1.3. Ролята на атмосферата в динамичната система на Земята
Долната граница на газовата обвивка на Земята е повърхността на сушата и морето. Горната, условна, граница на атмосферата е начертана на ниво, където силата на привличане се компенсира от центробежната сила - 42 хил. км над екватора и 28 хил. км над полюсите (от центъра на Земята). Масата на атмосферата е 5,15 х 10 15 тона, като 99% от това количество се съдържа в повърхностния слой до 36 km.
Атмосферата не е симетрична и има издатина в посока, обратна на Слънцето. Тази "газова опашка" на Земята, рядка като комета, е дълга около 120 000 км.
За атмосфера често се приема тази област около Земята, в която газовата среда се върти заедно със Земята като цяло. Тя може да бъде разделена на: тропосфера, стратосфера и йоносфера.
Тропосферата е най-ниският най-плътен слой на атмосферата, съседен на земната повърхност и включва повече от 79% от общата маса (стратосферата е около 20%, йоносферата е по-малко от 0,5%). Средната височина на тропосферата в средните ширини е 11 км, над полюсите - 8 км, над екватора - 16 км.
Тропосферата се характеризира с понижение на температурата по вертикалата, средно 0,6 ° C на 100 m изкачване. В умерените ширини температурата на границата на тропосферата е 55 o, над екватора -80 o.
В тропосферата се раждат облаци, падат валежи, възниква хоризонтално и вертикално движение на въздушните маси, което прави газовия му състав почти постоянен (азот 78,1%, кислород 21%, аргон 0,93%, въглероден диоксид - 0,03%) по обем. Съдържанието на водна пара може да варира от 0,01 до 4 обемни процента. Водната пара играе основна роля в поглъщането на слънчевата радиация от атмосферата.
Въздушната обвивка от границите на тропосферата до височина около 82 km се нарича стратосфера. Преходният слой между тях с дебелина 1–2 km е тропопаузата. В долния слой на стратосферата (до 25km) е доминиран от хоризонтално движение на въздуха от запад на изток, а в горната посока в обратна посока. Важна характеристика на стратосферата е концентрацията на озон в нея (60% от общата маса на височина 15 - 35 km). Причината за образуването на озон е ултравиолетовото лъчение на слънцето, което разгражда молекулите на кислорода на атоми, които, свързвайки молекулите на кислорода, образуват озон O3.
Външната част на атмосферата - йоносферата - се намира над 82 km до височина около 600 km. Доминиран е от западни въздушни течения. Над 100 km кислородът и, вероятно, азотът под действието на ултракъсовълновата слънчева радиация са напълно йонизирани. Практическото значение на йоносферата се състои в това, че чрез многократно отразяване на радиовълните им позволява да обикалят около Земята и да достигат до всякакви отдалечени райони. В йоносферата, както и в стратосферата, има зони с високи и ниски температури, като техните абсолютни стойности могат да достигнат няколкостотин градуса. Йоносферата е областта на полярните сияния.
Извън йоносферата е вакуумна сфера, която се характеризира с изключително разреждане, превръщайки се в плътността на космическото пространство.
Земята, заедно със заобикалящата я атмосфера, не само приема топлина от Слънцето, но и я отдава. Тъй като топлинното състояние на атмосферата в близост до повърхността на Земята не се променя средно за периода, достъпен за наблюдения, трябва да се приеме, че получаването на топлина и нейното връщане са балансирани.
Два момента са важни в механизма на нагряване на Земята от Слънцето: слънчевата енергия се предава през космическото пространство под формата на лъчиста енергия; Лъчистата енергия се абсорбира от Земята и се преобразува в топлинна енергия.
Най-голямо количество топлина се получава от долния слой на атмосферата, непосредствено до земната повърхност, чиято температура се вземаизмерено на височина (2 м на сянка). Резултатите от дългосрочните наблюдения ни позволяват да направим следните изводи:
1. И в двете полукълба средната годишна температура намалява от екватора към полюсите, което съответства на намаляване на слънчевата радиация.
2. Промяната на средната годишна температура от паралел към паралел става с различна скорост. Между екватора и 20-ия паралел понижението на температурата е много бавно (по-малко от 2 o C на всеки 10 o географска ширина). Между 20 и 80 o ширина в двете полукълба такова намаление може да достигне 10–13 o на 10 o ширина. По-нататък към полюсите падането на температурата се забавя.
4. Годишната температурна амплитуда нараства от екватора към полюсите, където се увеличава и разликата в количеството слънчева радиация. Температурните контрасти над сушата винаги са по-големи, отколкото над морето. На юг от екватора, с намаляване на земната площ, годишните температурни амплитуди намаляват.
В момента според температурата на атмосферата в близост до повърхността на Земята се разграничават седем зони:
1. Топло или горещо, ограничено както в северното, така и в южното полукълбо от годишна изотерма от + 20 o, тази изотерма преминава близо до 30-ия северен и 30-ия южен паралел.
2 - 3. Два умерени пояса. В Северното полукълбо годишната изотерма + 20 o служи като южна граница, а северната изотерма + 10 o на най-топлия месец, което съвпада добре със северната граница на разпространение на горите. В южното полукълбо годишната изотерма от +20° служи като северна граница на умерения пояс, а изотермата от +10° на най-топлия месец служи като южна граница.
4 - 5. Два студени пояса, всеки затворен между изотермите + 10 и 0 за най-топлия месец.
6 - 7. Две области на вечен мраз, в които средната температура на най-топлия месец е под 0 o.
Характерна особеност на вертикалното разпределениетемпературата в тропосферата е намаляването на температурата с височина. Средният наклон е 0,6 o на 100 м. В същото време до височина 1,5 km той е 0,33 - 0,4 o, между височини 15 - 6 km - 0,5 - 0,6, от 6 до 9 km - 0,65 - 0,75 и от 9 до 12 - 0,5 - 0,2. В повърхностния слой (с дебелина 2 m) градиентите могат да достигнат стотици градуси. При вертикалното разпределение на температурата се наблюдават температурни инверсии, когато горните слоеве на въздуха са по-топли от долните. Инверсиите възникват, когато земната повърхност се охлажда през нощта или когато студен въздух потъва по склоновете и се застоява в падини и клисури. Инверсии могат да възникнат, когато въздушните маси се движат от топли към студени области. Огромни площи на Земята са обхванати от инверсии на потъване, когато долните слоеве на въздуха се охлаждат и, уплътнявайки се, се установяват на Земята.
Най-важните показатели за влажността са относителната и абсолютната влажност. Спомнете си, че абсолютната влажност се изразява в грамове водна пара на кубичен метър въздух, а относителната влажност - степента на насищане на въздуха с водна пара в проценти.
В допълнение към температурата, която определя влагоемкостта на атмосферата и интензивността на изпарението, географското разпределение на влажността на въздуха се влияе от естеството на земната повърхност като източник на влага и характеристиките на атмосферната циркулация.
Насищането и последващата кондензация на водните пари в природата се постигат чрез понижаване на температурата на въздуха. Кондензация на водна пара възниква или при докосване на студена повърхност, или при смесване на различно нагрети въздушни маси, или когато въздухът се разширява поради издигането си (адиабатно охлаждане). Последният метод е най-ефективен при кондензацията на водна пара и нейната сублимация (кристализация) и следователноа при образуването на валежите най-голяма роля играят възходящите движения на въздушните маси, придружени от адиабатно охлаждане, последвано от насищане и пренасищане.
В резултат на кондензация или кристализация на водни пари се образуват мъгли или облаци. Минималната облачност в атмосферата възниква в райони с преобладаване на низходящи въздушни течения или с движение на въздуха от по-студени към по-топли места (пасати). Максималната облачност се наблюдава в райони с преобладаване на възходящо движение на въздуха (екватор) и смесване на въздушните маси от топли към студени места.
Така в тропосферата на Земята могат да се очертаят „поясите“ на облачността:
1. Над екватора (облачност 55 - 60%).
2. Два пояса между 20 и 30 o , в които облачността е 40 - 45%. А над пустини - 20%.
3. Две зони с висока облачност (65 - 70%) в умерени и високи географски ширини.
Според учените средната облачност на Земята е 54%, а средната температура е около 15 o. Ако средната облачност е 40% или 60%, тогава температурата ще бъде съответно 23 o и 6 o C. В този случай има значение не само средната облачност, но и различни комбинации.
Атмосферните валежи под формата на дъжд и сняг са от голямо значение за биосферата. В зависимост от условията, при които се кондензира водната пара се различават: орографски, конвективни и фронтални валежи.
Основната причина за движението на въздушните маси по земната повърхност е атмосферното налягане. Въздухът, който има висока подвижност, тече от зона с високо налягане към зона с ниско налягане. Въздухът никога не е в покой за дълго време, тъй като има области на Земята, които поддържат разлика в налягането помежду си. Освен това условията постоянно се променятвъведени от процеса на движение на въздуха.
Колебанията на налягането на земната повърхност не са големи и не оказват влияние върху жизнената дейност на организмите. Най-ниското налягане на морското равнище е 914,4 mb (686 mm), най-високото е 1067,1 mb (801 mm). Много по-значително се променя вертикалното налягане. За долните слоеве на атмосферата на всеки 100 m налягането намалява с 13 mb (10 mm).
Основната причина за промяната на атмосферното налягане е свързана с неравномерното нагряване на земната повърхност и движението на въздуха поради това неравномерно нагряване. Движението на въздуха се усложнява от триене, в резултат на което скоростта на вятъра рязко се увеличава на височина. Ако хоризонталното движение на въздуха обхваща голямо разстояние, тогава неговата посока се влияе от отклоняващата сила на въртенето на Земята, чийто ефект е пропорционален на скоростта на вятъра и географската ширина. В Северното полукълбо вятърът се отклонява надясно от посоката на градиента на налягането, който винаги е перпендикулярен на изобарите. Отклонението може да достигне такава стойност, че въздухът да се движи успоредно на изобарите. Ако въздухът се движи по затворени изобари, тогава се образуват барични системи с високо и ниско налягане.
Вертикалните движения в атмосферата се причиняват от механични препятствия или от промени в теглото на въздуха, причинени от промени в температурата и влажността.
Въздухът, издигащ се нагоре, навлиза в зона с непрекъснато намаляващо налягане. Това му позволява да се разширява, а разширяването консумира топлина, което води до охлаждане на въздуха. Ако в същото време въздухът не получава енергия отвън и не я отдава, тогава това се нарича динамично охлаждане. За сух въздух той е равен на 1 градус при издигане на всеки 100 м. Спускащият се въздух, попадайки в зона с нарастващо налягане,свива се и се загрява с 1 градус на 100м.
Атмосферата като цяло предпазва земната повърхност от метеорити, които изгарят поради триене, допълвайки атмосферата с твърд аерозол. Атмосферата лесно преминава през видимата част от спектъра на слънчевата радиация (от 0,39 до 0,76 микрона), която е необходима за съществуването на живот. В същото време предотвратява преминаването на ултравиолетово лъчение с дължина на вълната под 0,29 микрона и инфрачервено лъчение с дължина на вълната над 0,76 микрона, които се трансформират в други видове енергия.
Наличието на газова атмосфера силно отслабва температурните колебания, свързани с въртенето на Земята около нейната ос. Атмосферата има ресурс от най-важните елементи за екосистемата, като въглерод, кислород, водород и азот.