От 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 0 °C, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой . Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше, чем на уровне моря.
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15-20 до 55-60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О 3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км. Общая масса О 3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7-4,0 мм.
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180-200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация , новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний , зарниц и других свечений.
В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют - на атомы (выше 80 км диссоциируют СО 2 и Н 2 , выше 150 км - О 2 , выше 300 км - N 2 ). На высоте 200-500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряжённых частиц (О + 2 , О − 2 , N + 2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы - ОН , НО 2 и др.
В стратосфере почти нет водяного пара.
Полёты в стратосфере
Полёты в стратосферу начались в 1930-х годах. Широко известен полёт на первом стратостате (FNRS-1), который совершили Огюст Пикар и Пауль Кипфер 27 мая 1931 года на высоту 16,2 км. В СССР полёты Пикара вызвали большой интерес, и в 1933-1934 годах были построены стратостаты «СССР-1» и «Осоавиахим-1». 30 сентября 1933 «СССР-1» конструкции К. Д. Годунова совершил полёт на высоту 19 км, установив новый мировой рекорд. Вместе с Годуновым стратостат пилотировали Э. К. Бирнбаум и выдающийся советский воздухоплаватель Г. А. Прокофьев.
Современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолёты летают в стратосфере на высотах до 20 км ввиду более стабильных летных условий (хотя динамический потолок может быть значительно выше). Высотные метеозонды поднимаются до 40 км; рекорд для беспилотного аэростата составляет 51,8 км.
В последнее время в военных кругах США большое внимание уделяют освоению слоёв стратосферы выше 20 км, часто называемых «предкосмосом» (англ. «near space » ). Предполагается, что беспилотные дирижабли и самолёты на солнечной энергии (наподобие NASA Pathfinder) смогут длительное время находиться на высоте порядка 30 км и обеспечивать наблюдением и связью очень большие территории, оставаясь при этом малоуязвимыми для средств ПВО ; такие аппараты будут во много раз дешевле спутников .
См. также
Напишите отзыв о статье "Стратосфера"
Примечания
Отрывок, характеризующий Стратосфера
Кучер Пьера сердито кричал на обоз раненых, чтобы они держали к одной. Кавалерийский полк с песнями, спускаясь с горы, надвинулся на дрожки Пьера и стеснил дорогу. Пьер остановился, прижавшись к краю скопанной в горе дороги. Из за откоса горы солнце не доставало в углубление дороги, тут было холодно, сыро; над головой Пьера было яркое августовское утро, и весело разносился трезвон. Одна подвода с ранеными остановилась у края дороги подле самого Пьера. Возчик в лаптях, запыхавшись, подбежал к своей телеге, подсунул камень под задние нешиненые колеса и стал оправлять шлею на своей ставшей лошаденке.Один раненый старый солдат с подвязанной рукой, шедший за телегой, взялся за нее здоровой рукой и оглянулся на Пьера.
– Что ж, землячок, тут положат нас, что ль? Али до Москвы? – сказал он.
Пьер так задумался, что не расслышал вопроса. Он смотрел то на кавалерийский, повстречавшийся теперь с поездом раненых полк, то на ту телегу, у которой он стоял и на которой сидели двое раненых и лежал один, и ему казалось, что тут, в них, заключается разрешение занимавшего его вопроса. Один из сидевших на телеге солдат был, вероятно, ранен в щеку. Вся голова его была обвязана тряпками, и одна щека раздулась с детскую голову. Рот и нос у него были на сторону. Этот солдат глядел на собор и крестился. Другой, молодой мальчик, рекрут, белокурый и белый, как бы совершенно без крови в тонком лице, с остановившейся доброй улыбкой смотрел на Пьера; третий лежал ничком, и лица его не было видно. Кавалеристы песельники проходили над самой телегой.
– Ах запропала… да ежова голова…
– Да на чужой стороне живучи… – выделывали они плясовую солдатскую песню. Как бы вторя им, но в другом роде веселья, перебивались в вышине металлические звуки трезвона. И, еще в другом роде веселья, обливали вершину противоположного откоса жаркие лучи солнца. Но под откосом, у телеги с ранеными, подле запыхавшейся лошаденки, у которой стоял Пьер, было сыро, пасмурно и грустно.
Солдат с распухшей щекой сердито глядел на песельников кавалеристов.
– Ох, щегольки! – проговорил он укоризненно.
– Нынче не то что солдат, а и мужичков видал! Мужичков и тех гонят, – сказал с грустной улыбкой солдат, стоявший за телегой и обращаясь к Пьеру. – Нынче не разбирают… Всем народом навалиться хотят, одью слово – Москва. Один конец сделать хотят. – Несмотря на неясность слов солдата, Пьер понял все то, что он хотел сказать, и одобрительно кивнул головой.
Дорога расчистилась, и Пьер сошел под гору и поехал дальше.
Пьер ехал, оглядываясь по обе стороны дороги, отыскивая знакомые лица и везде встречая только незнакомые военные лица разных родов войск, одинаково с удивлением смотревшие на его белую шляпу и зеленый фрак.
Проехав версты четыре, он встретил первого знакомого и радостно обратился к нему. Знакомый этот был один из начальствующих докторов в армии. Он в бричке ехал навстречу Пьеру, сидя рядом с молодым доктором, и, узнав Пьера, остановил своего казака, сидевшего на козлах вместо кучера.
– Граф! Ваше сиятельство, вы как тут? – спросил доктор.
– Да вот хотелось посмотреть…
– Да, да, будет что посмотреть…
Пьер слез и, остановившись, разговорился с доктором, объясняя ему свое намерение участвовать в сражении.
Доктор посоветовал Безухову прямо обратиться к светлейшему.
– Что же вам бог знает где находиться во время сражения, в безызвестности, – сказал он, переглянувшись с своим молодым товарищем, – а светлейший все таки знает вас и примет милостиво. Так, батюшка, и сделайте, – сказал доктор.
Доктор казался усталым и спешащим.
Выше тропосферы расположена стратосфера (от греческого «стратиум» - настил, слой). Её масса составляет 20% от массы атмосферы.
Верхняя граница стратосферы расположена от поверхности Земли на высоте:
В тропических широтах (экваторе) 50 – 55 км.:
В умеренных широтах до 50 км.;
В полярных широтах (полюсах) 40 – 50 км.
В стратосфере воздух по мере подъёма нагревается, при этом температура воздуха повышается с высотой в среднем на 1 – 2 градуса на 1 км. подъёма и достигает на верхней границе до +50 0 С.
Повышение температуры с высотой обусловлено главным образом озоном, который поглощает ультрафиолетовую часть солнечной радиации. На высоте 20 – 25 км от поверхности Земли расположен очень тонкий (всего несколько сантиметров) озоновый слой.
Стратосфера очень бедна на водяной пар, здесь не бывает осадков, хотя иногда на высоте 30 км. образуются облака.
На основе наблюдений в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особо опасны для высокоскоростных летательных аппаратов.
Сильные ветры, называемые струйными течениями дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и появляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты.
Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образования озона) связано атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекается в нижние слои стратосферы.
Мезосфера
Выше стратопаузы расположена мезосфера (от греческого «мезос» - средний).
Верхняя граница мезосферы расположена на высоте от поверхности Земли:
В тропических широтах (экваторе) 80 – 85 км.;
В умеренных широтах до 80 км.;
В полярных широтах (полюсах) 70 – 80 км.
В мезосфере температура понижается до – 60 0 С. – 1000 0 С. на её верхней границе.
В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока ещё недостаточно изучены.
Термосфера
Выше мезопаузы расположена термосфера (от греческого «термос» - тёплый).
Верхняя граница термосферы расположена на высоте от поверхности Земли:
В тропических широтах (экваторе) до 800 км.;
В умеренных широтах до 700 км.;
В полярных широтах (полюсах) до 650 км.
В термосфере температура снова повышается, достигая в верхних слоях 2000 0 С.
Необходимо заметить, что высотах 400 – 500 км. и выше температура воздуха не может быть определена ни одним из известных методов, вследствие чрезвычайного разряжения атмосферы. О температуре воздуха на таких высотах приходится судить по энергии газовых частиц, перемещающихся в газовых потоках.
Повышение температуры воздуха в термосфере связано с поглощением ультрафиолетового излучения и образованием ионов и электронов в атомах и молекулах газов содержащихся в атмосфере.
В термосфере давление и, следовательно, плотность газа с высотой постепенно уменьшается. В близи земной поверхности в 1 м 3 . воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул, на высоте около 100 км в нижних слоях термосферы в 1 м 3 воздуха содержится около 2,5х10 25 молекул. На высоте 200 км., в ионосфере в 1 м 3 . воздуха содержится 5х10 15 молекул. На высоте около 850 км. в 1м. воздуха содержится 10 12 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 10 8 - 10 9 на 1 м 3 . На высоте около 100 км. количество молекул невелико, но они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически двигающаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется её средним свободным пробегом.
При определённой температуре скорость движения молекулы зависит от массы: более лёгкие молекулы движутся быстрее тяжёлых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме этого, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атмосферный кислород приобретает всё большее значение в составе атмосферы на высоте около 200 км. становится главным компонентом.
Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км. от поверхности Земли преобладают лёгкие газы гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы.
Такое расширение по весу называется диффузным расширением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.
Голубая планета...
Эта тема должна была появится на сайте одной из первых. Ведь и вертолеты – атмосферные летательные аппараты. Атмосфера Земли – их, так сказать, среда обитания:-). А физические свойства воздуха как раз и определяют качество этого обитания:-). То есть это одна из основ. И об основе всегда пишут вначале. Но сообразил я об этом только сейчас. Однако лучше, как известно, поздно, чем никогда… Коснемся этого вопроса, в дебри и ненужные сложности однако не залезая:-).
Итак… Атмосфера Земли . Это газовая оболочка нашей голубой планеты. Такое название всем известно. А почему голубая? Просто потому, что «голубая» (а также синяя и фиолетовая) составляющая солнечного света (спектра) наиболее хорошо рассеивается в атмосфере, окрашивая ее тем самым в голубовато-синеватые, иногда с оттенком фиолетового тона (в солнечный день, конечно:-)).
Состав атмосферы Земли.
Состав атмосферы достаточно широк. Перечислять в тексте все составляющие не буду, для этого есть хорошая иллюстрация.Состав всех этих газов практически постоянен, за исключением углекислого газа (СО 2 ). Кроме того в атмосфере обязательно содержится вода в виде паров, взвеси капель или кристаллов льда. Количество воды непостоянно и зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления воздуха. Кроме того атмосфера Земли (особенно нынешняя) содержит и определенное количество я бы сказал «всякой гадости»:-). Это SO 2 , NH 3 , CO , HCl , NO , кроме того есть там пары ртути Hg . Правда все это находится там в небольших количествах, слава богу:-).
Атмосферу Земли принято делить на несколько следующих друг за другом по высоте над поверхностью зон.
Первая, самая близкая к земле - это тропосфера . Это самый нижний и, так сказать, основной слой для жизнедеятельности разного вида. В нем содержится 80% массы всего атмосферного воздуха (хотя по объему она составляет всего около 1% всей атмосферы) и около 90% всей атмосферной воды. Основная масса всех ветров, облаков, дождей и снегов 🙂 — оттуда. Тропосфера простирается до высот порядка 18 км в тропических широтах и до 10 км в полярных. Температура воздуха в ней падает с подъемом на высоту примерно 0,65º на каждые 100 м.
Атмосферные зоны.
Зона вторая – стратосфера . Надо сказать, что между тропосферой и стратосферой выделяют еще одну узкую зону – тропопаузу . В ней прекращается падение температуры с высотой. Тропопауза имеет среднюю толщину 1,5- 2 км, но границы ее нечетки и тропосфера часто перекрывает стратосферу.
Так вот стратосфера имеет высоту в среднем от 12 км до 50 км. Температура в ней до 25 км остается неизменной (порядка -57ºС), затем где-то до 40 км повышается примерно до 0ºС и далее до 50 км остается неизменной. Стратосфера – относительно спокойная часть атмосферы земли. Неблагоприятные погодные условия в ней практически отсутствуют. Именно в стратосфере располагается знаменитый озоновый слой на высотах от 15-20 км до 55-60 км.
Далее следует небольшой пограничный слой стратопауза , температура в которой сохраняется около 0ºС, и затем следующая зона мезосфера. Она простирается до высот 80-90 км, и в ней температура падает примерно до 80ºС. В мезосфере обычно становятся видны мелкие метеоры, которые начинают в ней светиться и там же сгорают.
Следующий узкий промежуток – мезопауза и за ней зона термосфера . Ее высота – до 700-800 км. Здесь температура опять начинает повышаться и на высотах порядка 300 км может достигать величин порядка 1200ºС. Далее она остается постоянной. Внутри термосферы до высоты около 400 км расположена ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован из-за воздействия солнечной радиации и обладает большой электропроводностью.
Следующая и, вобщем-то, последняя зона – экзосфера . Это так называемая зона рассеяния . Здесь в основном присутствует очень сильно разреженный водород и гелий (с преобладанием водорода). На высотах порядка 3000 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум.
Вот примерно где-то так. Почему примерно? Потому что слои эти достаточно условны. Возможны различные изменения высоты, состава газов, воды, величины температуры, ионизации и так далее. Кроме того существует еще немало терминов, определяющих строение и состояние атмосферы земли.
Например гомосфера и гетеросфера . В первой атмосферные газы хорошо перемешаны, и их состав достаточно однороден. Вторая расположена выше первой и такого перемешивания там уже практически нет. Газы в ней разделяет гравитация. Граница между этими слоями расположена на высоте 120 км, и называется она турбопауза .
С терминами пожалуй покончим, но обязательно еще добавлю, что условно принято считать, что граница атмосферы расположена на высоте 100 км над уровнем моря. Эта граница называется Линия Кармана .
Добавлю еще две картинки для иллюстрации строения атмосферы. Первая, правда, на немецком, но зато полная и достаточно легка в понимании:-). Ее можно увеличить и хорошо рассмотреть. Вторая показывает изменение температуры атмосферы с высотой.
Строение атмосферы Земли.
Изменение температуры воздуха с высотой.
Современные пилотируемые орбитальные космические аппараты летают на высотах около 300-400 км . Однако это уже не авиация, хотя область, конечно, в определенном смысле близкородственная, и мы о ней еще непременно поговорим:-).
Зона авиации – это тропосфера. Современные атмосферные летательные аппараты могут летать и в нижних слоях стратосферы. Например практический потолок МИГ-25РБ – 23000 м .
Полет в стратосфере.
И именно физические свойства воздуха тропосферы определяют каким будет полет, насколько будет эффективна система управления самолета, как будет влиять на него турбулентность в атмосфере, как будут работать двигатели.
Первое основное свойство – это температура воздуха . В газодинамике она может определяться по шкале Цельсия либо по шкале Кельвина .
Температура t 1 на заданной высоте Н по шкале Цельсия определяется:
t 1 = t — 6,5Н , где t – температура воздуха у земли.
Температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой , ноль по этой шкале – это абсолютный ноль. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный ноль по шкале Кельвина соответствует -273º по шкале Цельсия.
Соответственно температура Т на высоте Н по шкале Кельвина определяется:
T = 273K + t — 6,5H
Давление воздуха . Атмосферное давление измеряется в Паскалях (Н/м 2), в старой системе измерения в атмосферах (атм.). Существует еще такое понятие как барометрическое давление. Это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба при помощи ртутного барометра. Барометрическое давление (давление на уровне моря) равное 760 мм рт. ст. называется стандартным. В физике 1 атм. как раз и равна 760 мм рт.ст.
Плотность воздуха . В аэродинамике чаще всего пользуются таким понятием, как массовая плотность воздуха. Это масса воздуха в 1 м 3 объема. Плотность воздуха с высотой меняется, воздух становится более разреженным.
Влажность воздуха . Показывает количество воды, находящееся в воздухе. Существует понятие «относительная влажность ». Это отношение массы водяного пара к максимально возможной при данной температуре. Понятие 0%, то есть когда воздух совершенно сухой может существовать вобщем-то только в лаборатории. С другой стороны 100%-ная влажность вполне реальна. Это означает, что воздух впитал в себя всю воду, которую мог впитать. Что-то типа абсолютно «полной губки». Высокая относительная влажность снижает плотность воздуха, а малая, соответственно повышает.
В связи с тем, что полеты самолетов происходят при разных атмосферных условиях, то и их полетные и аэродинамические параметры на одном режиме полета могут быть различными. Поэтому для правильной оценки этих параметров введена Международная стандартная атмосфера (МСА) . Она показывает изменение состояния воздуха с подъемом на высоту.
За основные приняты параметры состояния воздуха при нулевой влажности:
давление P = 760 мм рт. ст. (101,3 кПА);
температура t = +15°C (288 К);
массовая плотность ρ = 1,225 kg/m 3 ;
Для МСА принято (как уже было сказано выше:-)), что температура падает в тропосфере на 0,65º на каждые 100 метров высоты.
Стандартная атмосфера (пример до 10000 м).
Таблицы МСА используются при градуировании приборов, а также для штурманских и инженерных расчетов.
Физические свойства воздуха включают в себя также такие понятия как инертность, вязкость и сжимаемость.
Инертность — свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем она выше, тем выше инертность и сила сопротивления среды при движении в ней самолета.
Вязкость . Определяет сопротивление трения об воздух при движении самолета.
Сжимаемость определяет изменение плотности воздуха при изменении давления. На малых скоростях движения летательного аппарата (до 450 км/ч) изменения давления при обтекании его воздушным потоком не происходит, но при больших скоростях начинает проявляться эффект сжимаемости. Особенно сказывается его влияние на сверхзвуке. Это отдельная область аэродинамики и тема для отдельной статьи:-).
Ну вот кажется пока все… Пора закончить это слегка нудноватое перечисление, без которого однако не обойтись:-). Атмосфера Земли , ее параметры, физические свойства воздуха также важны для летательного аппарата, как и параметры самого аппарата, и о них нельзя было не упомянуть.
Пока, до следующих встреч и более интересных тем 🙂 …
P.S. На сладкое предлагаю посмотреть ролик снятый из кабины спарки МИГ-25ПУ при его полете в стратосферу. Снимал, видимо, турист, у которого есть деньги для таких полетов:-). Снято в основном все через лобовое стекло. Обратите внимание на цвет неба…
Тропосфера
Её верхняя граница находится на высоте 8-10 км в полярных, 10-12 км в умеренных и 16-18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25-40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза
Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).
Мезосфера
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °C).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Граница атмосферы Земли
Термосфера
Верхний предел - около 800 км. Температура растёт до высот 200-300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») - основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.
Термопауза
Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Атмосферные слои до высоты 120 км
Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200-250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000-3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы - около 20 %; масса мезосферы - не более 0,3 %, термосферы - менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера - это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
СТРАТОСФЕРА . Земная атмосфера делится на ряд слоев, отличающихся между собой по своему физическому состоянию. Важнейшими слоями являются: нижний слой - тропосфера, характеризующийся процессом перемешивания воздушных масс и как следствие понижением температуры с высотой. Высота, до которой развивается слой тропосферы, зависит от интенсивности тех факторов, которые вызывают процессы перемешивания: солнечного нагревания, механического влияния земной поверхности и пр. Выше слоя тропосферы находится слой, в котором процессы перемешивания отсутствуют или играют ничтожную роль. Принято обычно называть атмосферу, находящуюся выше слоя тропосферы, стратосферой , что означает зону, характеризующуюся слоистым строением. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой . Стратосфера отличается от тропосферы, прежде всего отсутствием всех эффектов процессов перемешивания, которые свойственны тропосфере: понижения температуры, облачных образований и пр. Вместе с этим в стратосфере частично вследствие низких ее температур, частично вследствие отсутствия притока от земной поверхности водяные пары находятся в совершенно ничтожном количестве. В таблице приведены значения температур, давления и удельного веса воздуха на различных высотах до 40 км по данным наблюдений европейских станций.
Те же данные приведены графически на фиг. 1.
Из хода температуры видно, что в летнее время стратосфера (слой, где температура перестает понижаться) начинается на высоте 12 км, а зимой - на высоте 11 км. Однако приведенные числа характеризуют только среднее распределение над Европой. Многочисленные зондировки в различных частях земного шара дали в настоящее время полную картину температурного строения стратосферы. На фиг. 2 приведена схема этого распределения по широтам по Раманатану.
Ход температур с высотой приведен по Раманатану на фиг. 3, и там можно видеть, что на экваторе, где высота стратосферы наибольшая и где достигаются наиболее низкие температуры (до -90°С), ход температуры в слое стратосферы характеризуется резким повышением температуры с высотой. В районах, более удаленных от экватора, возрастание температуры с высотой оказывается менее заметным.
Однако данные радиозондовых подъемов в полярных районах заставляют признать, что и здесь в стратосфере происходит довольно резко выраженное повышение температуры с высотой, как это видно на фиг. 3, дающей распределение температуры по радиозондам, выпущенным автором с цеппелина в 1931 г.
На фиг. 4 приведена схема распределения температур в зимнее и летнее время, предложенная в последнее время (январь 1934 г.) Пальменом.
Особенности этой схемы, полученной Пальменом на основании данных зондировок в Абиско (Сев. Швеция 68°21") и по данным подъемов радиозондов автора с цеппелина, следующие. В летнее время температуры стратосферы резко повышаются по мере перехода на север. В то время как над экватором на высоте 17 км мы имеем температуры, близкие к -80°С, над полярными районами на той же высоте температуры приближаются к -35°С. Самый ход температуры (падение температуры на 111 км в направлении наибольшего понижения температуры) в полярных районах хорошо характеризуется данными подъемов радиозондов с цеппелина, очень близко совпавшими с данными подъемов простых зондов в Абиско (фиг. 5).
В зимнее время картина распределения температуры в стратосфере и над различными широтами отличается от летней в том отношении, что горизонтальный градиент температуры (падение температуры на 111 км в направлении наибольшего ее понижения), имеющий очень большое значение и направленный к экватору в летнее время, в зимнее оказывается значительно меньше, т. к. температура в стратосфере и над полюсами очень низки. По Пальмену в самых северных широтах (севернее 55°) в стратосфере так же, как и в тропосфере, градиент температуры по горизонтали направлен на стратосферу.
Ниже приведены данные о повторяемости высот с минимальной температурой воздуха (конец тропосферы и начало тропопаузы) по наблюдениям Института аэрологии в Слуцке (близ Ленинграда) за 1934 -1935 гг.
Из данных видно, что в то время как на высотах от 9 до 11 км мы имеем больше 50% всех случаев начала тропопаузы, на высотах ниже 1 км повторяемость начала тропопаузы сводится к нулю. Ниже приведены повторяемости в % различных значений минимальных температур для того же пункта:
Из данных видно, что в стратосфере чаще всего встречаются температуры от -45 до -55°С (более 50% всех случаев), в то время как температуры ниже -70 и выше -35°С встречаются как исключение. Сравнительное постоянство температур с высотой в стратосфере наводит естественно на мысль, что здесь мы имеем дело с т. н. лучистым равновесием, при котором каждая воздушная частичка излучает за данный промежуток времени такое же количество энергии, как и получает. Теории лучистого равновесия развивались Гемфри, Эмденом, Гольдом и Хергезеллем. В последнее время этим вопросом занимались Мюгге, Симпсон и Альбрехт. Альбрехт развил теорию лучистого равновесия, рассматривая отдельные части спектра водяного пара. Он пришел к заключению, что тепловое излучение нижних слоев атмосферы, так же как и земной поверхности, имеет очень малое значение для состояния стратосферы и что в верхних слоях атмосферы должен находиться слой с повышенной степенью излучения, под влиянием которого создается резкая граница между слоем тропосферы и стратосферы и в котором содержание водяного пара составляет величину, промежуточную между 0,015 и 0,15 мм. На фиг. 2 высота этого слоя показана в виде заштрихованной полосы. Понижение температуры этого слоя по мнению Альбрехта и ведет к общему понижению температуры в тропосфере по мере поднятия. Приведенное объяснение не может быть, однако, полностью принято. Действительно, уже сам Альбрехт отмечает несоответствие своих рассуждений с тем явлением, что рассматриваемый им слой находится в непосредственной близости к стратосфере только под широтами, большими 50°. С другой стороны, эта теория не может объяснить значительных понижений температуры над экватором. По-видимому теория Альбрехта может служить только для объяснения того увеличенного понижения температуры, сказывающегося на увеличении вертикальных градиентов температуры, которые наблюдаются в верхних слоях тропосферы и не м. б. объяснены другими соображениями. Во всяком случае, пониженная температура стратосферы определяется незначительным поглощением тепловой энергии солнечных лучей воздухом стратосферы.
Внешняя картина распределения температуры в слое стратосферы бывает различной. Шмаусс различает 4 типа такого распределения. Нормальный тип характеризуется сменой падения температуры в тропосфере, б. или м. изотермическим слоем в стратосфере, температура которого до значительных высот остается постоянной. Второй тип отличается от первого тем, что тропосфера отделяется от изотермического слоя стратосферы б. или м. резко выраженной инверсией. Возможно, что возникновение слоя инверсии связано с усиленной конвекцией в тропосфере или, как можно думать, следуя рассуждениям Альбрехта, в результате интенсивного излучения эффективного слоя с содержанием водяных паров 0,015- 0,15 мм. В третьем типе ход температуры в стратосфере имеет вид слабо выраженной инверсии, т. е. постепенного повышения температуры с высотой. Наконец четвертый, сравнительно редко встречающийся тип распределения температуры в стратосфере характеризуется отсутствием резко выраженного слоя перехода от тропосферы к стратосфере, как это имеет место в других типах. Вместо этого переход проявляется в виде замедленного понижения температуры с высотой, переходящего постепенно в изотермию. Пальмен, подробно рассматривавший различные случаи распределения температуры в стратосфере, пришел к мысли о выделении следующих трех основных типов (фиг. 6).
В первом случае (кривая I) понижение температуры тропосферы переходит в изотермию, остающуюся на всех высотах стратосферы. Этот тип он считает «нормальным» типом. Во втором типе (кривая II Пальмена) температура при вступлении в стратосферу резко повышается, достигает максимального значения на расстоянии нескольких км и выше начинает снова понижаться. Этот тип Пальмен считает характерным для циклонального режима. Наконец третий тип (кривая III) - антициклональный - характеризуется тем, что температура в стратосфере повышается на всех высотах, хотя и с различной скоростью. При этом, по мнению Пальмена, циклональный тип имеет в стратосфере температуру выше нормальных, антициклональный - ниже нормальных. Т. о. температура в обоих этих типах с высотой как бы стремится к приближению к нормальным значениям.
При изучении атмосферных процессов тропосферы естественно возникает мысль о той роли, которую может играть в этих процессах стратосфера. Является ли этот слой совершенно мертвым слоем, не имеющим значения для жизни тропосферы, или, наоборот, происходящие в нем процессы диктуют направление и характер развития процессов в тропосфере. В настоящее время можно указать на две основные школы аэрологии, придерживающиеся совершенно противоположных взглядов. Первая школа (проф. фон Фиккер) приписывает стратосферным процессам если не доминирующее, то во всяком случае руководящее значение в развитии атмосферных процессов тропосферы. Роль стратосферы по воззрениям этой школы хорошо выражается словами Н. Шоу, что динамика атмосферы определяется верхними слоями, в то время как чисто физические процессы, связанные с конденсацией, образованием облаков и пр., развертываются в тропосфере. Происхождение первичных волн в стратосфере может быть связано как с термическими, так и чисто динамическими причинами. Термические причины связаны с приходом теплых или холодных воздушных масс, перемещающихся по горизонтали. Т. о. по мнению этой школы в стратосфере мы можем иметь теплые пли холодные волны по образцу тех, которые развиваются в тропосфере в области полярного фронта. Совершенно иных взглядов придерживается норвежская школа. Взгляды последней развивались Бержероном, Бьеркнесом, Пальменом и др. Эти авторы дали детальный разбор явлений в стратосфере на основании фактического материала по данным зондовых и радиозондовых подъемов. Норвежская школа также принимает, что в стратосфере развиваются температурные волны, но про вхождение их она целиком связывает с процессами в тропосфере. Пальмен и Бьеркнес различают два основных фактора, могущих вызвать соответствующие колебания температуры в стратосфере. Первый фактор определяется термически-адвективными процессами, при которых в тропосфере развивается приток теплых или холодных масс. Особенно детально исследовал Пальмен явления, происходящие в полярном фронте. На основе фактического материала температурного зондирования Пальмен дал картину распределения температуры в полярном и тропическом воздухе. Полярные массы характеризуются пониженными температурами в тропосфере и повышенными температурами в стратосфере. Тропопауза в полярных массах оказывается значительно ниже, чем в тропических массах. В отдельных случаях Пальмен констатировал опускание тропопаузы до 5 км. Наоборот, в тропических массах тропопауза находится на повышенном уровне, температуры в нижних слоях повышены, в стратосфере - понижены. Из сравнения данных для тропических и полярных масс выясняется, что наибольшая разность температуp наблюдается на высоте 4-7 км и на высоте 11-13 км, причем эти разности температур имеют противоположный знак. Отсюда Пальмен приходит к выводу, что достаточно сильные вхождения теплых и холодных масс, происходящие в тропосфере, получают свое отражение и в стратосфере. При этом вторичная стратосферная волна смещена фазами, и в начальный момент развития волны в тропосфере связанная с ней волна получает противоположный знак. При этом Пальмен приходит к важному для норвежской теории заключению, что поверхность раздела между полярными и тропическими массами, как это и принималось в первоначальной теории Бьеркнеса, доходит до тропосферы, а не ограничивается слоем в 4-5 км. Наиболее ясно выражена поверхность раздела на средних высотах. Однако, как отмечают и сам Пальмен и представители немецкой школы, в настоящее время трудно утверждать, чья точка зрения может считаться окончательно победившей. Совершенно несомненно, что только детальные исследования атмосферы, имеющие целевое назначение, могут дать материал для окончательного суждения в этом вопросе.
Здесь следует остановиться на некоторых обстоятельствах, могущих дать указания на особенности развития атмосферных процессов. Прежде всего, необходимо поставить вопрос о том, в каком из этих слоев мы имеем непосредственный приток энергии, могущий вызвать те или иные динамические процессы. Под этим притоком энергии необходимо подразумевать неоднородный поток, создающий неравномерное нагревание или охлаждение. Очевидно, что наличие неравномерно нагревающейся земной поверхности, неравномерное распределение доходящей до земли солнечной энергии и пр. делают тропосферу несомненным очагом неравномерно поступающей энергии. В стратосфере наблюдается, с одной стороны, совершенно равномерная солнечная инсоляция, т. к. наклон солнечных лучей практического значения для интенсивности приходящей к данному участку солнечной энергии не имеет; с другой стороны, здесь совершенно отсутствуют облака, пылевые частички и пр. Первоисточник т. о. всякого рода динамических возбуждений - неравномерно поступающая энергия - здесь отсутствует. Кроме того несомненно, что в стратосфере мы встречаемся с наличием резких колебаний температур, констатируемых как по зондам за границей, так и зондажом при помощи ежедневных исследований радиозондами у нас. Приходится поэтому признать, что происхождение этих колебаний м. б. связано, как думает Пальмен, только с процессами, развивающимися в глубинах тропосферы. Стратосфера представляет собой слой, отзывающийся на соответствующих процессах в тропосфере. Противоположность фаз тропосферных волн, отмеченная Пальменом, позволяет думать, что роль стратосферы в этих случаях заключается в противодействии развитию резких колебаний в тропосфере, связанному с поглощением некоторого количества энергии тропосферных процессов. Но с другой стороны, стратосферные волны, будучи созданы, не могут не отразиться на развитии тропосферных процессов. Можно также предполагать, что, раз возникнув, стратосферные возмущения могут оторваться от соответствующего им первичного процесса в тропосфере и получить самостоятельную активную роль. Совершенно очевидно, что интерференция стратосферных и тропосферных возмущений играет громадную роль в развитии явлений погоды. Т. о. роль стратосферы в развитии и в некоторых случаях даже возникновения тропосферных возмущений того же порядка несомненна. При этом можно предполагать, что эта роль имеет стабилизирующий эффект, поглощая часть энергии, развиваемой тропосферными возмущениями. Вследствие изотермического распределения температурный слой стратосферы должен оказывать чрезвычайно сильное сопротивление колебаниям воздушных масс по вертикали, возникающим при прохождении теплых или холодных волн. Т. о. слой стратосферы представляет собой как бы эластичный слой, демпфирующий колебания нижнего слоя. Автор неоднократно указывал на проявление в атмосферных процессах своеобразного принципа стабилизации, заключающегося в том, что развитие атмосферных процессов под действием какого-либо нарушающего нормальное состояние атмосферы фактора происходит в таком направлении, при котором действие указанного фактора или ослабляется или совершенно исчезает. Сказанное выше относительно роли стратосферы позволяет думать, что и здесь мы имеем своеобразное проявление закона стабилизации атмосферных процессов. Естественно, что для правильного понимания происходящих в тропосфере явлений совершенно необходимо иметь подробные данные, характеризующие состояние стратосферы. В особенности важны для составления анализа распределение температуры и влажности до слоя тропопаузы и в самом слое тропопаузы, т. к. высота тропопаузы и ее строение оказываются чрезвычайно характерными для происходящих в тропосфере процессов.
Стратосфера представляет интерес не только с точки зрения ее роли в процессах, создающих погоду в тропосфере. В связи с тем, что в тропосфере наличие облаков, осадков и пр. нередко создает непреодолимые препятствия для совершения полета, в особенности на дальние расстояния, существует стремление освоить стратосферу как зону дальних перелетов. В этом отношении стратосфера имеет ряд преимуществ перед тропосферой. Помимо отсутствия облаков и совершенного исключения возможности оледенения в стратосфере следует ожидать, что воздушные течения отличаются исключительной правильностью в отличие от сильно завихренных течений тропосферы. Что касается скорости движения воздушных масс, то наблюдения показывают, что в большинстве случаев здесь отмечается некоторое замедление скорости. Однако не следует думать, что стратосфере свойственны штили. Наиболее обычной скоростью для стратосферы является скорость 10-20 м/сек. В отдельных случаях, в особенности в зимнее время, здесь отмечаются скорости до 30-35 м/сек (более 100 км/ч). Наконец стратосфера привлекает внимание современной физики, так как именно здесь развертывается наиболее эффективное действие таинственных космических лучей, природа которых продолжает оставаться невыясненной до сих пор.
Резюмируя сказанное выше, мы можем отметить, что тщательное изучение явлений в стратосфере, в частности в ее нижних слоях 10-20 км, представляет, несомненно, одну из важнейших задач современной аэрологии как для целей завоевания этой зоны для воздушного транспорта, так и для выяснения ряда вопросов теоретической аэрологии и теоретической физики. Приведенные выше данные относятся к тем слоям стратосферы, которые были исследованы методами непосредственного зондирования при помощи самопишущих или радиопередающих приборов. Другими методами (звукометрическим, посредством определения загорания и потухания метеоров, определения переходных моментов затухания и пр.) в настоящее время доказано, что с высоты примерно 40 км находится слой, в котором температура с высотой резко повышается, доходя на высоте 50-60 км до значений +60°С и более. Вопрос о составе воздуха в стратосфере для нижних слоев последней в настоящее время можно считать решенным в результате измерений, произведенных при поднятии стратостата «СССР-1» в 1933 г. Именно исследование проб воздуха, забранных при этом полете, показало, что на высоте 18500 м содержание кислорода составляло 20,95%, т. е. величину, чрезвычайно (в пределах точности измерений) близкую к содержанию кислорода у земной поверхности. Об изменении состава воздуха в слоях выше 19000 м пока не имеется достоверных сведений. По-видимому, надо предполагать, что вследствие большого удельного веса кислорода, а также вследствие несомненного отсутствия в верхних слоях конвективного перемешивания содержание кислорода с высотой должно постепенно убывать. Дальнейшие измерения могут внести ясность в этот вопрос. Весьма важным теоретически и практически оказывается содержание озона в воздухе. Последние исследования Регенера (Штуттгарт) показали, что весь атмосферный озон находится в слое до 28 км, причем главная масса озона сосредоточивается в слое 12-28 км. Известно, что озон оказывает вредное влияние на резину. Соответственно этому Регенер рекомендует давать шарам-зондам возможно большую скорость поднятия с тем, чтобы действие озона на оболочку было по возможности кратковременным.
Методы исследования стратосферы . Практически для исследования стратосферы применимы различные способы. Исследование стратосферы шарами-зондами заключается в том, что к небольшому шару подвешивают особый прибор, автоматически записывающий при поднятии в атмосфере состояние температуры, давления и влажности. После достижения максимальной высоты и разрыва оболочки шара прибор опускается вниз или на специальном парашюте или на дополнительном шаре, раздутом в меньшей степени, чем главный шар. Очевидно, что данный способ совершенно неприменим для мало обитаемых пространств. Поэтому автор предложил в 1923 г. и к 1930 г. разработал и применил новый метод - радиозонда , заключающийся в том, что прибор особой конструкции снабжается специальным передатчиком и во время полета передает вниз данные о состоянии метеорологических элементов. Наибольшая достигнутая таким методом высота составила 29600 м (Институт аэрологии). Для шаров-зондов наибольшая высота поднятия составляет 36000 м (Германия). Для получения данных о распределении температуры в высоких слоях атмосферы и в том числе в стратосфере подъемы шаров-зондов и радиозондов совершаются в настоящее время по особой программе в т. наз. «международные дни» по всему миру. В СССР исследования стратосферы производятся ежедневно в ряде пунктов: Слуцке, Москве, Киеве, Севастополе, Тифлисе и пр. В Институте аэрологии в Слуцке (близ Ленинграда) методом радиозонда исследования производятся ежедневно два раза (днем и ночью). Непосредственные исследования стратосферы оказались возможными благодаря применению стратостата, представляющего воздушный шар большого объема с герметичной гондолой. Идея таких аэростатов принадлежит Д. И. Менделееву, предложившему ее еще в 1875 г. Первое поднятие на стратостате было совершено проф. Пиккаром (Бельгия). В СССР были совершены три полета: «СССР-1» - в 1933 г., «Осоавиахим-1» - 30 января 1934 г. и «СССР-1 bis» 24/VI 1935 г. В том же году американский стратостат «Эксплорер-2» поднялся на высоту 22040 м. Основным затруднением для достижения больших высот в стратосфере является низкое давление этих слоев. Убывание удельного веса воздуха, соответствующее этому давлению, чрезвычайно уменьшает подъемную силу шара. Необходимо поэтому иметь шары громадных размеров, чтобы они могли сохранять достаточную подъемную силу на больших высотах. Например, для поднятия на высоту 20-22 км необходимо иметь оболочку не менее 20-25 тыс. м 3 . Для поднятия на высоту 30 км объем оболочки должен превышать (для самой легкой материи оболочки) 100-150 тыс. м 3 и т. д. Значительно проще достигаются большие высоты применением эластичных резиновых оболочек, могущих увеличивать свой объем до чрезвычайно больших размеров. Например, шар, имевший у земли объем в 4,2 м 3 , увеличил на высоте 30 км свой объем до 366 м 3 , растянув свою оболочку от толщины в 0,3 мм до 0,0088 мм. Можно думать, что достижение больших высот (больше 30 км) возможно вообще только для резиновых оболочек. Исследование слоев выше 35-40 км производится звукометрическим методом, основанным на исследовании распределения слышимости взрывов у земной поверхности на различных расстояниях по всем направлениям от места взрыва. Принцип этих исследований основан на том, что звуковая волна, распространяясь вверх, отражается от слоя на высоте 35-40 км и возвращается на землю, образуя зоны аномальной слышимости звука на больших расстояниях. Для исследования еще больших высот - 80-100 км - применяются исследования распространения электромагнитных волн, отражающихся от слоя на высоте 100 км, носящего название слоя Хивисайда и обладающего большими значениями электрической проводимости. Наконец для исследования стратосферы в слоях выше 40 км применяются оптические исследования хода сумерек, высоты загорания и потухания метеоров и спектра северного сияния. Последние исследования дают нам данные о структуре и составе самых высоких слоев атмосферы.
