Атмосфера: состав, слои, циркуляция воздуха и тепловые пояса

Атмосфера — гравитационно связанная с Землей газовая оболочка, вращающаяся вместе с планетой. Сухой чистый воздух у поверхности Земли состоит из азота (N₂ — 78.08%), кислорода (O₂ — 20.95%), аргона (Ar — 0.93%) и углекислого газа (CO₂ — около 0.04%). Переменными компонентами являются водяной пар (до 4% во влажных тропиках), аэрозольные частицы и пыль.

По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на слои:

1. Тропосфера: нижний слой (до 8–10 км на полюсах и до 16–18 км над экватором). Здесь сосредоточено более 80% всей массы воздуха и почти 100% водяного пара. Температура падает с высотой в среднем на 0.6°C на каждые 100 м (вертикальный градиент). Здесь протекают все погодные процессы.

2. Стратосфера: от границы тропосферы до высоты 50–55 км. Температура растет от -56°C до близких к 0°C за счет поглощения солнечного ультрафиолета озоновым слоем (максимум концентрации O₃ на высоте 20–25 км).

3. Мезосфера: до высоты 80–85 км, температура падает до рекордных -90°C.

4. Термосфера: до 800 км, под действием рентгеновского и коротковолнового солнечного излучения газы ионизируются (ионосфера, полярные сияния), а температура кинетически возрастает до 1500°C.

5. Экзосфера: зона рассеивания атомов легких газов (водорода и гелия) в открытый космос.

Атмосферное давление — это сила, с которой столб воздуха давит на единицу площади поверхности. Нормальным давлением на уровне моря считается 760 мм рт. ст. (1013.25 гПа) при температуре 0°C на широте 45°.

На Земле формируется строгая широтная зональность чередования поясов давления:

1. Экваториальный пояс низкого давления: интенсивный солнечный прогрев вызывает подъем теплого воздуха (конвекцию). Образуется зона динамического разрежения с восходящими токами и ежедневными грозовыми ливнями.

2. Тропические пояса высокого давления (северный и южный около 30° с.ш. и ю.ш.): охлажденный в верхних слоях экваториальный воздух опускается вниз. Нисходящие потоки сжимаются и адиабатически нагреваются, препятствуя конденсации влаги (формируются великие пустыни мира — Сахара, Аравийская, Калахари).

3. Умеренные пояса низкого давления (около 60° с.ш. и ю.ш.): зоны столкновения теплых тропических и холодных полярных воздушных масс (полярный фронт), активный циклогенез.

4. Полярные пояса высокого давления (Арктика и Антарктика): экстремально холодный, плотный и тяжелый воздух опускается к поверхности.

Воздух всегда перемещается из областей высокого давления в области низкого давления. Однако из-за осевого суточного вращения Земли на любое движущееся тело действует сила Кориолиса, отклоняющая воздушные потоки вправо в Северном полушарии и влево — в Южном полушарии.

Основные типы планетарных ветров:

1. Пассаты: постоянные ветры, дующие из тропических областей высокого давления к экватору. Из-за силы Кориолиса они приобретают северо-восточное направление в Северном полушарии и юго-восточное — в Южном. Пассаты отличаются высокой стабильностью скорости и направления.

2. Западные ветры умеренных широт (Западный перенос): направлены из тропиков в умеренные широты. Сила Кориолиса закручивает их на восток, создавая мощный перенос воздушных масс с запада на восток, определяющий погоду Европы и Казахстана.

3. Северо-восточные и юго-восточные полярные ветры: дуют от полюсов к умеренным широтам.

4. Муссоны: сезонные ветры, меняющие направление на противоположное дважды в год из-за разницы в теплоемкости суши и океана. Летний муссон дует с прохладного океана на раскаленный материк, принося катастрофические ливни (Южная и Восточная Азия). Зимний муссон дует с холодного материка на океан, принося сухую ясную погоду.

Количество солнечной энергии (инсоляция), поступающей на единицу площади земной поверхности, определяется углом падения солнечных лучей. Из-за наклона земной оси к плоскости орбиты под углом 66.5° (угол между осью и перпендикуляром составляет 23.5°) на Земле формируется пять тепловых поясов:

1. Жаркий (тропический) пояс: расположен между Северным тропиком (23.5° с.ш.) и Южным тропиком (23.5° ю.ш.). Солнце дважды в год бывает в зените (угол падения лучей 90°), смены сезонов по температуре практически нет, средние температуры выше +20°C.

2. Два умеренных пояса (Северный и Южный): лежат между тропиками (23.5°) и полярными кругами (66.5°). Солнце никогда не бывает в зените, четко выражены четыре сезона года (зима, весна, лето, осень), высокая амплитуда температур. Казахстан целиком лежит в Северном умеренном поясе.

3. Два холодных (полярных) пояса: лежат за Северным и Южным полярными кругами (от 66.5° до 90°). Характерны явления полярного дня и полярной ночи, солнечные лучи скользят под малым углом, большая часть энергии отражается снегом и льдом (высокое альбедо).