3.2: Атмосферна структура

Last updated
Save as PDF

Page ID: 38303

Michael E. Ritter
University of Wisconsin-Stevens Point via The Physical Environment

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Якщо ми розглянемо вертикальну структуру, атмосфера в різних місцях, ми виявимо, що вона змінюється по висоті, будучи найнижчою на полюсах і найвищою на екваторі. Різна висота обумовлена просторовою варіацією нагрівання поверхні Землі і, отже, атмосфери вище. Цей факт ускладнює визначення точних висот для шарів атмосфери. Рішення полягає в поділі атмосфери не виходячи з фіксованих висот, а за зміною температури. Малюнок\(\PageIndex{1}\) ілюструє спосіб поділу атмосфери за допомогою зміни температури в якості основного критерію.

Тропосфера і тропопауза

Тропосфера - шар, найближчий до поверхні Землі. Графік зміни температури вказує на те, що температура повітря знижується зі збільшенням висоти через цей шар. Температура повітря зазвичай знижується з висотою над поверхнею, оскільки основним джерелом нагріву повітря є Земля. Швидкість зміни температури з висотою називається швидкістю падіння температури навколишнього середовища (ELR). ELR змінюється від дня до дня в місці, і від місця до місця в будь-який день. Нормальною швидкістю проміжку температури є середнє значення ELR, 0,65 ^o C/100 метрів. Тобто, в будь-якому конкретному місці і в будь-який день фактичний ELR може бути більше або менше, але в середньому має значення 0.65 ^o C/100 м Так що якщо я вийшов на вулицю сьогодні це може бути 0,62 ^o C/100 м, а потім завтра це може бути 0,68 ^o C/100 м, ELR також варіюється від місця розмістити в даний день. Тобто, в Чикаго, штат Іллінойс це може бути 0.65 ^o C/100 м і в той же день це може бути 0.62 ^o C/100 м над Лондоном, Англія.

Графік структури атмосферної температури — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Структура атмосфери

При правильних умовах температура повітря може фактично збільшуватися зі збільшенням висоти над Землею. Коли це відбувається, ми відчуваємо інвертований проміжок температури або просто інверсію. Неглибокі поверхневі інверсії характерні для покритих снігом поверхонь субарктичних та полярних регіонів, а іноді трапляються, коли клітини високого тиску населяють регіон.

Тропопауза лежить над тропосферою. Тут температура має тенденцію залишатися колишньою зі збільшенням висоти. Тропопауза діє як «кришка» на тропосфері, запобігаючи підняттю повітря вгору в стратосферу.

Стратосфера

Над тропопаузою лежить стратосфера. Зверніть увагу на малюнку\(\PageIndex{1}\), що температура повітря при підвищенні висоти не змінюється. Якщо шар повітря не проявляє зміни температури зі збільшенням висоти, ми зазвичай називаємо його ізотермічним шаром, тобто шаром рівної температури. Через більшу частину стратосфери температура повітря збільшується зі збільшенням висоти, створюючи температурну інверсію. Інвертована швидкість проміжку температури обумовлена наявністю стратосферного озону, який є хорошим поглиначем ультрафіолетового випромінювання, випромінюваного Сонцем. Оскільки енергія проникає вниз, все менше доступно для нижчих шарів і, отже, температура знижується до дна стратосфери. Зниження тепловіддачі внаслідок поглинання сонячної енергії зверху компенсується теплом, що виділяється Землею, створюючи ізотермічний шар на дні стратосфери. У верхній частині стратосфери лежить стратопауза. Як і тропопауза, стратопауза - це ізотермічний шар, який відокремлює стратосферу від мезосфери.

Мезосфера і за її межами

Саме властивості розглянутих раніше шарів впливають на більшу частину того, що ми вивчаємо у фізичній географії. Процеси, що діють в шарах над стратопаузою, мають відносно невеликий вплив на наше елементарне вивчення приповерхневих процесів Землі. У мезосфері температури повітря починають знижуватися зі збільшенням висоти. 99,9 відсотка газів, що складають атмосферу, лежать нижче цього рівня. Таким чином, повітря мезосфери надзвичайно тонкий, а тиск повітря дуже мало. З дуже мало молекул, таких як озон, здатних поглинати сонячне випромінювання, особливо біля верхньої частини шару, температура повітря зменшується з висотою. Мезоопауза відокремлює мезосферу від термосфери вище.

\(\PageIndex{1}\)На малюнку показано підвищення температури повітря зі збільшенням висоти в термосфері. Тут енергійні молекули кисню поглинають вхідне сонячне випромінювання, підвищуючи температуру шару. Оскільки сонячна активність визначає температуру шару, температура у верхній частині шару тепліша, ніж у нижній частині термосфери. Незважаючи на те, що температури в термосфері досить високі, тепловміст шару дуже низька через низьку щільність повітря на цьому рівні.

Полярні мезосферні хмари також відомі як сріблясті або «нічні сяючі» хмари, як вони зазвичай спостерігаються в сутінках. Ці хмари утворюються на великих широтах і великих висотах (76 - 85 кілометрів) поблизу кордону мезосфери і термосфери.

функціональні шари

При використанні функції як критерію поділу ідентифіковано два шари, іоносфера та озоносфера. Іоносфера насправді не шар атмосфери, а електрифіковане поле іонів і вільних електронів. Іоносфера поглинає космічні промені, гамма-промені, рентгенівські промені та більш короткі довжини хвиль ультрафіолетового випромінювання. Ефектний показ авроральних вогнів, як правило, зустрічається в цьому регіоні.

Озоносфера, яку також називають «озоновим шаром», - це концентрований шар озону, знайдений в стратосфері. Озон (O ₃) поглинає ультрафіолетове світло між 0,1 - 0,3 м. Озоновий шар поглинає 97 - 99% ультрафіолетового світла Сонця, який може бути шкідливим для життя на землі. Хоча відносно постійні через мільйони років, сезонні коливання озону, особливо в Арктиці та Антарктиці, є загальними. Озоновий шар тонший на екваторі і товщі на полюсах. Концентрації озону найвищі навесні і, як правило, найнижчі восени.

Відео: Розкрийте атмосферу Землі (люб'язно National Geographic)

Оцініть своє основне розуміння попереднього матеріалу, «Озираючись назад на структуру атмосфери» або пропустіть і продовжуйте читати.

Озираючись назад на структуру атмосфери\(\PageIndex{1}\)

Поясніть, що зазвичай відбувається з температурою повітря, коли людина рухається вгору через тропосферу.

Відповідь: Температура знижується.

Визначте нормальну та екологічну швидкість затримки температури.

Відповідь: Нормальною швидкістю проміжку температури є середнє зниження температури при підвищенні висоти. Швидкість проміжку навколишнього середовища - це зниження температури зі збільшенням висоти в будь-який момент часу.

Що відбувається з температурою повітря, коли людина рухається вгору через стратосферу?

Відповідь: Як правило, збільшується.

Визначте «інверсію температури».

Відповідь: Температурна інверсія - це ситуація, при якій температура повітря підвищується зі збільшенням висоти.

Опишіть «функціональні шари» атмосфери і поясніть, що вони роблять?

Відповідь: Іоносфера поглинає космічні промені, гамма-промені, рентгенівські промені та більш короткі довжини хвиль ультрафіолетового випромінювання. Озоносфера поглинає 97% ультрафіолетового світла Сонця, який може бути шкідливим для життя на землі.