1.4: Атмосфера

ВСТУП

Атмосфера, газоподібний шар, який оточує землю, утворилася понад чотири мільярди років тому. Під час еволюції твердої землі виверження вулканів виділяли гази в атмосферу, що розвивається. Припускаючи, що викид був подібним до сучасних вулканів, гази, що виділяються, включали: водяну пару (H2O), окис вуглецю (CO), вуглекислий газ (CO2), соляну кислоту (HCl), метан (CH4), аміак (N3), азот (N2) та сірчані гази. Атмосфера зменшувалася, оскільки не було вільного кисню. Велика частина водню та гелію, що викидається, врешті-решт вирвалася б у космічний простір через нездатність земної гравітації утримуватися за свої малі маси. Можливо, також був значний внесок летючих речовин від масових метеоритних бомбардувань, які, як відомо, відбулися на початку земної історії.

Водяна пара в атмосфері конденсувалася і стікала вниз, врешті-решт утворюючи озера і океани. Океани забезпечували будинки для найдавніших організмів, які, ймовірно, були схожі на ціанобактерії. Кисень вивільнявся в атмосферу цими ранніми організмами, і вуглець став секвестрованим в осадових породах. Це призвело до нашої нинішньої окислювальної атмосфери, яка в основному складається з азоту (приблизно 71 відсотка) та кисню (приблизно 28 відсотків). Водяна пара, аргон і вуглекислий газ разом складають набагато меншу частку (приблизно 1 відсоток). Атмосфера також містить кілька газів у слідових кількостях, таких як гелій, неон, метан та закис азоту. Одним з дуже важливих мікрогазів є озон, який поглинає шкідливе ультрафіолетове випромінювання від сонця.

АТМОСФЕРНА СТРУКТУРА

Земна атмосфера простягається назовні приблизно до 1000 кілометрів, де вона переходить у міжпланетний простір. Однак більша частина маси атмосфери (більше 99 відсотків) знаходиться в межах перших 40 кілометрів. Сонце і земля є основними джерелами променистої енергії в атмосфері. Сонячне випромінювання охоплює інфрачервоні, видимі та ультрафіолетові області світла, тоді як земне випромінювання в основному інфрачервоне.

Вертикальний температурний профіль атмосфери є змінним і залежить від типів випромінювання, які впливають на кожен шар атмосфери. Це, в свою чергу, залежить від хімічного складу цього шару (в основному за участю слідових газів). Виходячи з цих факторів, атмосферу можна розділити на чотири різних шари: тропосферу, стратосферу, мезосферу та термосферу.

Тропосфера - це атмосферний шар, найближчий до земної поверхні. Він простягається приблизно на 8 - 16 кілометрів від земної поверхні. Товщина шару варіюється на кілька км в залежності від широти і сезону року. Він товщі біля екватора і влітку, і тонше біля стовпів і взимку. Тропосфера містить найбільший відсоток маси атмосфери щодо інших шарів. Він також містить близько 99 відсотків загальної водяної пари атмосфери.

Температура тропосфери тепла (приблизно 17º C) біля поверхні землі. Це пов'язано з поглинанням інфрачервоного випромінювання з поверхні водяною парою та іншими парниковими газами (наприклад, вуглекислим газом, закисом азоту та метаном) у тропосфері. Концентрація цих газів зменшується з висотою, а значить, нагрівальний ефект найбільший біля поверхні. Температура в тропосфері знижується зі швидкістю приблизно 6.5º C на кілометр висоти. Температура на його верхній межі дуже холодна (приблизно -60º C).

Оскільки гаряче повітря піднімається вгору, а холодне повітря падає, відбувається постійний конвективний перекидання матеріалу в тропосфері. Дійсно, назва тропосфера означає «область змішування». З цієї причини всі погодні явища відбуваються в тропосфері. Водяна пара, що випаровується з земної поверхні, конденсується в більш прохолодних верхніх областях тропосфери і падає назад на поверхню як дощ. Пил і забруднюючі речовини, що вводяться в тропосферу, добре перемішуються в шарі, але з часом вимиваються опадами. Тому тропосфера є самоочищенням.

Вузька зона у верхній частині тропосфери називається тропопаузою. Він ефективно відокремлює нижню тропосферу і вищерозташовану стратосферу. Температура в тропопаузі відносно постійна. Тут також трапляються сильні східні вітри, відомі як струменевий потік.

Стратосфера є наступним великим атмосферним шаром. Цей шар простягається від тропопаузи (приблизно 12 кілометрів) до приблизно 50 кілометрів над земною поверхнею. Температурний профіль стратосфери досить сильно відрізняється від профілю тропосфери. Температура залишається відносно постійною приблизно до 25 кілометрів, а потім поступово збільшується до верхньої межі шару. Кількість водяної пари в стратосфері дуже низька, тому вона не є важливим фактором регулювання температури шару. Натомість саме озон (O3) викликає спостережувану інверсію температури.

Велика частина озону в атмосфері міститься в шарі стратосфери приблизно від 20 до 30 кілометрів. Цей озоновий шар поглинає сонячну енергію у вигляді ультрафіолетового випромінювання (УФ), і енергія в кінцевому підсумку розсіюється у вигляді тепла в стратосфері. Ця спека призводить до підвищення температури. Стратосферний озон також дуже важливий для живих організмів на поверхні землі, оскільки він захищає їх, поглинаючи більшу частину шкідливого ультрафіолетового випромінювання сонця. Озон постійно виробляється і руйнується в стратосфері в природному циклі. Основні реакції, що включають лише кисень (відомі як "Реакції Чепмена «) такі:

Виробництво озону з молекулярного кисню передбачає поглинання високоенергетичного УФ-випромінювання (UVA) у верхній атмосфері. Руйнування озону шляхом поглинання УФ-випромінювання передбачає випромінювання помірної і низької енергії (UVB і UVC). Велика частина виробництва і руйнування озону відбувається в стратосфері на більш низьких широтах, де ультрафіолетове випромінювання є найбільш інтенсивним.

Озон дуже нестабільний і легко руйнується реакціями з іншими атмосферними видами, такими як азот, водень, бром та хлор. Насправді більшість озону руйнується саме таким чином. Використання хлорфторуглеродів (ХФУ) людиною в останні десятиліття сильно вплинуло на природний цикл озону, збільшивши швидкість його руйнування внаслідок реакцій з хлором. Оскільки температура стратосфери підвищується з висотою, конвективного змішування газів мало. Тому стратосфера дуже стабільна. Частинки, які вводяться (наприклад, вулканічний попіл), можуть залишатися на висоті протягом багатьох років, не повертаючись на землю. Те ж саме стосується забруднюючих речовин, що виробляються людиною. Верхня межа стратосфери відома як стратопауза, яка відзначається різким зниженням температури.

Третій шар в земній атмосфері називається мезосферою. Він простягається від стратопаузи (близько 50 кілометрів) до приблизно 85 кілометрів над земною поверхнею. Оскільки мезосфера має незначну кількість водяної пари та озону для отримання тепла, температура падає через цей шар. Вона зігрівається знизу стратосферою. Повітря дуже тонке в цій області з щільністю близько 1/1000 поверхні. Зі збільшенням висоти в цьому шарі все більше переважають більш легкі гази, а в зовнішніх течіях інші гази розшаровуються за молекулярною масою.

Четвертий шар, термосфера, простягається назовні приблизно від 85 кілометрів до приблизно 600 кілометрів. Його верхня межа погано визначена. Температура в термосфері зростає з висотою, до 1500º С і більше. Високі температури є результатом поглинання інтенсивного сонячного випромінювання останніми молекулами кисню, що залишилися. Температура може істотно змінюватися в залежності від рівня сонячної активності.

Нижня область термосфери (приблизно до 550 кілометрів) також відома як іоносфера. Через високі температури в цій області частинки газу іонізуються. Іоносфера важлива, оскільки вона відображає радіохвилі від земної поверхні, дозволяючи міжміський радіозв'язок. Візуальне атмосферне явище, відоме як північне сяйво, також зустрічається в цьому регіоні. Зовнішня область атмосфери відома як екзосфера. Екзосфера являє собою кінцевий перехід між атмосферою і міжпланетним простором. Він простягається близько 1000 кілометрів і містить в основному гелій і водень. Більшість супутників працює саме в цьому регіоні.

Сонячне випромінювання є основним джерелом енергії для атмосферного обігріву. Атмосфера нагрівається, коли водяна пара та інші парникові гази в тропосфері поглинають інфрачервоне випромінювання або безпосередньо від сонця, або повторно випромінюється з земної поверхні. Тепло від сонця також випаровує океанську воду і передає тепло атмосфері. Температура земної поверхні змінюється в залежності від широти. Це пов'язано з нерівномірним нагріванням земної поверхні. Область поблизу екватора отримує прямі сонячні промені, тоді як сонячне світло вражає вищі широти під кутом і розсіюється і поширюється на більшу площу. Кут, під яким сонячне світло потрапляє у вищі широти, змінюється протягом року через те, що екваторіальна площина землі нахилена на 23,5º щодо її орбітальної площини навколо Сонця. Ця варіація відповідає за різні пори року, які переживають неекваторіальні широти.

ВІТЕР

Конвекційні повітряні маси в тропосфері створюють повітряні потоки, відомі як вітри, завдяки горизонтальним перепадам тиску повітря. Вітри перетікають з області більш високого тиску до одного з більш низького тиску. Глобальний рух повітря починається в екваторіальному регіоні, оскільки він отримує більше сонячної радіації. Загальний потік повітря від екватора до полюсів і назад порушується, правда, обертанням землі. Земна поверхня рухається швидше під атмосферою на екваторі і повільніше на полюсах. Це призводить до того, що повітряні маси, що рухаються на північ, відхиляються вправо, а повітряні маси, що рухаються на південь, відхиляються вліво. Це відомо як "ефект Коріоліса». Результатом є створення шести величезних конвекційних осередків, розташованих в різних широтах. Пояси переважаючих поверхневих вітрів утворюють і розподіляють повітря і вологу по землі.

Струменеві потоки - це надзвичайно сильні смуги вітрів, які утворюються в тропопаузі або поблизу неї через великі перепади тиску повітря. Швидкість вітру може досягати 200 кілометрів на годину. У Північній Америці є два основних струменевих потоку: полярний струменевий потік, який виникає між вестерліями і полярними пасхами, і субтропічний струменевий потік, який виникає між пасатами і вестерліями.

ПОГОДА

Термін погода відноситься до короткострокових змін фізичних характеристик тропосфери. До таких фізичних характеристик відносяться: температура, тиск повітря, вологість, опади, хмарний покрив, швидкість і напрямок вітру. Промениста енергія від сонця є джерелом живлення для погоди. Він керує конвективним змішуванням у тропосфері, що визначає атмосферні та поверхневі погодні умови.

Певні атмосферні умови можуть призвести до екстремальних погодних явищ, таких як грози, повені, смерчі та урагани. Гроза утворюється в області атмосферної нестабільності, часто виникає на кордоні між холодним і теплим фронтами. Тепле вологе повітря швидко піднімається вгору (вгору), тоді як більш прохолодне повітря стікає на поверхню (вниз тяга). Грози виробляють інтенсивні опади, блискавки та грім. Якщо атмосферна нестійкість дуже велика і спостерігається велике збільшення сили вітру з висотою (вертикальний зсув вітру), гроза може стати сильною. Сильна гроза може спричинити спалахи, град, бурхливі поверхневі вітри та смерчі.

Повені можуть виникати, коли атмосферні умови дозволяють шторму залишатися в певній місцевості протягом тривалого часу, або коли сильна гроза скидає дуже велику кількість опадів за короткий проміжок часу. Коли грунт насичується водою, він надлишковий стік стікає в низинні ділянки або річки і викликає затоплення.

Торнадо починається в сильну грозу. Вертикальний зсув вітру змушує висхідну тягу в шторм обертатися і утворювати воронку. Швидкості обертального вітру збільшуються і вертикальне розтягування відбувається за рахунок кутового моменту. Коли повітря втягується в ядро воронки, він швидко охолоджується і конденсується, утворюючи видиме хмара воронки. Хмара воронки спускається на поверхню, оскільки більше повітря втягується. Швидкість вітру в смерчах може досягати декількох сотень миль на годину. Смерчі найбільш поширені в регіоні Великих рівнин США, утворюючись, коли холодне сухе полярне повітря з Канади стикається з теплим вологим тропічним повітрям з Мексиканської затоки.

Циклон - це область низького тиску з вітрами, що дме проти годинникової стрілки (Північна півкуля) або за годинниковою стрілкою (Південна півкуля) навколо нього. Тропічним циклонам дають різні назви в залежності від їх швидкості вітру. Найсильніші тропічні циклони в Атлантичному океані (швидкість вітру перевищує 74 милі на годину) називаються ураганами. Ці бурі називаються тайфунами (Тихий океан) або циклонами (Індійський океан) в інших куточках світу. Урагани - найпотужніші з усіх погодних систем, що характеризуються сильними вітрами і сильними дощами на широких територіях. Вони утворюються над теплим тропічним океаном і швидко втрачають інтенсивність при переміщенні по суші. Урагани, що вражають континентальну частину США, як правило, відбуваються з червня по листопад.

ОКЕАНІЧНІ ТЕЧІЇ

Поверхня землі становить понад 71 відсоток води, тому не дивно, що океани роблять значний вплив на погоду і клімат. Через високу теплоємність води океан виконує роль температурного буфера. Ось чому прибережний клімат менш екстремальний, ніж внутрішній клімат. Велика частина променистого тепла від сонця поглинається океанськими поверхневими водами і океанічні течії допомагають розподіляти це тепло.

Течії - це рух води в передбачуваній схемі. Поверхневі океанічні течії рухаються переважно переважаючими вітрами. «Ефект Коріоліса» змушує струми протікати круговими візерунками. Ці течії допомагають транспортувати тепло з тропіків у вищі широти. Два великих поверхневих течії поблизу Сполучених Штатів - Каліфорнійська течія вздовж західного узбережжя і Гольфстрім уздовж східного узбережжя. Глибокі океанічні течії обумовлені перепадами температури і щільності води. Вони рухаються конвективним малюнком.

Менш щільна (менша солоність) тепла вода в екваторіальних регіонах піднімається і рухається в бік полярних областей, тоді як більш щільна (вища солоність) холодна вода в полярних регіонах опускається і рухається в бік екваторіальних регіонів. Іноді ця холодна глибока вода рухається назад на поверхню вздовж берегової лінії в процесі, відомому як upwelling. Ця холодна глибока вода багата поживними речовинами, які підтримують продуктивні рибальські угіддя.

Приблизно кожні три-сім років тепла вода із західного екваторіального Тихого океану переміщається в східну екваторіальну частину Тихого океану через ослаблені пасати. Східний Тихий океан таким чином стає теплішим, ніж зазвичай, на період близько року. Це відоме як Ель-Ніньо. Ель-Ніньо запобігає багатим поживними речовинами, холодною водою вздовж західного узбережжя Південної Америки. Це також впливає на глобальні погодні умови. Деякі регіони отримують важчі, ніж зазвичай, опади, тоді як інші регіони страждають від посухи з меншими, ніж зазвичай, кількість опадів.

Напевно, найважливішою частиною погоди є опади як опади або снігопад. Вода з величезних солоних океанів випаровується і падає над сушею як прісна вода. Саме опади забезпечують прісною водою сухопутні рослини, а також наземних тварин. Зимовий снігопад в гірських районах забезпечує запасний запас прісної води, яка тане і стікає в струмки навесні і влітку.

Атмосферні хмари є генераторами опадів. Хмари утворюються, коли піднімається повітряна маса охолоджується, а температура та вологість підходять для утворення конденсату. Конденсація не відбувається спонтанно, а натомість вимагає конденсації ядер. Це крихітні (менше 1 мкм) пил або частинки диму. Крапелька конденсації досить мала (близько 20 мкм), щоб вона підтримувалася атмосферою проти тяжіння. Видимий результат цих крапель конденсації - хмара.

За правильних умов краплі можуть продовжувати рости шляхом продовження конденсації на крапельку та/або злиття з іншими краплями через зіткнення. Коли краплі стають досить великими, вони починають випадати у вигляді опадів. Типові краплі дощу мають діаметр близько 2 мм. Залежно від температури хмари і температурного профілю атмосфери від хмари до земної поверхні можуть виникати різні види опадів: дощ, морозний дощ, мокрий сніг або сніг. Дуже сильні шторми можуть виробляти відносно великі шматки льоду, які називаються градами.

КЛІМАТ

Клімат можна розглядати як показник середньої погоди регіону протягом певного періоду часу. При визначенні клімату необхідно враховувати географію і розмір регіону. Мікроклімат може включати задній двір у місті. Макроклімат може охоплювати групу держав. Коли вся земля задіяна, це глобальний клімат. Кілька факторів контролюють великі масштаби клімату, такі як широта (інтенсивність сонячної радіації), розподіл суші та води, характер переважаючих вітрів, теплообмін океанськими течіями, розташування глобальних областей високого та низького тиску, висота та розташування гірських бар'єрів.

Найбільш широко використовуваною схемою класифікації клімату є система Кеппена. Ця схема використовує середньорічну та місячну температуру та опади для визначення п'яти типів клімату:

1.	тропічний вологий клімат: середньомісячна температура завжди перевищує 18° C
2.	сухий клімат: дефіцит опадів більшу частину року
3.	вологий середньоширотний клімат з м'якою зимою
4.	вологий середньоширотний клімат із суворими зимами
5.	полярний клімат: надзвичайно холодна зима і літо.

Використовуючи систему Кеппена та сезонне домінування великомасштабних повітряних мас (наприклад, морських або континентальних), кліматичні зони Землі можна згрупувати наступним чином:

1.	тропічний мокрий
2.	тропічний мокрий і сухий
3.	тропічна пустеля
4.	мокрий середньої широти
5.	середньо-широта сухе літо
6.	середня широта суха зима
7.	полярний мокрий
8.	суха і полярна пустеля

Лос-Анджелес має середньо-широтний сухий літній клімат, тоді як Новий Орлеан має вологий клімат середньої широти.

Дані з записів природного клімату (наприклад, океанські відкладення, кільця дерев, антарктичні крижані ядра) показують, що клімат землі постійно змінювався в минулому, чергуючи періоди холоднішого та теплого клімату. Останній льодовиковий період закінчився лише близько 10 000 років тому. Природна система, що контролює клімат, дуже складна. Він складається з великої кількості механізмів зворотного зв'язку, які передбачають процеси та взаємодії всередині атмосфери, біосфери та твердої землі та між ними.

Деякі природні причини глобальних змін клімату включають тектоніку плит (зміни маси суші та океанічних течій), вулканічну активність (атмосферний пил і парникові гази), а також довгострокові зміни орбіти Землі та кута її осі обертання (абсолютні та просторові зміни сонячної радіації).

Зовсім недавно на глобальний клімат можуть впливати антропогенні (людські) фактори. З кінця 19 століття середня температура землі зросла приблизно на 0,3 до 0,6° С. Багато вчених вважають, що ця тенденція глобального потепління є результатом збільшення викиду парникових газів (наприклад, CO2) в атмосферу від спалювання викопного палива.