Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1314


1.2. вертикальное строение атмосферы земли

 

Из уравнения Менделеева – Клапейрона следует, что давление воздуха

(μ = 29 г/моль) зависит от температуры следующим образом:

 

p  RT ,       (1.1)

 

где ρ – плотность газа. Из гидростатики также известна зависимость убыли дав- ления с увеличением высоты:

 

dp   gdh .    (1.2)

 

Исключая из (1.1), (1.2) плотность, получаем уравнение, описывающее зависимость давления от высоты:

 

dp   g

 

dh ;

p          RT

 

0                 ç

 
p  p  exp 

gh 

 .       (1.3)

         RT 

 

Реальная зависимость давления атмосферы от высоты гораздо сложнее, так как ее температура по высоте непостоянна (см. рис.1.2 [1]).

При подъеме от поверхности Земли температура вначале убывает. На вы- соте 17 км над тропиками она равна -75 °С. Эта часть атмосферы называется тропосферой (от греч. tropos – поворот). В тропосфере содержится более 80\% всей массы атмосферного воздуха и около 90\% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. Именно здесь возникают облака, формируются циклоны и анти- циклоны.

Следующий слой атмосферы, где температура нарастает, называется стратосферой (от лат. stratum – настил). Она простирается до высоты пример- но 55 км. При этом, достигнув на высоте около 40 км значения, близкого к 0 °С, температура далее почти не изменяется. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой.

За стратосферой,  до  высоты  около  90 км, располагается мезосфера (от греч. mesos – средний, промежуточный). В мезосфере температура снова пада- ет, до температуры примерно -85 °С. Мезосфера заканчивается мезопаузой, где имеет место минимум температуры.

h,км

 

1000

 

300

 

100

 

30

 

10

 

 

Экзосфера

 

Термосфера

 

Мезосфера

 

Стратосфера

 

 

3          Тропосфера

 

0          200      400      600      800      1000    T, K

 

Рис. 1.2. Зависимость температуры от высоты в атмосфере Земли

 

Выше простирается термосфера. В ней температура снова растет и на высоте около 400 км достигает 1000–1200 К. Затем она остается почти постоян- ной. Термосфера простирается до высоты около 800 км. Верхний предел термо- сферы в значительной мере определяется активностью Солнца. В периоды низ- кой активности имеет место уменьшение толщины термосферы. Основным га- зом на высотах свыше 300 км является атомарный кислород. Под действием ультрафиолетовой и отчасти рентгеновской солнечной радиации, а также кос- мического излучения происходит ионизация воздуха в термосфере и возникают полярные сияния. Граница ионизованного и неионизованного воздуха фактиче- ски располагается на высоте примерно 118 км. Однако для удобства принято считать, что граница между атмосферой Земли и космосом (так называемая ли- ния Кармана) располагается на высоте 100 км над уровнем моря.

Экзосфера (от греч. еxo – вне, снаружи) – это внешняя часть термосферы, где средняя кинетическая энергия молекул остается постоянной, и температура

больше не меняется. Впрочем, концентрация молекул там уже настолько мала, что они практически не соударяются между собой, так что пользоваться терми-

ном  температура  в  этом  случае  не  совсем  корректно.  На  высоте  около

2000–3500 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум, заполненный атомами сильно разреженного водорода и пылевидными частицами кометного и метеорного происхождения.

Как же может быть, что на высоте в несколько сотен километров, где ле- тают космические корабли, температура составляет около тысячи градусов, а они не раскаляются, и космонавты даже выходят в открытый космос? Дело в том, что нагретость тела в данном случае определяется равновесием тепловой энергии, получаемой от Солнца, плюс собственное тепловыделение, и энергии, уносимой инфракрасным излучением в окружающую среду. Из-за чрезвычайно низкой концентрации молекул в термосфере их общая кинетическая энергия поступательного движения все же мала, чтобы оказать заметное влияние на температуру внутри космического корабля или скафандра.