Сравнение слоёв атмосферы
Атмосфера неоднородна по высоте: с подъёмом меняются температура, давление, плотность воздуха и состав газов. Для экзамена важно сравнивать слои по границам, направлению изменения температуры, происходящим явлениям и значению для жизни Земли.
Как устроена атмосфера по высоте
Строение атмосферы обычно рассматривают по изменению температуры с высотой. Главные слои, которые нужно различать в школьном курсе, — тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера. Между слоями находятся переходные области — паузы: тропопауза, стратопауза и мезопауза. Их положение не является абсолютно постоянным: оно зависит от широты, времени года и состояния атмосферы.
| Слой | Примерная высота | Как меняется температура | Главные особенности |
|---|---|---|---|
| Тропосфера | От поверхности до 8–10 км у полюсов и 16–18 км у экватора | Понижается с высотой | Облака, осадки, ветер, основная масса воздуха и водяного пара |
| Стратосфера | Примерно 10–50 км | Повышается с высотой | Озоновый слой, мало облаков и вертикальных движений |
| Мезосфера | Примерно 50–85 км | Понижается с высотой | Сгорание большинства метеороидов, самые низкие температуры у мезопаузы |
| Термосфера | Примерно от 85 км до 500–800 км | Повышается с высотой | Ионосфера, полярные сияния, поглощение жёсткого излучения |
Атмосферное давление — сила, с которой воздух действует на единицу площади поверхности. С высотой давление и плотность воздуха в целом уменьшаются, потому что над точкой находится меньший столб воздуха.
В школьных заданиях высоту слоя определяют приблизительно, поэтому нужно обращать внимание на слова «около», «примерно», «до». Нельзя считать границы слоёв одинаковыми над всей планетой.
Тропосфера: слой погоды и жизни
Тропосфера — нижний слой атмосферы, непосредственно соприкасающийся с земной поверхностью. Её мощность неодинакова: у экватора воздух сильнее прогревается и расширяется, поэтому верхняя граница выше; у полюсов она ниже. В тропосфере сосредоточено около 75–80% массы всей атмосферы и почти весь водяной пар.
- Температура в среднем понижается на 0,6 °C на каждые 100 м, или примерно на 6 °C на 1 км подъёма.
- Здесь образуются облака, выпадают осадки и происходят почти все явления погоды.
- Воздух активно перемешивается по вертикали и горизонтали.
- Тропосфера особенно важна для живых организмов: в ней находятся кислород, водяной пар и углекислый газ, необходимые для природных процессов.
В формуле (2) \(T_1\) и \(T_2\) — температура в градусах Цельсия, а \(h\) — разность высот в километрах. Это приближённое правило для стандартной атмосферы, а не точный закон для каждого дня.
При подъёме в тропосфере температура обычно понижается, а атмосферное давление уменьшается. Именно поэтому воздух на высоте холоднее и разреженнее, чем у поверхности.
Стратосфера и озоновый слой
Стратосфера расположена над тропосферой, приблизительно от 10–18 до 50 км. В её нижней части температура меняется мало, а затем повышается с высотой. Причина — поглощение ультрафиолетового излучения Солнца озоном. Поэтому направление изменения температуры в стратосфере противоположно обычному направлению в тропосфере.
Озоновый слой не является отдельной оболочкой с чёткими стенками: это область повышенной концентрации озона, главным образом на высотах около 20–30 км. Озон поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения и тем самым защищает живые организмы. Вертикальное перемешивание в стратосфере слабее, чем в тропосфере, поэтому облаков и осадков там мало.
В тропосфере температура понижается с высотой из-за особенностей нагревания воздуха от земной поверхности. В стратосфере температура повышается с высотой главным образом из-за поглощения ультрафиолета озоном. Озоновый слой не «нагревает Землю» напрямую и не совпадает со всей стратосферой.
В каком слое с высотой температура в среднем повышается благодаря поглощению ультрафиолетового излучения?
Верхние слои: мезосфера и термосфера
Мезосфера простирается примерно от 50 до 85 км. В ней температура вновь понижается с высотой и у верхней границы может достигать около −90 °C. Большинство небольших метеороидов сгорает именно здесь при столкновении с частицами воздуха, поэтому наблюдаемые «падающие звёзды» связаны прежде всего с мезосферой.
Термосфера начинается примерно с 85 км. Несмотря на очень разреженный воздух, температура здесь возрастает с высотой: отдельные частицы получают энергию от солнечного излучения. Однако ощущаемого человеком нагрева почти нет, потому что частиц слишком мало для эффективной передачи тепла. В термосфере расположена значительная часть ионосферы — области, где под действием излучения образуются заряженные частицы.
- Ионосфера влияет на распространение радиоволн.
- В верхних слоях атмосферы возникают полярные сияния.
- Термосфера поглощает часть рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца.
- Состав и границы верхних слоёв сильнее меняются под влиянием солнечной активности.
Температура частицы показывает её среднюю кинетическую энергию, но ощущаемое тепло зависит также от количества частиц. В термосфере воздух крайне разрежен, поэтому суммарная передача энергии телу мала.
Разобранный пример: температура на высоте
У поверхности температура воздуха равна \(+18\) °C. Какой будет приблизительно температура на высоте 3 км в тропосфере?
Показать Шешім Шешім
Жауабы: примерно \(0\) °C. Это оценка по среднему вертикальному градиенту температуры; реальное значение может отличаться из-за погоды, влажности и движения воздуха.
Сравнение слоёв: алгоритм для экзамена
- Определите слой по указанной высоте: до примерно 10–18 км — тропосфера, 10–50 км — стратосфера, 50–85 км — мезосфера, выше 85 км — термосфера.
- Проверьте направление изменения температуры: тропосфера — вниз, стратосфера — вверх, мезосфера — вниз, термосфера — вверх.
- Свяжите явление со слоем: погода — тропосфера, озон — стратосфера, метеоры — мезосфера, полярные сияния и ионосфера — термосфера.
- Если требуется объяснение, укажите причину: нагрев от поверхности, поглощение излучения озоном или поглощение излучения разреженными частицами.
Не называйте стратосферу слоем погоды: основные облака и осадки находятся в тропосфере. Не утверждайте, что озоновый слой расположен на одной строго заданной высоте. Не путайте полярные сияния с метеорами: первые связаны с верхней атмосферой, вторые чаще всего наблюдаются при сгорании тел в мезосфере. Наконец, рост температуры в термосфере не означает большой плотности и сильного нагрева поверхности.
Проверь себя
Главное
- Тропосфера — нижний слой, где формируется погода; температура обычно понижается примерно на 6 °C на 1 км.
- Стратосфера лежит выше тропосферы; в ней температура повышается с высотой из-за поглощения ультрафиолета озоном.
- В мезосфере температура снова понижается, а большинство метеороидов сгорает.
- В термосфере температура растёт, расположены области ионосферы и возникают полярные сияния.
- С высотой в целом уменьшаются давление и плотность воздуха, а границы слоёв являются приблизительными.