Экзосфера — сфера рассеяния — представляет собой внешний слой, постепенно переходящий в межпланетное пространство. Температура здесь еще более повышается, предположительно она равна 2000 К, газы находятся в весьма разреженном состоянии, их частицы движутся с огромными скоростями, почти не сталкиваясь друг с другом.
Жизнь и деятельность человека развивается в самой нижней части атмосферы. Поэтому особенно важно знать, как взаимодействует атмосфера с земной поверхностью. С этой точки зрения атмосферу принято делить на нижний, пограничный слой, в пределах 1–1,5 км, и верхний, лежащий выше, называемый свободной атмосферой. В первом существуют суточные изменения метеорологических элементов, на движение воздуха влияет трение о земную поверхность. В этом слое может быть выделен еще один, самый нижний, высотой 50—100 м. Его называют приземным слоем, потоки тепла и водяного пара в нем мало изменяются с высотой.
В горизонтальном направлении атмосфера также неоднородна. Вся тропосфера делится на обширные объемы с относительно однородными условиями, узкими полосами, где метеорологические изменения весьма резки. Обширные объемы воздуха, перемещающиеся в одном из течений, называется воздушными массами. В зависимости от того, где формировалась та или иная воздушная масса, как долго находилась она над определенной подстилающей поверхностью, зависят ее свойства. Естественно, что одни свойства рождаются в воздухе, подстилаемом льдами Арктики, и совсем другие — в тропиках. Таким образом, возникла следующая классификация воздушных масс, основанная на географических особенностях их формирования.
1. Арктический воздух, образовавшийся над Полярным кругом, в Арктическом бассейне и над прилежащими частями материка (АВ).
2. Умеренный воздух, формирующийся в умеренных широтах (УВ).
3. Тропический воздух, образующийся в тропических и субтропических широтах (ТВ). Этот воздух формируется иногда в летнее время над континентами в южных районах умеренных широт.
4. Экваториальный воздух — воздух экваториальной зоны, иногда переходящий из одного полушария в другое (ЭВ).
Внутри одной и той же воздушной массы метеорологические элементы меняются мало, а при переходе из одной массы в другую — резко, скачком. Переходные зоны, где метеорологические элементы в горизонтальном направлении изменяются быстро, принято называть фронтом (иногда фронтальными зонами, или фронтальными поверхностями). Когда надвигается холодный воздух и клином подтекает под отступающий и вытесняемый вверх теплый воздух, фронт называется холодным. Когда надвигается теплый воздух и постепенно натекает на отступающий холодный, речь идет о теплом фронте.
Различают три главных фронта: арктический (между арктическим и умеренным воздухом), умеренных широт (между умеренным и тропическим), тропический (между тропическим и экваториальным воздухом).
Перемещения, изменения и взаимодействие воздушных масс и фронтов обусловливают изменение погоды, поэтому их изучение особенно важно при составлении прогнозов. Движение атмосферы различных масштабов и природы, физические явления и процессы, происходящие в атмосфере (излучение, нагревание и охлаждение, взаимные превращения пара, воды и льда), составляют сущность современной науки о воздушной оболочке Земли. Но воспроизвести все сложнейшие явления в заранее заданной обстановке невозможно. Поэтому в последние годы организуются крупномасштабные натурные эксперименты. В 1972–1974 гг. был проведен Международный тропический эксперимент по изучению динамики и энергетики тропической зоны планеты, использовались современные методы наблюдений атмосферы и океана.
В состав атмосферы входят различные группы веществ. Первая — главные постоянные газы: азот, кислород, аргон. Сюда может быть отнесен и водяной пар, хотя количество его непостоянно и заметно меняется от времени и места. Далее идут малые постоянные газы: углекислота, окись углерода, метан и др. Они химически устойчивы, но существуют в атмосфере в небольших количествах. Причисляют к данной группе озон атмосферы и нижней стратосферы — ненасыщенные и неустойчивые молекулы, малочисленные и химически очень активные, озон верхней атмосферы. В последнюю группу входят аэрозоли — твердые и жидкие частицы, плавающие в воздухе.
Азот воздуха составляет по объему 78,08 %. Он почти не участвует в поглощении энергии и превращениях вещества в атмосфере. Исключение представляют, пожалуй, лишь некоторые виды бактерий в почве, которые усваивают азот и выделяют в атмосферу очень небольшое количество его окиси. Преобладание азота в атмосфере объясняют его инертностью. Выделившийся в начальной стадии образования атмосферы он сохранился в ней в большем количестве, чем другие газы.
Вторая по объему (20,95 %) составная часть атмосферного воздуха — кислород. Он необходим для дыхания почти всех живых организмов, горения, участвует в реакциях со многими другими газами. Ракетные наблюдения показали, что на больших высотах (порядка 200 км) кислород должен преобладать над азотом. О кислороде в верхней атмосфере можно судить по спектрам в полярных сияниях. Здесь под действием проникающих в атмосферу протонов и электронов, испускаемых активными областями (например, вспышками на Солнце), светятся разреженные газы и больше всего атомарный кислород. Эти частицы, сталкиваясь, возбуждают атомы и молекулы, которые затем высвечиваются. Нижний край кислородных полярных сияний расположен на высоте около 100 км, а верхний — до 700 км. 8 марта 1970 г. в Москве наблюдалось большое полярное сияние, в котором видны были зеленое и красное свечения с фиолетовыми оттенками.
Аргон как тяжелый газ, по-видимому, в термосфере отсутствует. Аргон атмосферы пассивен.
Углекислый газ принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла. Средняя его концентрация по объему в 1973 г. составляла 0,0324 %. Надо заметить, что она непрерывно возрастает из-за сжигания топлива, лесных пожаров и обжига цемента. Так, за время с 1890 г. эти источники давали в год около 1,4 * 109 т, а в 1971 г. уже почти 2 * 1010 т CO2. Годовое увеличение углекислоты в атмосфере составляет только половину этой величины, а следовательно, другая половина должна поглощаться океаном. Но последний процесс идет медленно, и еще медленнее происходит передача углекислоты в глубинные слои, в которых уже растворено углекислоты в 50 раз больше, чем в атмосфере.
Углекислота энергично потребляется растениями как на земной поверхности, так и в океане. По оценкам некоторых ученых, из-за накопления углекислоты должно произойти повышение средней температуры воздуха приблизительно на 3 °C. Большее потепление (до 11°) должно охватить полярные страны и меньшее (до 2°) — тропические, в первую очередь в южном полушарии, где площадь поглощающей поверхности океана больше. Это, однако, процесс длительный.
В атмосфере есть также в небольшом количестве окись углерода, концентрация которой особенно велика в промышленных районах. Над океаном она меньше.
Водород находится в нижней атмосфере, куда попадает при промышленном загрязнении воздуха и извержении вулканов. В земной атмосфере очень мало водорода и сравнительно мало гелия, хотя он и выделяется при радиоактивном распаде. Приход и уход гелия уравновешивается поступлением его из земной коры и ускользанием вверх. Полагают, что водород, участвовавший в образовании нашей планеты, уже почти весь потерян.
Присутствие в атмосфере озона имеет очень большое значение — он защищает живые организмы от вредного, а порой и губительного влияния избытка ультрафиолетовых лучей Солнца.
В далекие геологические эпохи, когда в атмосфере Земли не было кислорода и озона, жизнь развивалась в океане, защищенном слоем воды. Водоросли понемногу выделяли кислород в атмосферу. В начале палеозойской эры его количество составляло сотую долю от современного, над земной поверхностью возник слой озона. Сотни миллионов лет на Земле преобладали лишь водоросли и грибы, затем начался бурный расцвет жизни на суше во всех ее формах. Защитная роль озона велика и в наши дни. Более 1 % солнечной энергии поглощается в верхней части озона, именно поэтому такой теплый воздух (выше 0°) наблюдается в слое 40–55 км. Озон химически активен, реагирует с другими малыми газами атмосферы.
Озон — сильно расслоенный в атмосфере газ. Высота, мощность и смешение его сильно зависят от динамических процессов атмосферы. Наблюдения над озоном дают возможность детально изучать циркуляцию атмосферы, движения фронтов.
Атмосферная пыль и загрязнения
Жидкие взвешенные частицы создают в атмосфере облака и туманы. К твердым, чрезвычайно разнообразным по происхождению и составу, относятся частицы дыма, мглы и пыли. Пыль может быть как естественной (от почвы, горных пород, пыльцы растений), так и возникающей в результате деятельности человека (дым, сажа, цемент и др.). Промышленность загрязняет воздух сернистым газом, окисью углерода, серной и соляной кислотой, неполностью сгоревшими углеродами выхлопных газов автомашин.
