ФИЗИКО-ХИМИЯ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

Содержание статьи

• Взаимодействие солнечного излучения с земной поверхностью.
• Механизм образования парникового эффекта.

ФИЗИКО-ХИМИЯ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ. Прохождение солнечного излучения через атмосферу Земли. Интенсивное поглощение рентгеновского и жесткого ультрафиолетового излучения молекулярным азотом, а также атомарным и молекулярным кислородом начинается уже на высотах около 1000 км, из-за чего температура в термосфере, достигает 1000 К. На уровне мезопаузы (высота 90–100 км) уже практически полностью поглощено все солнечное излучение с длинами волн короче 0,1 мкм. В мезосфере молекулы кислорода и озона практически полностью поглощают солнечное излучение с длинами волн короче 0,2 мкм. В стратосфере, в основном, на высотах 25–30 км молекулами озона и углекислого газа целиком поглощается излучение с длинами волн короче 0,3 мкм. В нижних слоях атмосферы и в тропосфере поглощение вызывается облаками, аэрозолем и атмосферным рассеянием. Таким образом, поглощение солнечного коротковолнового излучения поверхностью Земли поддерживает на постоянном уровне среднегодовую ее температуру, которая в свою очередь обеспечивает ее излучение в длинноволновой части спектра с максимумом около 10 мкм.

Взаимодействие солнечного излучения с земной поверхностью.

Для атмосферы главным источником тепла является земная поверхность, поглощающая основную долю солнечной радиации. Поглощенная в атмосфере энергия солнечной радиации меньше, чем потери за счет ухода длинноволнового излучения из атмосферы в мировое пространство. Однако эта лучистая потеря тепла восполняется притоком энергии в атмосферу от земной поверхности. Эффективность этого процесса сильно увеличивается, благодаря турбулентному процессу теплообмена и поступлением энергии при образовании снежинок и льдинок и конденсации водяного пара в атмосфере. Так как итоговая величина этих процессов во всей атмосфере должна быть уравновешена количеством осадков, а также испарением с земной поверхности, приток тепла от конденсации паров в атмосфере численно равен затратам энергии на испарение с поверхности Земли.

Механизм образования парникового эффекта.

Распределение температуры в тропосфере определяется ее тепловым взаимодействием с подстилающей поверхностью и конвективным переносом скрытого и явного тепла по высоте и горизонтали. Тропосфера прогревается за счет конвективного и турбулентного теплообмена с поверхностью, поглощения длинноволнового излучения поверхности Земли, а также за счет поглощения тепла, выделяющегося при конденсации в атмосфере различных паров. Содержание углекислого газа СО₂ составляет всего 0,03%, так что основным поглотителем теплового инфракрасного излучения являются пары воды Н₂О, на которые приходится ~ 0,1 %. Поглощение этих газов обеспечивает увеличение температуры на величину (Т = 40К). Эффективность процессов, очевидно, зависит от количества и непрозрачности структурных образований (например, облаков), скорости конвективного переноса тепла, перепадов температуры и особенно от динамических перемещений воздушных масс (атмосферная циркуляция, различные типы ветров и т.п.). Поэтому парниковый эффект, играющий очень важную роль в формировании местных особенностей климата и сильно зависящий от многих факторов, приводит к чрезвычайному многообразию климатических и погодных условий на Земле.

Наличие в атмосфере углекислого газа усиливает парниковый эффект на нашей планете. Он проявляется не так сильно, как на Венере, но все же поднимает среднюю температуру на Земле от минус 23 до плюс 15 градусов Цельсия. Атмосфера защищает поверхность Земли от сильных перепадов температуры. Без нее в некоторых точках Земли температура в течение суток колебалась бы между 160-ю тепла и 100 градусами мороза по шкале Цельсия (подобное имеет место на Луне). Значение атмосферы для всего живого нельзя переоценить.

Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ – водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия высвобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.

Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.

Эдвард Кононович