Планетарные значения атмосферы

Водяного пара в стратосфере  ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше[8].

Мезосфера. Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.

На верхней границе мезосферы  давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким  образом, в тропосфере, стратосфере  и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5 % всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.

На высоте около 50 км над Землей температура снова начинает падать, обозначая верхнюю границу стратосферы  и начало следующего слоя - мезосферы. Мезосфера имеет самую холодную температуру в атмосфере: от -2 до - 138°С. Здесь же находятся самые высокие облака: в ясную погоду их можно видеть при закате. Они называются noctilucent (светящиеся ночью).

Термосфера. Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону.

Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали, что на высотах 300-750 км его средняя плотность порядка 10-8-10-10 г/м³. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км - свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве[9].

Ионосфера, как говорит самоназвание, характеризуется очень сильной  степенью ионизации воздуха - содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015-106 на кубический сантиметр.

В ионосфере выделяется несколько  слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100-120 км (слой Е) и 200-400 км (слой F). Но и  в промежутках между этими  слоями степень ионизации атмосферы  остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.

От степени ионизации зависит  электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха, в общем, в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70-80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями.

Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь  на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования.

В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные магнитные бури.

Ионизация в ионосфере обязана  своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности. С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений.

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.

Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что  частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере  так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство. Термосфера находится выше мезосферы на высоте от 90 до 500 км над поверхностью Земли. Молекулы газа здесь сильно рассеянны, поглощают рентгеновское излучение (X rays) и коротковолновую часть ультрафиолетового излучения. Из-за этого температура может достигать 1000 градусов Цельсия.

Термосфера в основном соответствует  ионосфере, где ионизированный газ  отражает радиоволны обратно к Земле - это явление дает возможным устанавливать  радиосвязь[10].

Экзосфера. Выше 800-1000 км атмосфера переходит в экзосферу и постепенно в межпланетное пространство. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Ускользанию подвергаются преимущественно  атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.

Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере, в десять раз меньше.

С помощью спутников и геофизических  ракет установлено существование  в верхней части атмосферы  и в околоземном космическом  пространстве радиационного пояса  Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации[11].

1.2 Атмосферы планет солнечной системы

Атмосфера Меркурия так сильно разрежена, что, можно сказать, её практически нет.

Воздушная оболочка Венеры состоит  из углекислого газа (96 %) и азота (около 4 %) , она очень плотная - атмосферное давление у поверхности планеты почти в 100 раз больше, чем на Земле.

Марсианская атмосфера тоже состоит  преимущественно из углекислого газа (95 %) и азота (2,7 %), но её плотность меньше земной примерно в 300 раз, а давление - почти в 100 раз.

Видимая поверхность Юпитера на самом деле представляет собой верхний  слой водородно-гелиевой атмосферы. Такие  же по составу воздушные оболочки Сатурна и Урана. Красивый голубой цвет Урана обусловлен высокой концентрацией метана в верхней части его атмосферы. У Нептуна, окутанного углеводородной дымкой, выделяют два основных слоя облаков: один состоит из кристаллов замёрзшего метана, а второй, расположенный ниже, содержит аммиак и сероводород.

Атмосфера - это газовая оболочка планеты, движущаяся вместе с планетой в мировом пространстве как единое целое. Своими атмосферами обладают почти все планеты нашей солнечной системы, но только земная атмосфера способна поддерживать жизнь. В атмосферах планет есть аэрозольные частицы: твёрдые пылинки, поднятые с твёрдой поверхности планеты, жидкие либо твёрдые частицы, возникшие в результате конденсации атмосферных газов, метеорная пыль. Рассмотрим подробно состав и особенности атмосфер планет Солнечной системы.

Меркурий. На этой планете имеются  следы атмосферы: зафиксированы  гелий, аргон, кислород, углерод и  ксенон. Давление атмосферы на поверхности  Меркурия чрезвычайно мало: составляет двухтриллионную долю от нормального земного атмосферного давления. При такой разреженности атмосферы в ней невозможно образование ветров и облаков, она не защищает планету от жара Солнца и космических излучений[12].

Венера. В 1761 году Михаил Ломоносов, наблюдая прохождение Венеры по диску Солнца, заметил тоненький радужный ободочек, окружавший планету. Так была открыта атмосфера Венеры. Эта атмосфера исключительно мощная: давление у поверхности оказалось в 90 раз больше, чем у поверхности Земли. Атмосфера Венеры на 96,5 % состоит из углекислого газа. Не более 3 % приходится на долю азота. Кроме того, обнаружены примеси инертных газов (в первую очередь, аргона). Парниковый эффект в атмосфере Венеры поднимает температуру на 400 градусов!

Небо на Венере имеет яркий жёлто-зеленый оттенок. Туманная дымка простирается до высоты около 50 км. Далее до высоты 70 км идут облака из мелких капель серной кислоты. Считается, что она образуется из диоксида серы, источником которого могут быть вулканы. Скорость вращения на уровне верхней границы облаков иная, чем над самой поверхностью планеты. Это означает, что над экватором Венеры на высоте 60-70 км постоянно дует ураганный ветер со скоростью 100-300 м/с в направлении движения планеты. Самые верхние слои атмосферы Венеры состоят почти целиком из водорода.

Атмосфера Венеры простирается до высоты 5500 км. В соответствии с вращением  Венеры с востока на запад в  том же направлении происходит и  вращение атмосферы. В соответствии с температурным профилем атмосфера  Венеры делится на две области: тропосферу и термосферу. На поверхности температура равняется + 460°С, она мало меняется днем и ночью. К верхней границе тропосферы температура понижается до -93°С.

Марс. Небо этой планеты не чёрное, как это предполагалось, а розовое. Оказалось, что пыль, висящая в воздухе, поглощает 40 % поступающего солнечного цвета, создавая цветной эффект. Атмосфера Марса на 95 % состоит из углекислого газа. Около 4 % приходится на долю азота и аргона. Кислорода и водяного пара в марсианской атмосфере меньше 1 %. Среднее давление атмосферы на уровне поверхности в 15000 раз меньше, чем на Венере, и в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли. Парниковый эффект поднимает среднюю температуру у поверхности на 9°С.

Для Марса характерны резкие колебания  температур: днём температура может доходить до +27°С, но уже к утру до -50°С. Происходит это из-за того, что разреженная атмосфера Марса не способна удерживать тепло. Одним из проявлений перепада температур являются очень сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. На Марсе встречаются облака самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые.

Юпитер представляет собой огромный быстро вращающийся жидкий шар, увенчанный толстой атмосферой, простирающейся на 1000 км и состоящей в основном, из водорода и гелия. Цветные облака и закрученные атмосферные вихри циркулируют в буквально на глазах изменяющейся атмосфере. Иногда здесь вспыхивают гигантские сверхмолнии. Между перемещающимися тёмными цветными полосами и более светлыми зонами возникают сложные атмосферные образования.

Яркие красные, оранжевые и коричневые облака могут быть окрашены различными химическими соединениями и находиться на различной глубине. Знаменитое Большое  Красное пятно - это колоссальный атмосферный вихрь. В течение более трёхсот лет наблюдений оно меняло свой размер, яркость и цвет. Большое Красное пятно вращается против часовой стрелки. Его ширина 14000 км, длина 40000 км. Температура облаков в верхних слоях атмосферы доходит до -130°С.

Сатурн. Его динамичная атмосфера  также имеет пояса и зоны. Над видимыми облаками - очень толстый слой тумана. Вблизи верхней границы облаков температура около -180°С, с огромными скоростями свыше 600 км/ч - дуют ветры, полыхают молнии и сверкают полярные сияния. Атмосфера Сатурна состоит преимущественно из водорода, гелия и метана[13].

Уран и Нептун выглядят как гигантские близнецы. Обе планеты имеют толстый  покров из водородно-метановых облаков. Атмосфера на Уране мощная, толщиной не менее 8000 км. Она состоит примерно из 83 % водорода, 15 % гелия и 2 % метана. Именно метановая дымка хорошо поглощает красные лучи из солнечного света, поэтому Уран кажется голубым. Он имеет полосы облаков, которые очень быстро перемещаются. Ветры в средних широтах дуют со скоростью от 40 до 160 м/с. Имеющееся у планеты магнитное поле делает возможным полярные сияния, наблюдающиеся в верхней части атмосферы.