Выше термосферы (т.е. выше 800 км) расположена внешняя сфера, сфера рассеивания - экзосфера, простирающаяся до нескольких тысяч километров.
Условно считается, что атмосфера простирается до высоты 3000 км.
§ 2. Нагревание атмосферы
Все жизненные процессы на Земле обусловлены тепловой энергией. Главным источником, от которого Земля и атмосфера получают тепловую энергию, является Солнце. Оно излучает энергию в виде различных лучей - электромагнитных волн. Излучение Солнца в виде электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью 300000 км/с, называется солнечной радиацией, которая состоит из лучей различной длины, несущих к Земле свет и тепло.
Радиация бывает прямая и рассеянная. Не будь атмосферы, земная поверхность получала бы только прямую радиацию. Поэтому радиацию, приходящую непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей и при безоблачном небе называют прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Но, проходя через атмосферу, солнечные лучи частично рассеиваются, отклоняются от прямого пути в результате отражения от молекул воздуха, капелек воды, пылинок и переходят в лучи, идущие во всех направлениях. Такая радиация называется рассеянной. Поэтому светло бывает и в тех местах, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают (полог леса, теневая сторона скал, гор, зданий и т.д.). Рассеянная радиация обусловливает и цвет неба. Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, т.е. прямую и рассеянную, называют суммарной. Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в атмосферу. Оно называется земным излучением, или земной радиацией и в значительной мере задерживается нижними слоями атмосферы. Поглощенная земной поверхностью радиация Солнца расходуется на нагревание воды, почв, грунтов, воздуха, испарение и излучение в атмосферу. Земная, а не солнечная радиация определяет температурный режим тропосферы, т.е. солнечные лучи, проходящие через все слои атмосферы, ее не нагревают. Самое большое количество тепла получают и нагреваются до наиболее высоких температур нижние слои атмосферы, непосредственно прилегающие к источнику тепла - земной поверхности. По мере удаления от земной поверхности нагревание ослабевает. Именно поэтому температура воздуха в тропосфере с высотой понижается в среднем 0,6°С на каждые 100 м подъема. Это общая закономерность для тропосферы. Бывают случаи, когда вышележащие слои воздуха оказываются теплее нижележащих. Такое явление называется температурной инверсией.
Нагревание земной поверхности существенно различается не только по высоте. Количество суммарной солнечной радиации напрямую зависит от угла падения солнечных лучей . Чем ближе эта величина к 90°, тем больше солнечной энергии получает земная поверхность.
В свою очередь, угол падения солнечных лучей на определенную точку земной поверхности определяется ее географической широтой. Сила прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце в зените (в районе экватора), его лучи падают на земную поверхность отвесно, т.е. преодолевают атмосферу кратчайшим путем (под 90°) и интенсивно отдают свою энергию малой площади. По мере удаления от экваториальной зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т.е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи все больше и больше начинают как бы скользить по Земле и приближаются к касательной линии в районе полюсов. При этом тот же пучок энергии рассеивается на бульшую площадь, увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, у экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, постоянно высокие температуры воздуха, а по мере передвижения к полюсам становится все холоднее. Именно на полюсах, где солнечные лучи падают под углом »180° (т.е. по касательной), тепла меньше всего.
Такая неравномерность распределения тепла на Земле в зависимости от широты места позволяет выделить пять тепловых поясов: один жаркий, два умеренных и два холодных.
Условия нагревания солнечной радиацией воды и суши весьма различны. Теплоемкость воды в два раза больше, чем суши. Это значит, что при одинаковом количестве тепла суша нагревается вдвое быстрее воды, а при охлаждении происходит обратное. Кроме того, вода при нагревании испаряется, на что затрачивается немалое количество тепла. На суше тепло сосредоточивается только в верхнем ее слое, в глубину передается лишь небольшая его часть. В воде же лучи нагревают сразу значительную толщу, чему способствует и вертикальное перемешивание воды. В результате вода накапливает тепла гораздо больше, чем суша, удерживает его дольше и расходует более равномерно, чем суша. Она медленнее нагревается и медленнее охлаждается.
Поверхность суши неоднородна. Ее нагревание в значительной мере зависит от физических свойств почв и горных пород, растительности, снежного покрова, льда, экспозиции (угла наклона участков суши по отношению к падающим солнечным лучам) склонов. Особенности подстилающей поверхности обусловливают различный характер изменения температур воздуха в течении суток и года. Наиболее низкие температуры воздуха в течении суток на суше отмечаются незадолго до восхода Солнца (отсутствие притока солнечной радиации и сильное земное излучение ночью). Наиболее высокие - после полудня (14-15 ч). В течении года в Северном полушарии наиболее высокие температуры воздуха на суше отмечаются в июле, а самые низкие - в январе. Над водной поверхностью суточный максимум температуры воздуха смещен и отмечается в 15-16 ч, а минимум через 2-3 ч после восхода Солнца. Годовой максимум (в Северном полушарии) приходится на август, а минимум - на февраль.
§ 3. Атмосферное давление
Вес воздуха обусловливает атмосферное давление (1 м3 воздуха весит 1,033 кг). На каждый метр земной поверхности воздух давит с силой 10033 кг. Это столб воздуха от уровня моря до верхних слоев атмосферы. Для сравнения: столб воды такого же диаметра имел бы высоту всего 10 м. Иначе говоря, собственная масса воздуха создает атмосферное давление, величина которого на единицу площади соответствует массе находящегося над нею воздушного столба. При этом уменьшение воздуха в этом столбе приводит к уменьшению (падению) давления, а увеличение воздуха - к увеличению (росту) давления. За нормальное атмосферное давление принято давление воздуха на уровне моря на широте 45° и при температуре 0°С. В этом случае атмосфера давит на каждый 1 см2 земной поверхности с силой 1,033 кг, а масса этого воздуха уравновешивается ртутным столбиком высотой 760 мм. На этой зависимости построен принцип измерения давления. Оно измеряется в миллиметрах (мм) ртутного столба (или в миллибарах (мб): 1 мб = 0,75 мм ртутного столба) и в гектопаскалях (гПа), когда 1 мм = = 1 гПа.
Давление атмосферы измеряется при помощи барометров. Существуют два типа барометров: ртутный и металлический (или анероид).
Ртутный чашечный барометр состоит из запаянной сверху стеклянной трубки, погруженной нижним открытым концом в металлическую чашку с ртутью. Столбик ртути в стеклянной трубке уравновешивает своим весом давление воздуха, действующего на ртуть в чашке. При изменении давления изменяется и высота ртутного столба. Эти изменения фиксируются наблюдателем по шкале, прикрепленной рядом со стеклянной трубкой барометра.
Металлический барометр, или анероид, состоит из герметически закрытой тонкостенной гофрированной металлической коробки, внутри которой воздух разрежен. При изменении давления стенки коробки колеблются и вдавливаются или выпячиваются. Эти колебания системой рычагов передаются стрелке, которая перемещается по шкале с делениями.
Для записи изменений давления применяются самопишущие барометры - барографы. Работа барографа основана на том, что колебания стенок анероидной коробки передаются перу, которое чертит линию на ленте вращающегося вокруг своей оси барабана.
Давление на земном шаре может изменяться в широких пределах. Так, максимальная величина атмосферного давления 815,85 мм рт.ст. (1087 мб) зарегистрирована зимой в Туруханске, минимальная - 641,3 мм рт.ст. (854 мб) - в урагане “Ненси” над Тихим океаном.
Давление изменяется с высотой. Принято считать средним значением атмосферного давления давление над уровнем моря - 1013 мб (760 мм рт.ст.). С увеличением высоты воздух становится все более разреженным и давление уменьшается. В нижнем слое тропосферы до высоты 10 м оно понижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10 м, или на 1 мб (гПа) на каждые 8 м. На высоте 5 км оно уже меньше в два раза, 15 км - в 8 раз, 20 км - в 18 раз.
Атмосферное давление непрерывно меняется в связи с изменением температуры и перемещением воздуха. В течении суток оно повышается дважды (утром и вечером), дважды понижается (после полудня и после полуночи). В течении года на материках максимальное давление наблюдается зимой, когда воздух переохлажден и уплотнен , а минимальное - летом.
Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит хорошо выраженный зональный характер (см. рис. IV.2 на с. 92), что обусловлено неравномерным нагреванием земной поверхности, а следовательно, и изменением давления. Изменение давления объясняется перемещением воздуха. Оно высокое там, где воздуха становится больше, низкое там, откуда воздух уходит. Нагреваясь от поверхности, воздух устремляется вверх и давление на теплую поверхность понижается. Но на высоте воздух охлаждается, уплотняется и начинает опускаться на соседние холодные участки, где давление возрастает. Таким образом, нагревание и охлаждение воздуха от поверхности Земли сопровождается его перераспределением и изменением давления.
В экваториальных широтах температуры воздуха постоянно высокие, воздух, нагреваясь, поднимается и уходит в сторону тропических широт. Поэтому в экваториальной зоне давление постоянно пониженное. В тропических широтах в результате притока воздуха создается повышенное давление. Над постоянно холодной поверхностью полюсов (в Арктике и Антарктике) давление повышенное, его создает воздух, приходящий из умеренных широт. Вместе с тем в умеренных широтах отток воздуха формирует пояс пониженного давления. В результате на Земле формируются пояса пониженного (экваториальный и два умеренных) и повышенного (два тропических и два полярных) давления. В зависимости от сезона они несколько смещаются в сторону летнего полушария (вслед за Солнцем).