през цялата година над тропичните ширини (от екватора до около 30°) и през лятото в умерените (до 40 – 50°), а понякога и в полярните ширини температурата се повишава с височина. През цялата година над полярните райони (над 60°) и през зимата над ширините, по-високи от 30 – 40°, се наблюдава постоянна температура до височина около 30 km, след тази граница температурата осезаемо нараства. Това явление се дължи на поглъщането на ултравиолетовите лъчи от озоносферата, намираща се на тази височина.

Стратопауза 

Представлява слой с максимална температура. Разделя стратосферата от мезосферата.

Мезосфера 

Разположена над стратосферата. Характерно за нея е бързото понижаване на температурата – с 3 до 4 °С на всеки километър. На височината на мезопаузата температурата достига до − 80 – 90 °С, а в някои случаи – и до − 120 °С.

Мезопауза 
Разположена на височина 82 – 85 km. От нея нагоре свойствата на атмосферата започват да се изменят много съществено и в много отношения. Разделя мезосферата от термосферата.

Термосфера 

Наблюдават се изключително големи денонощни колебания на температурата. Установено е, че дневната температура може да достигне 1800 К (около 1500 °С), докато нощната е от порядъка на 300 – 1000 К (около 30 – 730 °С) в зависимост от височината. Има повишена йонизация на газовите молекули.

Термопауза 
Височина около 1000 km. В нея има забележимо разсейване на атмосферни газове в междупланетното пространство.

Екзосфера 
Последният слой от земната атмосфера. Смята се за външна част на атмосферата, в която плътността на въздуха е все още различна от тази на междупланетния газ. Газовете и молекулите се движат с голяма скорост и се разсейват в космоса. Достига до 20 000 km, като тази височина се смята за крайна височина на атмосферата.

Деление по състав на въздуха 
За основа се взема съставът на атмосферния въздух. Разграничават се два слоя:

Хомосфера 
Дебелина до около 60 km. Обединява тропосферата и стратосфератата. Пропорционалното съотношение между постоянните компоненти на въздуха остава неизменно с височината. Съставът на въздуха е постоянен и не се променя.

Хетеросфера 
Намира се над хомосферата. Пропорционалното съотношение между постоянните компоненти на въздуха се изменя. Съставът на въздуха търпи промени и вследствие на йонизацията. Фактически това е йоносферата, която обхваща слоевете мезосфера, термосфера и екзосфера.

Деление по слънчевото въздействие 
За основа на разделянето се взема влиянието на слънчевото излъчване върху атмосферата. Разграничават се два слоя:
 Ниска атмосфера. Наблюдава се минимално влияние на непосредственото слънчево излъчване.
 Висока атмосфера. Увеличено влияние на слънчевата активност.

Деление според взаимодействието на атмосферата със земната повърхност 
За основа се взема взаимодействието между атмосферата и земната повърхност. Разграничават се два слоя:
 Планетарен слой – влиянието на земната повърхност се отразява на всички метеоелементи.
 Свободна атмосфера – влиянието на земната повърхност върху метеоелементите е по-слабо.

Атмосферата на височина над 80 – 85 km се нарича йоносфера. Тя има високата степен на йонизация на атмосферните газове. Ултравиолетови и други излъчвания йонизират азотните и кислородните атоми, като откъсват по един електрон от външната им обвивка и такъв атом се превръща в положителна частица (йон).

Състав и строеж на атмосферата 
Въздухът, който образува земната атмосфера, представлява смес от различни газове. Поради това, че тези газове не влизат в химични реакции помежду си, сместа се нарича механична. Съставът на въздуха близо до земната повърхност е установен с голяма точност. Освен основните газове – азот, кислород и аргон, в механичната смес участват и други газообразни примеси с много по-малка концентрация. Съставът на въздуха не е еднакъв на различни височини.

До височина от около 800 km в атмосферата преобладават азотът и кислородът. Над 400 km започва да нараства съдържанието на леките газове – в началото на хелия, а след това и на водорода. Над 800 km основното съдържание на атмосферата е главно водород.

Чисто схематично може да се приеме, че до около 200 km въздухът, обгръщащ Земята, представлява тънка и еднородна по своите физически характеристики обвивка. С издигането над повърхността намалява плътността, като неравномерното разпределение на плътността води до неравномерно разпределяне на масата на атмосферата. Около половината от масата се намира в слоя с височина до 5 km над Земята, а на височина до 30 km се съдържа около 99 %. Над 35 km атмосферната маса е не повече от 1 %. Въпреки това, и там протичат редица процеси и явления, които са резултат от прякото въздействие на слънчевото излъчване. Този 1 % всъщност представлява междинна брънка, реагираща на слънчевите излъчвания, и ги предава на по-долните слоеве от атмосферата.

От газовите примеси с по-малка концентрация, участващи в състава на атмосферата, най-голямо значение имат водните пари, въглеродният диоксид, озонът, серният диоксид и атмосферните аерозоли.

 Водни пари: Около 13 000 km3 вода в трите си агрегатни състояния се разпростират в атмосферата. Най-често срещано е газообразното и състояние – около 95 % под формата на водна пара. Тя постъпва в атмосферата при изпарението на океаните, моретата, както и от реките, езерата и другите водни басейни, разположени на сушата. Основното количество водни пари се намира в слоевете близо до земната повърхност (височина 2 – 3 km). Наличието на водни пари в атмосферата е изключително важно по няколко причини – образуват облаците и валежите, участват в атмосферните топлообменни процеси и поглъщат лъчиста енергия (дълговълнова радиация 5,5 – 7 μm и над 18 μm).

 Въглероден диоксид (CO2): Има концентрация по-малка от водните пари – около 0,032 %. Поглъща интензивно дълговълновата (топлинна) радиация и допринася за парниковия ефект. Получава се от два източника – естествен (вулканична дейност, дишане, гниене, фотосинтеза), и изкуствен (антропогенна дейност).

 Озон (О3): Образува се в горната част на стратосферата от UV радиацията, чрез рекомбинация на атомите кислород, и в тропосферата при гръмотевична дейност. Има най-голяма концентрация в слоя между 20 и 50 km, наречен озоносфера. Максималната му концентрация е на височина около 25 km. Озонната обвивка играе ролята на радиационен щит, защото поглъща биологично активната UV радиация от Слънцето (0,2 – 0,29 nm). Озонът е химически неустойчив газ и количеството му намалява застрашително. Това се дължи на редица човешки дейности – отделяне на Н2, СО, СН4 и органични вещества, използването на фреони.

 Серен диоксид (SO2): От другите променливи газове голямо внимание заслужава серният диоксид. Той реагира с водните пари и образува частици, участващи в кондензационните процеси при образуване на облаци и валежи (т. нар. киселинни дъждове).

 Атмосферни аерозоли: Така се наричат съществуващите в атмосферата течни и твърди частици от различни вещества. Обикновено те са с много малки размери, намират се в хаотично разпръснато състояние и заедно с газообразните вещества са неотделима съставна част на атмосферата. Като хигиенен фактор, наличието им в приземния въздух над определени количества е вредно – те го замърсяват, но от друга страна служат за кондензационни ядра при образуване на облаци и валежи. Поглъщат и разсейват лъчистата енергия в атмосферата. Произходът им е главно естествен земен – изригване на вулкани, прашни бури и др., и антропогенен – сажди, димни частици и други продукти при битови и промишлени процеси. В атмосферата постъпва и космическа пепел.

Процеси в атмосферата 
Основните процеси в атмосферата са нагряването и изстиването на атмосферния въздух, изпарението и кондензацията, движението на въздуха.

Нагряване и изстиване 
Основен източник на топлина за Земята е Слънцето, което излъчва огромно количество енергия. Вътрешната топлина на Земята е също голяма, но земната кора е прекрасен изолатор и почти не я пропуска. Под влияние на слънчевите лъчи земната повърхност се нагрява. Най-силно се нагряват районите около екватора, между тропиците, където слънчевите лъчи падат почти отвесно. В посока към полюсите слънчевите лъчи падат все по-полегато и в тези части от света е студено. Количеството радиация, което постъпва на земната повърхност, е най-голямо в малките ширини (горещ топлинен пояс) и по-малко – в големите ширини (студен топлинен пояс). Едновременно с нагряването на Земята протича и отдаване на топлина в пространството. Колкото е по-нагрята земната повърхност, толкова повече топлина отделя. Затова топлоотдаването е по-голямо през деня, отколкото през нощта, и повече през лятото отколкото през зимата. Отделяната топлина затопля приземния въздух и затова той е най-топъл близо до земята. Във височина температурата на въздуха се понижава. Сушата се нагрява и изстива по-бързо от водата, затова въздухът над нея през лятото е по-топъл, а през зимата – по-студен в сравнение с този над водната повърхност.

Изпарение и кондензация 
Нагряването на земната повърхност предизвиква отделяне от нея на водни пари, или изпарение. Най-голямо е изпарението от океаните, а най-малко – над пустините. На определена височина в атмосферата водните пари се сгъстяват, охлаждат и преминават в малки водни капки. Този процес на кондензация се съпътства с образуване на облаци и мъгли. При определени условия водните капки натежават и падат на земната повърхност във вид на валежи – течни (дъжд) и твърди (сняг, град). Под влияние на кондензацията на земната повърхност се образуват роса и слана. Извън тропосферата не се образуват облаци, така че няма дъждове или бури. Отвъд тропосферата условията не позволяват развитието на живота.

Движение на въздуха 
 Атмосферно налягане. Различно затопляне на земната повърхност предизвиква нееднакво атмосферно налягане. Въздухът има определено тегло и оказва натиск върху земната повърхност, който се нарича атмосферно налягане. Различното нагряване и затопляне е причина за различното атмосферно налягане в определени райони на Земята. Когато въздухът е силно нагрят, той се разширява и се издига във височина. При ниски температури е обратното. Районите, които се нагряват по-силно, затоплят повече атмосферния въздух и над тях той се издига във височина. Там атмосферното налягане е най-ниско. Местата, които се загряват по-слабо, се характеризират с по-студен и тежък въздух и над тях атмосферното налягане е най-високо. Зони с високо атмосферно налягане са тропиците и полярните райони, а с ниско – субполярните. Разликите в атмосферното налягане предизвикват хоризонтални (адвекция) и вертикални (конвекция) движения на въздуха.
 Атмосферна циркулация. Разпределението на атмосферното налягане е причина за формирането на общата атмосферна циркулация на Земята – движения на въздуха от районите с високо атмосферно налягане към районите с ниско атмосферно налягане. Във височина се развива противоположно движение на въздуха в обратна посока и по този начин се образуват циркулационни кръгове. В атмосферната циркулация се образуват три циркулационни зони: зона на пасатна циркулация (тропици – екватор), зона на западните ветрове и на полярна циркулация (полюси-умерени ширини).
 Циклони и антициклони. Движението на атмосферния въздух е свързано с образуването на огромни вихри – циклони и антициклони. Въздухът в циклона се движи възходящо от периферията към центъра поради ниското атмосферно налягане в центъра на вихъра. В циклоните на умерените ширини има два сектора – с топъл и студен въздух, разделени от топъл и студен атмосферен фронт. Въздухът в антициклона се движи низходящо от центъра към периферията, където налягането е по-ниско.

Източници

Литература 
 Векилска, Б. „Обща климатология“, Университетско издателство, 1991 г.

Външни препратки 

  Атмосферни модели от НАСА 

Земя
Строеж на Земята