Атмосфера Земли

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ (от греч. atmos — пар и сфера), воздушная среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею; масса ок. 5,15·1015 т. По плотности атмосферы она занимает промежуточное место между Венерой и Марсом. Она уникальна в том отношении, что обладает обширными запасами жидкой воды. Сложное взаимодействие между океаном, атмосферой и планетарной поверхностью определяет ее энергетический баланс и температурный режим. Облачный покров обычно закрывает около 50% поверхности, и теплота, остающаяся внутри атмосферы (парниковый эффект), поднимает среднюю температуру более чем на 30 градусов.
  Состав ее у поверхности Земли: 78,1% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы. В нижних 20 км содержится водный пар (у земной поверхности — от 3% в тропиках до 2·10-5% в Антарктиде), количество которого с высотой быстро убывает. Углекислота - наиболее важная следовая компонента атмосферного воздуха. Высокая концентрация кислорода (возникшая примерно 2000 млн. лет назад) является прямым результатом существования растений. Присутствие кислорода позволило сформироваться в верхних слоях атмосферы озонному слою (на высоте 20-25 км), который экранирует поверхность планеты от солнечного ультрафиолетового излучения, вредного для жизни.
 Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул разлагается на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха в атмосфере Земли с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Неравномерность ее нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли. Атмосфера Земли обладает электрическим полем.

  Все типы свечения, возникающие в верхней атмосфере Земли (ночное свечение атмосферы), исключая тепловое излучение, полярные сияния, молнии и яркие следы метеоров. Спектр ночного свечения лежит в диапазоне от 100 нм до 22,5 мкм. Основная часть свечения возникает в слое толщиной от 30 до 40 км на типичных высотах в 100 км и представляет собой излучение на длине волны кислорода 558 нм. Из космического пространства свечение неба выглядит как зеленоватое светлое кольцо вокруг Земли.

 ТРОПОСФЕРА (от греч. tropos — поворот и сфера), нижний, основной слой атмосферы до высоты 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны - все происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Тропосфера сверху ограничена тропопаузой, которая соответствует переходу к более устойчивым условиям лежащей выше стратосферы.

СТРАТОСФЕРА (от лат. stratum — слой и сфера), слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8-10 км в высоких широтах и от 16-18 км вблизи экватора до 50-55 км. Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой от -40 °С (-80 °С) до температур, близких к 0 °С, малой турбулентностью, ничтожным содержанием водного пара, повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона.

ОЗОН (от греч. ozon — пахнущий), О3, аллотропная модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом,  tкип — 112 °С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается со взрывом. Образуется из О2 при электрическом разряде (например во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса О3 в атмосфере расположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Поглощает свет с длиной волны от 240 до 270нм и сильно поглощает в интервале 200-320нм, в то время как кислород в основном поглощает до 170нм. Основная причина появления озона на Земле - молнии. В промышленности О3 получают действием на воздух электрического разряда. Используют для обеззараживания воды и воздуха.

 ИОНОСФЕРА, верхние слои атмосферы, начиная от 50- 85 км до 600км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения.  Перемещение заряженных частиц по магнитным силовым линиям к полярным областям на широтах от 60 до 75° приводит к появлению полярных сияний. Верхняя граница ионосферы — внешняя часть магнитосферы Земли. Причина повышения ионизации воздуха в ионосфере — разложение молекул атмосферы газов под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения. Ионосфера оказывает большое влияние на распространение радиоволн. Состоит ионосфера из мезосферы и термосферы.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ -быстро изменяющиеся разноцветные картины свечения, наблюдаемые время от времени на ночном или вечернем небе, обычно в высокоширотных областях Земли (как на севере, так и на юге). Зеленый и красный цвета соответствуют эмиссионным линиям атомов кислорода и молекул азота, которые возбуждаются энергичными частицами, приходящими от Солнца. Полярные сияния происходят на высотах порядка 100 км.
Во время полярных сияний в ионосфере протекают многочисленные процессы, такие как возмущения геомагнитного поля, электрические ионосферные токи и рентгеновское излучение. В невидимых частях спектра излучается гораздо больше энергии, чем в видимом диапазоне. Появление полярных сияний связано с солнечным циклом, вращением Солнца, сезонными изменениями и магнитной активностью.
Полярные сияния принимают несколько основных форм. Спокойные дуги или полосы шириной в несколько десятков километров простираются с востока на запад на расстояния до 1000 км. Полосы могут сворачиваться, принимая спиральную или S-образную форму. Можно увидеть и лучи, идущие вдоль магнитного поля. Пятна полярных сияний - это отдельные светящиеся области неба без образования каких-либо форм. Изредка встречаются обширные полярные сияния в форме драпри.

МЕЗОСФЕРА находится примерно до 80-85 км, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Здесь температура с высотой уменьшается, достигая -90°C у верхней границы (мезопаузы).

Светлые голубоватые облака в летнем сумеречном небе. Они возникают в верхней атмосфере на высотах около 80 км и по структуре довольно разнообразны.
СЕРЕБРИСТЫЕ облака очень тонки и рассеивают лишь малую часть падающего на них солнечного света, так что с Земли днем или в начале сумерек их нельзя заметить. Так как они появляются только в летнее время, их невозможно наблюдать в самых высоких широтах, где небо никогда не становится достаточно темным. В то же время серебристые облака - явление высокоширотное, т.к. диапазон широт, в которых они практически наблюдаются, весьма узок (от 50°до 65°). Облака образуются в присутствие ядер конденсации, на которых вода превращается в лед. Точно не известно, каковы эти ядра (ионы, возникающие под действием солнечного ультрафиолета, или микрометеоритные частицы). Главное условие возникновения серебристых облаков - достаточно низкая температура, которая на высотах 80-90 км должна быть около 120 K (-150° C). Облака возникают в результате воздушных течений от одного полюса к другому и не зависят от уровня солнечной радиации. Имеются наблюдения, позволяющие предположить, что в течение последних десятилетий серебристые облака возникают чаще. Это связано с возрастанием концентрации водяных паров в верхней атмосфере из-за увеличения количества метана. Частота возникновения серебристых облаков изменяется с циклом солнечной активности по обратному закону.    

ТЕРМОСФЕРА, слой атмосферы над мезосферой от высот 80-90 км, температура в котором растет до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остается почти постоянной до больших высот.

ЭКЗОСФЕРА (от экзо... и сфера) (сфера рассеяния), внешний слой атмосферы, начинающийся с высоты около 400-500 км, которые граничат с межпланетной средой. В этих слоях плотность настолько низка, что между атомами происходит очень мало столкновений и атомы, движущиеся с большой скоростью, могут выйти из сферы гравитационного притяжения планеты и улетать (ускользать) в космическое пространство.

  Наконец, на расстояниях более 1000 км слой холодной плазмы высокой плотности (плазмосфера). Плазмосфера простирается до расстояний в 3 - 7 земных радиусов. Ее верхняя граница (плазмопауза) отмечена резким падением плазменной плотности. Большинство частиц в плазмосфере составляют протоны и электроны. газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса.

--------------------------------------------------------------------------------

 Поля Земли

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Движение жидкостей, а также возникающие в твердых объектах напряжения, вызываемые циклическим изменением действующих на них гравитационных сил. Так, океанские приливы на Земле, запаздываемые ежедневно на 50 минут, возникают из-за изменения суммарного гравитационного действия Солнца и Луны, которое подвержено суточным, месячным и годичным вариациям, обусловленным вращением Земли, движением Луны по орбите вокруг Земли и движением Земли вокруг Солнца. Деформация за счет приливных сил Земли достигает 30см, Луны 40 см, водная поверхность поднимается до 1 метра, а в заливе Фапти (Атлантический океан) до 18 метров.

  Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли. Зависимость ускорения свободного падения от широты приближенно описывается формулой g = 9,78031 (1+0,005302 sin2 ) m/c2, где m —масса тела.

 Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Наличие расплавленного металлического ядра приводит к появлению магнитного поля и магнитосферы Земли. Магнитосфера Земли определяется магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14  R, с ночной — вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен  R; в магнитосфере находятся радиационные пояса. Измерения со спутников показали, что Земля является интенсивным источником радиоволн в километровом диапазоне, хотя такие волны генерируются высоко и на уровне земной поверхности не обнаружены. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·1025 единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Нынешнюю полярность Земля приобрела 12 тысяч лет  (по другим источникам 750 тыс.лет) назад, а в среднем каждые 250 тыс.лет (500 тыс.лет по другим источникам) меняется полярность, а иногда в 2-4 раза быстрее. Некоторые ученые утверждают, что возможно скоро полярность изменится.

   В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю намагниченного стержня (диполя), который смещен относительно центра Земли к Тихому океану и наклонен к земной оси. В настоящее время это смещение составляет 451 км, а наклон равен 11°. Сила и форма геомагнитного поля постепенно меняются, причем масштаб времени этих изменений составляет годы. Интенсивность геомагнитного поля обозначается векторной величиной F или B, а единицами измерения являются гаусс (Гс), тесла (Т) или гамма (γ) (1 тесла = 10000 гаусс; 1 гамма = 1 нанотесла= 10-5 гаусс.) Направление поля в любой точке земной поверхности может быть описано двумя углами: 1) наклонением I , т.е. углом между горизонтальной плоскостью и вектором поля (угол считается положительным, когда поле направлено вниз); 2) склонением D, т.е. азимутом - углом, измеряемым от направления на север к востоку или западу на горизонтальной плоскости.

Положение магнитных полюсов Земли на 1985г:

  Северный магнитный полюс – 77о36' с.ш.; 102о48' з.д.

  Южный магнитный полюс    – 65о06' ю.ш.; 139о00' в.д.

Положение геомагнитных полюсов на 1985г:

  Северный геомагнитный полюс – 78о48' с.ш.; 70о54' з.д.

  Южный геомагнитный полюс    – 78о48' ю.ш.; 109о06' в.д.

Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе —около 0,4 Э.

  Приборы Центрального военно-технического института Сухопутных войск (ЦНИВТИ СВ) зафиксировали в начале 2002 года, что магнитный полюс Земли сместился на 200 км. По мнению ученых, аналогичное смещение магнитных полюсов произошло и на других планетах Солнечной системы по видимому по причине, что Солнечная система проходит "определенную зону галактического пространства и испытывает влияние со стороны других космических систем, находящихся рядом".  "Переполюсовка" повлияла на ряд процессов, происходящих на Земле. Так, "Земля через свои разломы и так называемые геомагнитные точки сбрасывает в космос избыток своей энергии, что не может не сказаться как на погодных явлениях, так и на самочувствии людей". Кроме того избыточные волновые процессы, возникающие при сбросе энергии Земли, влияют на скорость вращения нашей планеты. По данным Центрального военно-технического института, "примерно каждые две недели эта скорость несколько замедляется, а в последующие две недели наблюдается определенное ускорение ее вращения, выравнивающее среднесуточное время Земли". Смещение магнитного полюса Земли не влияет на географические полюса планеты, то есть точки Северного и Южного полюсов остались на месте.

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА - внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из Северного полушария в Южное и обратно. У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс Земли имеет максимальную плотность частиц (преимущественно протонов) над экватором на высоте 3-4 тыс. км, внешний электронный радиационный пояс — на высоте ок. 22 тыс. км. Радиационный пояс — источник радиационной опасности при космических полетах. Мощными радиационными поясами обладают Юпитер и Сатурн.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз —это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.