Науки о Земле - астрономии
Температурный и оптический режим атмосферы Земли
О.С. УГОЛЬНИКОВ,
кандидат физико-математических наук
ИКИ РАН
Эра изучения Вселенной с помощью космических обсерваторий началась несколько десятилетий назад (Земля и Вселенная, 2009, № 1). Но и сейчас подавляющее большинство астрономических наблюдений проводится с поверхности нашей планеты. Относится это не только к любитель-
ЗЕМНАЯ АТМОСФЕРА И АСТРОНОМИЯ
Во время любых наземных астрономических наблюдений, будь то обычная зрительная труба или крупный наземный телескоп, мы изучаем интересующие нас объекты Вселенной. Атмосфера Земли изменяет излучение далеких небесных объектов, проходящее сквозь газовую
2. Земля и Вселенная, № 4
оболочку нашей планеты. По сравнению с атмосферой других планет Солнечной системы земная атмосфера уникальна обилием кислорода, дающего нам возможность дышать.
Взаимодействие излучения с атмосферой включает в себя несколько разных процессов, и при проведении астрономических исследований ученые должны
ским телескопам, но и к исследованиям на передовом фронте астрономической науки. За последние десятилетия в строй было введено несколько 5-10-м наземных оптических телескопов, еще больше проектов находятся в стадии разработки (Земля и Вселенная, 2004, № 2).
четко представлять, каким образом атмосфера воздействует на вид небесных объектов и как правильно учесть это влияние. Не менее важная задача - выбор правильного места на Земле для строительства обсерваторий и проведения наблюдений. К этому пункту предъявляются серьезные требования: все атмосферные эффекты, искажающие
33
© Угольников О.С.
Вид атмосферы Земли с борта Международной космической станции, совершающей полет на высоте 360 км. Фото NASA.
изображение небесных объектов, должны быть если не минимальными, то учитываемыми, предсказуемыми. Помимо этого, во время астрономических наблюдений должна быть ясная погода, ведь облака зачастую делают их невозможными.
Все вышеперечисленное тесно связывает астрономическую науку с физикой и оптикой
атмосферы Земли. Поэтому многие астрономы, особенно экспериментаторы, - хорошие специалисты в области атмосферной оптики. С другой стороны, астрономическая наука на протяжении многих десятилетий способствовала развитию науки об атмосфере, особенно о ее верхних слоях. Сейчас одним из главных инструментов изучения физики атмосферы становятся космические проекты. Когда мы говорим о наземных астрономических наблюдениях, мы не можем не учитывать свойства атмосферы, поэтому они должны быть хорошо известны любому астроному-экспериментатору.
СТРОЕНИЕ
И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газовая оболочка нашей планеты, окутывая весь земной шар, простирается от поверхности Земли до высоты в несколько сотен километров. Большинство искусственных спутников Земли обращаются по своим орбитам в среде, существенно более плотной, чем окружающее межпланетное пространство, что приводит к изменению орбит - постепенному снижению спутников и их последующему входу в плотные слои атмосферы.
Состав атмосферы сложен и изменяется с высотой. На молекулярный азот (Ы2) приходится около 78% всего ее объема,
Экзосфера
Термосфера Полярное сияние
Ионосфера
Мезосфера Серебристые облака
Стратосфера Озоновый слой Перламутровые облака
Тропопауза
Тропосфера чг 4
Схема строения земной атмосферы.
молекулярного кислорода (О2) в воздухе около 21%, аргона (Аг) - почти 1%. И хотя все остальные примеси вместе дают вклад лишь в малые доли процента, влияние некоторых из них на физические условия у поверхности Земли оказывается очень сильным. Если бы воздушная среда содержала только азот, кислород и аргон, жизнь в ее современных формах была бы невозможна. Средняя температура опустилась бы ниже 0 °С, а сама поверхность Земли подвергалась бы мощному потоку ультрафиолетовой радиации Солнца. Столь необычная картина связана с тем, что все три основных газа атмосферы прозрачны как для видимых солнечных лучей, так и для теплового инфракрасного излучения Земли. В спектре кислорода есть узкие полосы поглощения на границе видимого и инфракрасного диапазонов, но они мало изменяют общую температурную картину. В реальной атмосфере вся переработка радиации и тем самым регулирование теплового баланса осуществляется малыми газовыми примесями.
Физические свойства атмосферы и набор малых 2*
Атмосферные катаклизмы - ураган (а), циклон (б) и смерч (в), - возникающие в результате тепловых процессов в слоях тропосферы.
примесей на разных высотах сильно отличаются друг от друга. Около 90% всей массы атмосферы сосредоточено в ее нижнем слое - тропосфере, простирающейся до высоты 15 км. Это самая знакомая нам часть атмосферы, среда нашего обитания. В качестве примесей в ней присутствуют инертные газы (не только аргон), углекислый газ, метан, водяной пар и другие соединения. Доля водяного пара обычно не больше десятой доли процента, но он играет ключевую роль во многих тропосферных процессах, в частности в формировании облачности и осадков. Основным фактором, определяющим климат и астроклимат, считается водяной пар.
ТРОПОСФЕРА
Почему же малая примесь - водяной пар - оказывается столь важной в тропосфере? Все дело в том, что водяной пар -единственная газовая составляющая, способная конденсироваться при земных температурах, превращаясь в жидкость. Как известно, вода характеризуется большим значением удельной теплоты парообразова-
Схема течения воздуха через горный массив. Рисунок автора.
ния - 2,25x10® Дж/кг, и при конденсации водяного пара выделяется значительное количество энергии. После ряда преобразований именно эта энергия приходит к нам в виде ураганов, циклонов, тайфунов, смерчей и других атмосферных катаклизмов. Водяной пар играет определяющую роль в тепловом балансе слоев тропосферы. Теплота парообразования также играет роль резервуара энергии, существенно снижающего температурные вариации на влажных территориях поверхности Земли и в нижней атмосфере.
Помимо этого, водяной пар вместе с тропосферным озоном (О3) и, главным образом, с углекислым газом (С02) обладает широкими полосами поглощения в ИК-спек-тре (Ао3 = 9,6 мкм, Асо2 = = 15 мкм). Инфракрасные полосы уменьшают отток энергии от Земли и способствуют нагреву ее поверхности и нижних слоев атмосферы - это и есть известный "парниковый эффект". Поэтому температура поверхности Земли существенно выше, чем в случае чистой азотно-кислородной атмосферы.
Температура тропосферного воздуха умень-
шается с высотой в среднем на 6° на километр; сухой воздух охлаждается с высотой еще быстрее - 10° на километр. Вершины гор остаются заснеженными, даже когда у их подножия по-летнему тепло. За бортом самолета, набравшего высоту около 10 км, температура обычно -50 °C. Разница высотного температурного градиента для сухого и влажного воздуха может оказывать заметное влияние на климатические условия у поверхности. Примером тому может служить фен - ветер, огибающий горные массивы. До встречи с горами воздух может быть влажным, но при подъеме вдоль склона влага конденсируется, образует облака и выделяет тепло, замедляя охлаждение воздуха. После обхода горного массива сухой воздух быстро нагревается и при
достижении поверхности оказывается значительно теплее, чем до подъема. Погода на этой территории будет теплой и ясной.
Уменьшение температуры с высотой позволяет атмосферному воздуху перемешиваться: теплые массы поднимаются, холодные - опускаются. За счет этого конвективного перемешивания химический состав тропосферного воздуха почти не изменяется с высотой. Уменьшается лишь содержание водяного пара: поднимаясь в более холодные области тропосферы, он конденсируется. Так в атмосфере образуются облака, прежде всего - в циклонах, областях пониженного приземного атмосферного давления. Воздушные массы перемещаются над поверхностью Земли от краев к центру циклона, а затем
Метеоспутник ^ ,
Высотный самолет, изучающий метеообстановку
Метеозонд
Атмосферные
потоки Летающая лаборатория NASA
влажного воздуха
Радар '
поднимаются, образуя облачность. В антициклоне - области повышенного давления - ситуация обратная: сухие воздушные массы опускаются из верхних слоев тропосферы, и погода остается безоблачной.
Выше 10 км уменьшение температуры замедляется, а на высоте 15-17 км оно и вовсе останавливается. Тропосферные конвективные потоки не поднимаются выше этого слоя, который называется тропопаузой - верхней границей тропосферы.
СТРАТОСФЕРА
Далее начинается следующий слой нашей газовой оболочки - стратосфера. До высот порядка 30 км температура не меняется и весьма мала -около -60 °С, а зимой в
полярных широтах падает ниже -80 °С, и тогда даже при низком стратосферном давлении возможно образование кристалликов льда. В этом случае мы наблюдаем перламутровые (или полярные стратосферные) облака на высоте 7-20 км. Они видны в полярные сумерки, когда их подсвечивает зашедшее Солнце, и представляют собой очень красивое зрелище.
Твердые и жидкие частицы могут появиться в стратосфере и по другим причинам. Один из главных источников атмосферного аэрозоля -извержения вулканов. Наиболее мощные из них приводят к глобальному увеличению содержания аэрозоля на несколько лет. Последний раз это наблюдалось после из-
Схема образования обла -ков в тропосфере на высоте 3-10 км.
вержения вулкана Пина-тубо в июне 1991 г. Вулканическое загрязнение атмосферы идет двумя путями. В тропосферу выбрасывается большое количество пыли и пепла, их скопление достигает высоты несколько километров и далее разносится ветрами над обширными территориями.
Второй источник загрязнения атмосферы связан с газовыми продуктами вулканических извержений, преимущественно с двуокисью серы Э02. В тропосферных условиях этот газ химически стабилен. Однако во время сильных извержений он мо-
Перламутровые облака на высоте 17-20 км. Мурманск. Фото В. Бардылёва.
жет пройти сквозь тропопаузу и оказаться в стратосфере, содержащей активные химические компоненты - атомарный кислород, озон, гидроксил (ОН). В ходе химических реакций они окисляют диоксид серы, превращая его в серную кислоту (Н2Э04). Эт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.