АТМОСФЕ́РА

АТМОСФЕ́РА Зем­ли (от греч. ἀτμός – пар, ис­па­ре­ние и σφαῖρα – шар), воз­душ­ная обо­лоч­ка, со­стоя­щая из ря­да га­зов и взве­шен­ных в ней час­тиц при­ме­сей – аэ­ро­зо­лей. Мас­са А. 5,157·10¹⁵ т. Столб воз­ду­ха ока­зы­ва­ет дав­ле­ние на по­верх­ность Зем­ли: ср. ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние на уров­не мо­ря 1013,25 гПа (ок. 760 мм рт. ст.). Сред­няя по гло­бу­су темп-ра воз­ду­ха у по­верх­но­сти Зем­ли 15 °C, при этом темп-ра из­ме­ня­ет­ся при­мер­но от 57 °C в суб­тро­пич. пус­ты­нях до –89 °C в Ан­тарк­ти­де. Плот­ность воз­ду­ха и дав­ле­ние убы­ва­ют с вы­со­той по за­ко­ну, близ­ко­му к экс­по­нен­ци­аль­но­му.

Строение атмосферы

Среднегодовое вертикальное распределение температуры в атмосфере.

По вер­ти­ка­ли А. име­ет слои­стую струк­ту­ру, оп­ре­де­ляе­мую гл. обр. осо­бен­но­стя­ми вер­ти­каль­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры (рис.), ко­то­рое за­ви­сит от гео­гра­фич. по­ло­же­ния, се­зо­на, вре­ме­ни су­ток и т. д. Ниж­ний слой А. – тро­по­сфе­ра – ха­рак­те­ри­зу­ет­ся па­де­ни­ем темп-ры с вы­со­той (при­мер­но на 6 °C на 1 км), его вы­со­та от 8–10 км в по­ляр­ных ши­ро­тах до 16–18 км в тро­пи­ках. Бла­го­да­ря бы­ст­ро­му убы­ва­нию плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той в тро­по­сфе­ре на­хо­дит­ся ок. 80% всей мас­сы А. Над тро­по­сфе­рой рас­по­ла­га­ет­ся стра­то­сфе­ра – слой, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в об­щем по­вы­ше­ни­ем темп-ры с вы­со­той. Пе­ре­ход­ный слой ме­ж­ду тро­по­сфе­рой и стра­то­сфе­рой на­зы­ва­ет­ся тро­по­пау­зой. В ниж­ней стра­то­сфе­ре до уров­ня ок. 20 км темп-ра ма­ло ме­ня­ет­ся с вы­со­той (т. н. изо­тер­мич. об­ласть) и не­ред­ко да­же не­зна­чи­тель­но умень­ша­ет­ся. Вы­ше темп-ра воз­рас­та­ет из-за по­гло­ще­ния УФ-ра­диа­ции Солн­ца озо­ном, вна­ча­ле мед­лен­но, а с уров­ня 34–36 км – бы­ст­рее. Верх­няя гра­ни­ца стра­то­сфе­ры – стра­то­пау­за – рас­по­ло­же­на на выс. 50–55 км, со­от­вет­ст­вую­щей мак­си­му­му темп-ры (260–270 К). Слой А., рас­по­ло­жен­ный на выс. 55–85 км, где темп-ра сно­ва па­да­ет с вы­со­той, на­зы­ва­ет­ся ме­зо­сфе­рой, на его верх­ней гра­ни­це – ме­зо­пау­зе – темп-ра дос­ти­га­ет ле­том 150–160 К, а зи­мой 200–230 К. Над ме­зо­пау­зой на­чи­на­ет­ся тер­мо­сфе­ра – слой, ха­рак­те­ри­зую­щий­ся бы­ст­рым по­вы­ше­ни­ем темп-ры, дос­ти­гаю­щей на выс. 250 км зна­че­ний 800–1200 К. В тер­мо­сфе­ре по­гло­ща­ет­ся кор­пус­ку­ляр­ная и рент­ге­нов­ская ра­диа­ция Солн­ца, тор­мо­зят­ся и сго­ра­ют ме­тео­ры, по­это­му она вы­пол­ня­ет функ­цию за­щит­но­го слоя Зем­ли. Ещё вы­ше на­хо­дит­ся эк­зо­сфе­ра, от­ку­да ат­мо­сфер­ные га­зы рас­сеи­ва­ют­ся в ми­ро­вое про­стран­ст­во за счёт дис­си­па­ции и где про­ис­хо­дит по­сте­пен­ный пе­ре­ход от А. к меж­пла­нет­но­му про­стран­ст­ву.

Состав атмосферы

До выс. ок. 100 км А. прак­ти­че­ски од­но­род­на по хи­мич. со­ста­ву и ср. мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха (ок. 29) в ней по­сто­ян­на. Вбли­зи по­верх­но­сти Зем­ли А. со­сто­ит из азо­та (ок. 78,1% по объёму) и ки­сло­ро­да (ок. 20,9%), а так­же со­дер­жит ма­лые ко­ли­че­ст­ва ар­го­на, ди­ок­си­да уг­ле­ро­да (уг­ле­ки­сло­го га­за), не­она и др. по­сто­ян­ных и пе­ре­мен­ных ком­по­нен­тов (см. Воз­дух).

Кро­ме то­го, А. со­дер­жит не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва озо­на, ок­си­дов азо­та, ам­миа­ка, ра­до­на и др. От­но­сит. со­дер­жа­ние осн. со­став­ляю­щих воз­ду­ха по­сто­ян­но во вре­ме­ни и од­но­род­но в раз­ных гео­гра­фич. рай­онах. Со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра и озо­на пе­ре­мен­но в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни; не­смот­ря на ма­лое со­дер­жа­ние, их роль в ат­мо­сфер­ных про­цес­сах весь­ма су­ще­ст­вен­на.

Вы­ше 100–110 км про­ис­хо­дит дис­со­циа­ция мо­ле­кул ки­сло­ро­да, уг­ле­ки­сло­го га­за и во­дя­но­го па­ра, по­это­му мо­ле­ку­ляр­ная мас­са воз­ду­ха умень­ша­ет­ся. На выс. ок. 1000 км на­чи­на­ют пре­об­ла­дать лёг­кие га­зы – ге­лий и во­до­род, а ещё вы­ше А. Зем­ли по­сте­пен­но пе­ре­хо­дит в меж­пла­нет­ный газ.

Наи­бо­лее важ­ная пе­ре­мен­ная ком­по­нен­та А. – во­дя­ной пар, ко­то­рый по­сту­па­ет в А. при ис­па­ре­нии с по­верх­но­сти во­ды и влаж­ной поч­вы, а так­же пу­тём транс­пи­ра­ции рас­те­ния­ми. От­но­сит. со­дер­жа­ние во­дя­но­го па­ра ме­ня­ет­ся у зем­ной по­верх­но­сти от 2,6% в тро­пи­ках до 0,2% в по­ляр­ных ши­ро­тах. С вы­со­той оно бы­ст­ро па­да­ет, убы­вая на­по­ло­ви­ну уже на выс. 1,5–2 км. В вер­ти­каль­ном стол­бе А. в уме­рен­ных ши­ро­тах со­дер­жит­ся ок. 1,7 см «слоя оса­ж­дён­ной во­ды». При кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра об­ра­зу­ют­ся об­ла­ка, из ко­то­рых вы­па­да­ют осад­ки ат­мо­сфер­ные в ви­де до­ж­дя, гра­да, сне­га.

Важ­ной со­став­ляю­щей ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха яв­ля­ет­ся озон, со­сре­до­то­чен­ный на 90% в стра­то­сфе­ре (ме­ж­ду 10 и 50 км), ок. 10% его на­хо­дит­ся в тро­по­сфе­ре. Озон обес­пе­чи­ва­ет по­гло­ще­ние жё­ст­кой УФ-ра­диа­ции (с дли­ной вол­ны ме­нее 290 нм), и в этом – его за­щит­ная роль для био­сфе­ры. Зна­че­ния об­ще­го со­дер­жа­ния озо­на ме­ня­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от ши­ро­ты и се­зо­на в пре­де­лах от 0,22 до 0,45 см (тол­щи­на слоя озо­на при дав­ле­нии $p=$ 1 атм и темп-ре $T=$ 0 °C). В озо­но­вых ды­рах, на­блю­дае­мых вес­ной в Ан­тарк­ти­ке с нач. 1980-х гг., со­дер­жа­ние озо­на мо­жет па­дать до 0,07 см. Оно уве­ли­чи­ва­ет­ся от эк­ва­то­ра к по­лю­сам и име­ет го­до­вой ход с мак­си­му­мом вес­ной и ми­ни­му­мом осе­нью, при­чём ам­пли­ту­да го­до­во­го хо­да ма­ла в тро­пи­ках и рас­тёт к вы­со­ким ши­ро­там. Су­ще­ст­вен­ной пе­ре­мен­ной ком­по­нен­той А. яв­ля­ет­ся уг­ле­кис­лый газ, со­дер­жа­ние ко­то­ро­го в ат­мо­сфе­ре за по­след­ние 200 лет вы­рос­ло на 35%, что объ­яс­ня­ет­ся в осн. ан­тро­по­ген­ным фак­то­ром. На­блю­да­ет­ся его ши­рот­ная и се­зон­ная из­мен­чи­вость, свя­зан­ная с фо­то­син­те­зом рас­те­ний и рас­тво­ри­мо­стью в мор­ской во­де (со­глас­но за­ко­ну Ген­ри, рас­тво­ри­мость га­за в во­де умень­ша­ет­ся с рос­том её темп-ры).

Важ­ную роль в фор­ми­ро­ва­нии кли­ма­та пла­не­ты иг­ра­ет ат­мо­сфер­ный аэ­ро­золь – взве­шен­ные в воз­ду­хе твёр­дые и жид­кие час­ти­цы раз­ме­ром от не­сколь­ких нм до де­сят­ков мкм. Раз­ли­ча­ют­ся аэ­ро­зо­ли ес­те­ст­вен­но­го и ан­тро­по­ген­но­го про­ис­хо­ж­де­ния. Аэ­ро­золь об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се га­зо­фаз­ных ре­ак­ций из про­дук­тов жиз­не­дея­тель­но­сти рас­те­ний и хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, вул­ка­нич. из­вер­же­ний, в результате подъ­ё­ма пы­ли вет­ром с по­верх­но­сти пла­не­ты, осо­бен­но с её пус­тын­ных ре­гио­нов, а так­же об­ра­зу­ет­ся из кос­мич. пы­ли, по­па­даю­щей в верх­ние слои А. Бóльшая часть аэ­ро­зо­ля со­сре­до­то­че­на в тро­по­сфе­ре, аэ­ро­золь от вул­ка­нич. из­вер­же­ний об­ра­зу­ет т. н. слой Юн­ге на выс. ок. 20 км. Наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во ан­тро­по­ген­но­го аэ­ро­зо­ля по­па­да­ет в А. в ре­зуль­та­те ра­бо­ты ав­то­транс­пор­та и ТЭЦ, хи­мич. про­из­водств, сжи­га­ния то­п­ли­ва и др. Поэтому в не­ко­то­рых рай­онах со­став А. за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от обыч­но­го воз­ду­ха, что по­тре­бо­ва­ло соз­да­ния спец. служ­бы на­блю­де­ний и кон­тро­ля за уров­нем за­гряз­не­ния ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха.

Эволюция атмосферы

Совр. А. име­ет, по-ви­ди­мо­му, вто­рич­ное про­ис­хо­ж­де­ние: она об­ра­зо­ва­лась из га­зов, вы­де­лен­ных твёр­дой обо­лоч­кой Зем­ли по­сле за­вер­ше­ния фор­ми­ро­ва­ния пла­не­ты ок. 4,5 млрд. лет на­зад. В те­че­ние гео­ло­гич. ис­то­рии Зем­ли А. пре­тер­пе­ва­ла зна­чит. из­ме­не­ния сво­его со­ста­ва под влия­ни­ем ря­да фак­то­ров: дис­си­па­ции (уле­ту­чи­ва­ния) га­зов, пре­им. бо­лее лёг­ких, в кос­мич. про­стран­ст­во; вы­де­ле­ния га­зов из ли­то­сфе­ры в ре­зуль­та­те вул­ка­нич. дея­тель­но­сти; хи­мич. ре­ак­ций ме­ж­ду ком­по­нен­та­ми А. и по­ро­да­ми, сла­гаю­щи­ми зем­ную ко­ру; фо­то­хи­мич. ре­ак­ций в са­мой А. под влия­ни­ем сол­неч­но­го УФ-из­лу­че­ния; ак­кре­ции (за­хва­та) ма­те­рии меж­пла­нет­ной сре­ды (напр., ме­те­ор­но­го ве­ще­ст­ва). Раз­ви­тие А. тес­но свя­за­но с гео­ло­гич. и гео­хи­мич. про­цес­са­ми, а по­след­ние 3–4 млрд. лет так­же с дея­тель­но­стью био­сфе­ры. Зна­чит. часть га­зов, со­став­ляю­щих совр. А. (азот, уг­ле­кис­лый газ, во­дя­ной пар), воз­ник­ла в хо­де вул­ка­нич. дея­тель­но­сти и ин­тру­зии, вы­но­сив­шей их из глу­бин Зем­ли. Ки­сло­род поя­вил­ся в за­мет­ных ко­ли­че­ст­вах ок. 2 млрд. лет то­му на­зад как ре­зуль­тат дея­тель­но­сти фо­то­син­те­зи­рую­щих ор­га­низ­мов, пер­во­на­чаль­но за­ро­див­ших­ся в по­верх­но­ст­ных во­дах океа­на.

По дан­ным о хи­мич. со­ста­ве кар­бо­нат­ных от­ло­же­ний по­лу­че­ны оцен­ки ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за и ки­сло­ро­да в А. гео­ло­ги­чес­ко­го про­шло­го. На про­тя­же­нии фа­не­ро­зоя (по­след­ние 570 млн. лет ис­то­рии Зем­ли) ко­ли­че­ст­во уг­ле­ки­с­ло­го га­за в А. из­ме­ня­лось в ши­ро­ких пре­де­лах в со­от­вет­ст­вии с уров­нем вул­ка­нич. ак­тив­но­сти, темп-рой океа­на и уров­нем фо­то­син­те­за. Боль­шую часть это­го вре­ме­ни кон­цен­тра­ция уг­ле­ки­сло­го га­за в А. бы­ла зна­чи­тель­но вы­ше со­вре­мен­ной (до 10 раз). Ко­ли­че­ст­во ки­с­ло­ро­да в А. фа­не­ро­зоя су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­лось, при­чём пре­об­ла­да­ла тен­ден­ция к его уве­ли­че­нию. В А. до­кем­брия мас­са уг­ле­ки­сло­го га­за бы­ла, как пра­ви­ло, боль­ше, а мас­са ки­сло­ро­да – мень­ше по срав­не­нию с А. фа­не­ро­зоя. Ко­ле­ба­ния ко­ли­че­ст­ва уг­ле­ки­сло­го га­за ока­зы­ва­ли в про­шлом су­ще­ст­вен­ное влия­ние на кли­мат, уси­ли­вая пар­ни­ко­вый эф­фект при рос­те кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за, бла­го­да­ря че­му кли­мат на про­тя­же­нии осн. час­ти фа­не­ро­зоя был го­раз­до те­п­лее по срав­не­нию с совр. эпо­хой.

Атмосфера и жизнь

Без А. Зем­ля бы­ла бы мёрт­вой пла­не­той. Ор­га­нич. жизнь про­те­ка­ет в тес­ном взаи­мо­дей­ст­вии с А. и свя­зан­ны­ми с ней кли­ма­том и по­го­дой. Не­зна­чи­тель­ная по мас­се по срав­не­нию с пла­не­той в це­лом (при­мер­но мил­ли­он­ная часть), А. яв­ля­ет­ся не­пре­мен­ным ус­ло­ви­ем для всех форм жиз­ни. Наи­боль­шее зна­че­ние из ат­мо­сфер­ных га­зов для жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов име­ют ки­сло­род, азот, во­дя­ной пар, уг­ле­кис­лый газ, озон. При по­гло­ще­нии уг­ле­ки­сло­го га­за фо­то­син­те­зи­рую­щи­ми рас­те­ния­ми соз­да­ёт­ся ор­га­нич. ве­ще­ст­во, ис­поль­зуе­мое как ис­точ­ник энер­гии по­дав­ляю­щим боль­шин­ст­вом жи­вых су­ществ, вклю­чая че­ло­ве­ка. Кис­лород не­об­хо­дим для су­ще­ст­во­ва­ния аэроб­ных ор­га­низ­мов, для ко­то­рых при­ток энер­гии обес­пе­чи­ва­ет­ся ре­ак­ция­ми окис­ле­ния ор­га­нич. ве­ще­ст­ва. Азот, ус­ваи­вае­мый не­ко­то­ры­ми мик­ро­ор­га­низ­ма­ми (азо­то­фик­са­то­ра­ми), не­об­хо­дим для ми­нер. пи­та­ния рас­те­ний. Озон, по­гло­щаю­щий жё­ст­кое УФ-из­лу­че­ние Солн­ца, зна­чи­тель­но ос­лаб­ля­ет эту вред­ную для жиз­ни часть сол­неч­ной ра­диа­ции. Кон­ден­са­ция во­дя­но­го па­ра в А., об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и по­сле­дую­щее вы­па­де­ние ат­мо­сфер­ных осад­ков по­став­ля­ют на су­шу во­ду, без ко­то­рой не­воз­мож­ны ни­ка­кие фор­мы жиз­ни. Жиз­не­дея­тель­ность ор­га­низ­мов в гид­ро­сфе­ре во мно­гом оп­ре­де­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вом и хи­мич. со­ста­вом ат­мо­сфер­ных га­зов, рас­тво­рён­ных в во­де. По­сколь­ку хи­мич. со­став А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов, био­сфе­ру и А. мож­но рас­смат­ри­вать как часть еди­ной сис­те­мы, под­дер­жа­ние и эво­лю­ция ко­то­рой (см. Био­гео­хи­ми­че­ские цик­лы) име­ла боль­шое зна­че­ние для из­ме­не­ния со­ста­ва А. на про­тя­же­нии ис­то­рии Зем­ли как пла­не­ты.

Радиационный, тепловой и водный балансы атмосферы

Сол­неч­ная ра­диа­ция яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски единств. ис­точ­ни­ком энер­гии для всех фи­зич. про­цес­сов в А. Глав­ная осо­бен­ность ра­ди­ац. ре­жи­ма А. – т. н. пар­ни­ко­вый эф­фект: А. дос­та­точ­но хо­ро­шо про­пус­ка­ет к зем­ной по­верх­но­сти сол­неч­ную ра­диа­цию, но ак­тив­но по­гло­ща­ет те­п­ло­вое длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние зем­ной по­верх­но­сти, часть ко­то­ро­го воз­вра­ща­ет­ся к по­верх­но­сти в фор­ме встреч­но­го из­лу­че­ния, ком­пен­си­рую­ще­го ра­ди­ац. по­те­рю те­п­ла зем­ной по­верх­но­стью (см. Ат­мос­фер­ное из­лу­че­ние). В от­сут­ст­вие А. ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти бы­ла бы –18 °C, в дей­ст­ви­тель­но­сти она 15 °C. При­хо­дя­щая сол­неч­ная ра­диа­ция час­тич­но (ок. 20%) по­гло­ща­ет­ся в А. (гл. обр. во­дя­ным па­ром, ка­п­ля­ми во­ды, уг­ле­кис­лым га­зом, озо­ном и аэ­ро­зо­ля­ми), а так­же рас­сеи­ва­ет­ся (ок. 7%) на час­ти­цах аэ­ро­зо­ля и флук­туа­ци­ях плот­но­сти (рэ­ле­ев­ское рас­сея­ние). Сум­мар­ная ра­диа­ция, дос­ти­гая зем­ной по­верх­но­сти, час­тич­но (ок. 23%) от­ра­жа­ет­ся от неё. Ко­эф. от­ра­же­ния оп­ре­де­ля­ет­ся от­ра­жат. спо­соб­но­стью под­сти­лаю­щей по­верх­но­сти, т. н. аль­бе­до. В сред­нем аль­бе­до Зем­ли для ин­те­граль­но­го по­то­ка сол­неч­ной ра­диа­ции близ­ко к 30%. Оно ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких про­цен­тов (су­хая поч­ва и чер­но­зём) до 70–90% для свеже­вы­пав­ше­го сне­га. Ра­ди­ац. те­п­ло­об­мен ме­ж­ду зем­ной по­верх­но­стью и А. су­ще­ст­вен­но за­ви­сит от аль­бе­до и оп­ре­де­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным из­лу­че­ни­ем по­верх­но­сти Зем­ли и по­гло­щён­ным ею про­ти­во­из­лу­че­ни­ем А. Ал­геб­ра­ич. сум­ма по­то­ков ра­диа­ции, вхо­дя­щих в зем­ную ат­мо­сфе­ру из кос­мич. про­стран­ст­ва и ухо­дя­щих из неё об­рат­но, на­зы­ва­ет­ся ра­диа­ци­он­ным ба­лан­сом.

Пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной ра­диа­ции по­сле её по­гло­ще­ния А. и зем­ной по­верх­но­стью оп­ре­де­ля­ют те­п­ло­вой ба­ланс Зем­ли как пла­не­ты. Гл. ис­точ­ник те­п­ла для А. – зем­ная по­верх­ность; те­п­ло­та от неё пе­ре­да­ёт­ся не толь­ко в ви­де длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния, но и пу­тём кон­век­ции, а так­же вы­де­ля­ет­ся при кон­ден­са­ции во­дя­но­го па­ра. До­ли этих при­то­ков те­п­ло­ты рав­ны в ср. 20%, 7% и 23% со­от­вет­ст­вен­но. Сю­да же до­бав­ля­ет­ся ок. 20% те­п­ло­ты за счёт по­гло­ще­ния пря­мой сол­неч­ной ра­диа­ции. По­ток сол­неч­ной ра­диа­ции за еди­ни­цу вре­ме­ни че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную сол­неч­ным лу­чам и рас­по­ло­жен­ную вне А. на ср. рас­стоя­нии от Зем­ли до Солн­ца (т. н. сол­неч­ная по­сто­ян­ная), ра­вен 1367 Вт/м², из­ме­не­ния со­став­ля­ют 1–2 Вт/м² в за­ви­си­мо­сти от цик­ла сол­неч­ной ак­тив­но­сти. При пла­не­тар­ном аль­бе­до ок. 30% средний по вре­ме­ни гло­баль­ный при­ток сол­неч­ной энер­гии к пла­не­те со­став­ля­ет 239 Вт/м². По­сколь­ку Зем­ля как пла­не­та ис­пус­ка­ет в кос­мос в сред­нем та­кое же ко­ли­че­ст­во энер­гии, то, со­глас­но за­ко­ну Сте­фа­на – Больц­ма­на, эф­фек­тив­ная темп-ра ухо­дя­ще­го те­п­ло­во­го длин­но­вол­но­во­го из­лу­че­ния 255 К (–18 °C). В то же вре­мя ср. темп-ра зем­ной по­верх­но­сти со­став­ля­ет 15 °C. Раз­ни­ца в 33 °C воз­ни­ка­ет за счёт пар­ни­ко­во­го эф­фек­та.

Вод­ный ба­ланс А. в це­лом со­от­вет­ст­ву­ет ра­вен­ст­ву ко­ли­че­ст­ва вла­ги, ис­па­рив­шей­ся с по­верх­но­сти Зем­ли, ко­ли­че­ст­ву осад­ков, вы­па­даю­щих на зем­ную по­верх­ность. А. над океа­на­ми по­лу­ча­ет боль­ше вла­ги от про­цес­сов ис­па­ре­ния, чем над су­шей, а те­ря­ет в ви­де осад­ков 90%. Из­бы­ток во­дя­но­го па­ра над океа­на­ми пе­ре­но­сит­ся на кон­ти­нен­ты воз­душ­ны­ми по­то­ка­ми. Ко­ли­че­ст­во во­дя­но­го па­ра, пе­ре­но­си­мо­го в А. с океа­нов на кон­ти­нен­ты, рав­но объ­ё­му сто­ка рек, впа­даю­щих в океа­ны.

Движение воздуха

Фотография участка атмосферы с атмосферным вихрем(снимок сделан со спутника).

Зем­ля име­ет ша­ро­об­раз­ную фор­му, по­это­му к её вы­со­ким ши­ро­там при­хо­дит го­раз­до мень­ше сол­неч­ной ра­диа­ции, чем к тро­пи­кам. Вслед­ст­вие это­го ме­ж­ду ши­ро­та­ми воз­ни­ка­ют боль­шие тем­пе­ра­тур­ные кон­т­расты. На рас­пре­де­ле­ние темп-ры в су­ще­ст­вен­ной ме­ре влия­ет так­же вза­им­ное рас­по­ло­же­ние океа­нов и кон­ти­нен­тов. Из-за боль­шой мас­сы океа­нич. вод и вы­со­кой те­п­ло­ём­ко­сти во­ды се­зон­ные ко­ле­ба­ния темп-ры по­верх­но­сти океа­на зна­чи­тель­но мень­ше, чем су­ши. В свя­зи с этим в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха над океа­на­ми ле­том за­мет­но ни­же, чем над кон­ти­нен­та­ми, а зи­мой – вы­ше.

Не­оди­на­ко­вый ра­зо­грев А. в раз­ных об­лас­тях зем­но­го ша­ра вы­зы­ва­ет не­од­но­род­ное по про­стран­ст­ву рас­пре­де­ле­ние ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. На уров­не мо­ря рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­си­тель­но низ­ки­ми зна­че­ния­ми вбли­зи эк­ва­то­ра, уве­ли­че­ни­ем в суб­тро­пи­ках (по­ясá вы­со­ко­го дав­ле­ния) и по­ни­же­ни­ем в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. При этом над ма­те­ри­ка­ми вне­тро­пич. ши­рот дав­ле­ние зи­мой обыч­но по­вы­ше­но, а ле­том по­ни­же­но, что свя­за­но с рас­пре­де­ле­ни­ем темп-ры. Под дей­ст­ви­ем гра­ди­ен­та дав­ле­ния воз­дух ис­пы­ты­ва­ет ус­ко­ре­ние, на­прав­лен­ное от об­лас­тей с вы­со­ким дав­ле­ни­ем к об­лас­тям с низ­ким, что при­во­дит к пе­ре­ме­ще­нию масс воз­ду­ха. На дви­жу­щие­ся воз­душ­ные мас­сы дей­ст­ву­ют так­же от­кло­няю­щая си­ла вра­ще­ния Зем­ли (си­ла Ко­рио­ли­са), си­ла тре­ния, убы­ваю­щая с вы­со­той, а при кри­во­ли­ней­ных тра­ек­то­ри­ях и цен­тро­беж­ная си­ла. Боль­шое зна­че­ние име­ет тур­бу­лент­ное пе­ре­ме­ши­ва­ние воз­ду­ха (см. Тур­бу­лент­ность в ат­мос­фе­ре).

С пла­не­тар­ным рас­пре­де­ле­ни­ем дав­ле­ния свя­за­на слож­ная сис­те­ма воз­душ­ных те­че­ний (об­щая цир­ку­ля­ция ат­мо­сфе­ры). В ме­ри­дио­наль­ной плос­ко­сти в сред­нем про­сле­жи­ва­ют­ся две или три ячей­ки ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции. Вбли­зи эк­ва­то­ра на­гре­тый воз­дух под­ни­ма­ет­ся и опус­ка­ет­ся в суб­тро­пи­ках, об­ра­зуя ячей­ку Хэд­ли. Там же опус­ка­ет­ся воз­дух об­рат­ной ячей­ки Фер­ре­ла. В вы­со­ких ши­ро­тах час­то про­сле­жи­ва­ет­ся пря­мая по­ляр­ная ячей­ка. Ско­ро­сти ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции по­ряд­ка 1 м/с или мень­ше. Из-за дей­ст­вия си­лы Ко­рио­ли­са в боль­шей час­ти А. на­блю­да­ют­ся зап. вет­ры со ско­ро­стя­ми в сред­ней тро­по­сфе­ре ок. 15 м/с. Су­ще­ст­ву­ют срав­ни­тель­но ус­той­чи­вые сис­те­мы вет­ров. К ним от­но­сят­ся пас­са­ты – вет­ры, дую­щие от поя­сов вы­со­ко­го дав­ле­ния в суб­тро­пи­ках к эк­ва­то­ру с за­мет­ной вост. со­став­ляю­щей (с во­сто­ка на за­пад). Дос­та­точ­но ус­той­чи­вы мус­соны – воз­душ­ные те­че­ния, имею­щие чёт­ко вы­ра­жен­ный се­зон­ный ха­рак­тер: они ду­ют с океа­на на ма­те­рик ле­том и в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии зи­мой. Осо­бен­но ре­гу­ляр­ны мус­со­ны Ин­дий­ско­го ок. В сред­них ши­ро­тах дви­же­ние воз­душ­ных масс име­ет в осн. зап. на­прав­ле­ние (с за­па­да на вос­ток). Это зо­на атмо­сфер­ных фрон­тов, на ко­то­рых воз­ни­ка­ют круп­ные вих­ри – ци­кло­ны и ан­ти­ци­кло­ны, ох­ва­ты­ваю­щие мн. сот­ни и да­же ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. Ци­кло­ны воз­ни­ка­ют и в тро­пи­ках; здесь они от­ли­ча­ют­ся мень­ши­ми раз­ме­ра­ми, но очень боль­ши­ми ско­ро­стя­ми вет­ра, дос­ти­гаю­ще­го ура­ган­ной си­лы (33 м/с и бо­лее), т. н. тро­пи­че­ские ци­кло­ны. В Ат­лан­ти­ке и на вос­то­ке Ти­хо­го ок. они на­зы­вают­ся ура­га­на­ми, а на за­па­де Ти­хо­го ок. – тай­фу­на­ми. В верх­ней тро­по­сфе­ре и ниж­ней стра­то­сфе­ре в об­лас­тях, раз­де­ляю­щих пря­мую ячей­ку ме­ри­дио­наль­ной цир­ку­ля­ции Хэд­ли и об­рат­ную ячей­ку Фер­ре­ла, час­то на­блю­да­ют­ся срав­ни­тель­но уз­кие, в сот­ни ки­ло­мет­ров ши­ри­ной, струй­ные те­че­ния с рез­ко очер­чен­ны­ми гра­ни­ца­ми, в пре­де­лах ко­то­рых ве­тер дос­ти­га­ет 100–150 и да­же 200 м/с.

Климат и погода

Раз­ли­чие в ко­ли­че­ст­ве сол­неч­ной ра­диа­ции, при­хо­дя­щей на раз­ных ши­ро­тах к раз­но­об­раз­ной по фи­зич. свой­ст­вам зем­ной по­верх­но­сти, оп­ре­де­ля­ет мно­го­об­ра­зие кли­ма­тов Зем­ли. От эк­ва­то­ра до тро­пич. ши­рот темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в ср. 25–30 °C и ма­ло ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да. В эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се обыч­но вы­па­да­ет мно­го осад­ков, что соз­да­ёт там ус­ло­вия из­бы­точ­но­го ув­лаж­не­ния. В тро­пич. поя­сах ко­ли­че­ст­во осад­ков умень­ша­ет­ся и в ря­де об­лас­тей ста­но­вит­ся очень ма­лым. Здесь рас­по­ла­га­ют­ся об­шир­ные пус­ты­ни Зем­ли.

В суб­тро­пич. и сред­них ши­ро­тах темп-ра воз­ду­ха зна­чи­тель­но ме­ня­ет­ся в те­че­ние го­да, при­чём раз­ни­ца ме­ж­ду темп-ра­ми ле­та и зи­мы осо­бен­но ве­ли­ка в уда­лён­ных от океа­нов об­лас­тях кон­ти­нен­тов. Так, в не­ко­то­рых рай­онах Вост. Си­би­ри го­до­вая ам­пли­ту­да темп-ры воз­ду­ха дос­ти­га­ет 65 °C. Ус­ло­вия ув­лаж­не­ния в этих ши­ро­тах весь­ма раз­но­об­раз­ны, за­ви­сят в осн. от ре­жи­ма об­щей цир­ку­ля­ции А. и су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся от го­да к го­ду.

В по­ляр­ных ши­ро­тах темп-ра ос­та­ёт­ся низ­кой в те­че­ние все­го го­да, да­же при на­ли­чии её за­мет­но­го се­зон­но­го хо­да. Это спо­соб­ст­ву­ет ши­ро­ко­му рас­про­стра­не­нию ле­до­во­го по­кро­ва на океа­нах и су­ше и мно­го­лет­не­мёрз­лых по­род, за­ни­маю­щих в Рос­сии св. 65% её пло­ща­ди, в осн. в Си­би­ри.

За по­след­ние де­ся­ти­ле­тия ста­ли всё бо­лее за­мет­ны из­ме­не­ния гло­баль­но­го кли­ма­та. Темп-ра по­вы­ша­ет­ся боль­ше в вы­со­ких ши­ро­тах, чем в низ­ких; боль­ше зи­мой, чем ле­том; боль­ше но­чью, чем днём. За 20 в. ср.-го­до­вая темп-ра воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти в Рос­сии вы­рос­ла на 1,5–2 °C, при­чём в отд. рай­онах Си­би­ри на­блю­да­ет­ся по­вы­ше­ние на неск. гра­ду­сов. Это свя­зы­ва­ет­ся с уси­ле­ни­ем пар­ни­ко­во­го эф­фек­та вслед­ст­вие рос­та кон­цен­тра­ции ма­лых га­зо­вых при­ме­сей.

По­го­да оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми цир­ку­ля­ции А. и гео­гра­фич. по­ло­же­ни­ем ме­ст­но­сти, она наи­бо­лее ус­той­чи­ва в тро­пи­ках и наи­бо­лее из­мен­чи­ва в сред­них и вы­со­ких ши­ро­тах. Бо­лее все­го по­го­да ме­ня­ет­ся в зо­нах сме­ны воз­душ­ных масс, обу­слов­лен­ных про­хо­ж­де­ни­ем ат­мо­сфер­ных фрон­тов, ци­кло­нов и ан­ти­ци­кло­нов, не­су­щих осад­ки и уси­ле­ние вет­ра. Дан­ные для про­гно­за по­го­ды со­би­ра­ют­ся на на­зем­ных ме­тео­стан­ци­ях, мор­ских и воз­душ­ных су­дах, с ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков. См. так­же Ме­тео­ро­ло­гия.

Оптические, акустические и электрические явления в атмосфере

При рас­про­стра­не­нии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. в ре­зуль­та­те реф­рак­ции, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния све­та воз­ду­хом и разл. час­ти­ца­ми (аэ­ро­золь, кри­стал­лы льда, ка­п­ли во­ды) воз­ни­ка­ют раз­но­об­раз­ные оп­тич. яв­ле­ния: ра­ду­га, вен­цы, га­ло, ми­раж и др. Рас­сея­ние све­та обу­слов­ли­ва­ет ви­ди­мую вы­со­ту не­бес­но­го сво­да и го­лу­бой цвет не­ба. Даль­ность ви­ди­мо­сти пред­ме­тов оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми рас­про­стра­не­ния све­та в А. (см. Ат­мо­сфер­ная ви­ди­мость). От про­зрач­но­сти А. на разл. дли­нах волн за­ви­сят даль­ность свя­зи и воз­мож­ность об­на­ру­же­ния объ­ек­тов при­бо­ра­ми, в т. ч. воз­мож­ность ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний с по­верх­но­сти Зем­ли. Для ис­сле­до­ва­ний оп­тич. не­од­но­род­но­стей стра­то­сфе­ры и ме­зо­сфе­ры важ­ную роль иг­ра­ет яв­ле­ние су­ме­рек. Напр., фо­то­гра­фи­ро­ва­ние су­ме­рек с кос­мич. ап­па­ра­тов по­зво­ля­ет об­на­ру­жи­вать аэ­ро­золь­ные слои. Осо­бен­но­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в А. оп­ре­де­ля­ют точ­ность ме­то­дов дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния её па­ра­мет­ров. Все эти во­про­сы, как и мн. дру­гие, изу­ча­ет ат­мо­сфер­ная оп­ти­ка. Реф­рак­ция и рас­сея­ние ра­дио­волн обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­но­сти ра­дио­приё­ма (см. Рас­про­стра­не­ние ра­дио­волн).

Рас­про­стра­не­ние зву­ка в А. за­ви­сит от про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния темп-ры и ско­ро­сти вет­ра (см. Ат­мо­сфер­ная аку­сти­ка). Оно пред­став­ля­ет ин­те­рес для зон­ди­ро­ва­ния А. дис­танц. ме­то­да­ми. Взры­вы за­ря­дов, за­пус­кае­мых ра­ке­та­ми в верх­нюю А., да­ли бо­га­тую ин­фор­ма­цию о сис­те­мах вет­ров и хо­де темп-ры в стра­то­сфе­ре и ме­зо­сфе­ре. В ус­той­чи­во стра­ти­фи­ци­ро­ван­ной А., ко­гда темп-ра па­да­ет с вы­со­той мед­лен­нее адиа­ба­ти­че­ско­го гра­ди­ен­та (9,8 К/км), воз­ни­ка­ют т. н. внут­рен­ние вол­ны. Эти вол­ны мо­гут рас­про­стра­нять­ся вверх в стра­то­сфе­ру и да­же в ме­зо­сфе­ру, где они за­ту­ха­ют, спо­соб­ст­вуя уси­ле­нию вет­ра и тур­бу­лент­но­сти.

От­ри­ца­тель­ный за­ряд Зем­ли и обу­с­лов­лен­ное им элек­трич. по­ле А. вме­сте с элек­три­че­ски за­ря­жен­ны­ми ио­но­сфе­рой и маг­ни­то­сфе­рой соз­да­ют гло­баль­ную элек­трич. цепь. Важ­ную роль при этом иг­ра­ет об­ра­зо­ва­ние об­ла­ков и гро­зо­во­го элек­три­че­ст­ва. Опас­ность гро­зо­вых раз­ря­дов вы­зва­ла не­об­хо­ди­мость раз­ра­бот­ки ме­то­дов гро­зо­за­щи­ты зда­ний, со­ору­же­ний, ли­ний элек­тро­пе­ре­дач и свя­зи. Осо­бую опас­ность это яв­ле­ние пред­став­ля­ет для авиа­ции. Гро­зо­вые раз­ря­ды вы­зы­ва­ют ат­мо­сфер­ные ра­дио­по­ме­хи, по­лу­чив­шие назв. ат­мо­сфе­ри­ков (см. Сви­стя­щие ат­мо­сфе­ри­ки). Во вре­мя рез­ко­го уве­ли­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля на­блю­да­ют­ся све­тя­щие­ся раз­ря­ды, воз­ни­каю­щие на ост­ри­ях и ост­рых уг­лах пред­ме­тов, вы­сту­паю­щих над зем­ной по­верх­но­стью, на отд. вер­ши­нах в го­рах и др. (Эль­ма ог­ни). А. все­гда со­дер­жит силь­но ме­няю­ще­еся в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий ко­ли­че­ст­во лёг­ких и тя­жё­лых ио­нов, ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют элек­трич. про­во­ди­мость А. Глав­ные ио­ни­за­то­ры воз­ду­ха у зем­ной по­верх­но­сти – из­лу­че­ние ра­дио­ак­тив­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих­ся в зем­ной ко­ре и в А., а так­же кос­мич. лу­чи. См. так­же Ат­мо­сфер­ное элек­три­чест­во.

Влияние человека на атмосферу

В те­че­ние по­след­них сто­ле­тий про­ис­хо­дил рост кон­цен­тра­ции пар­ни­ко­вых га­зов в А. вслед­ст­вие хо­зяйств. дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка. Про­цент­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ки­сло­го га­за воз­рос­ло с 2,86 10^–2 две­сти лет на­зад до 3,8·10^–2 в 2005, со­дер­жа­ние ме­та­на – с 0,7· 10^–4 при­мер­но 300–400 лет на­зад до 1,8·10^–4 в нач. 21 в.; ок. 20% в при­рост пар­ни­ко­во­го эф­фек­та за по­след­нее сто­ле­тие да­ли фре­о­ны, ко­то­рых прак­ти­че­ски не бы­ло в А. до сер. 20 в. Эти ве­ще­ст­ва при­зна­ны раз­ру­ши­те­ля­ми стра­то­сфер­но­го озо­на, и их про­изводство за­пре­ще­но Мон­ре­аль­ским про­то­ко­лом 1987. Рост кон­цен­тра­ции уг­ле­ки­сло­го га­за в А. вы­зван сжи­га­ни­ем всё воз­рас­таю­щих ко­ли­честв уг­ля, неф­ти, га­за и др. ви­дов уг­ле­род­но­го то­п­ли­ва, а так­же све­де́­ни­ем ле­сов, в ре­зуль­та­те че­го умень­ша­ет­ся по­гло­ще­ние уг­ле­ки­сло­го га­за пу­тём фо­то­син­те­за. Кон­цен­тра­ция ме­та­на уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том до­бы­чи неф­ти и га­за (за счёт его по­терь), а так­же при рас­ши­ре­нии по­се­вов ри­са и уве­ли­че­нии по­го­ло­вья круп­но­го ро­га­то­го ско­та. Всё это спо­соб­ст­ву­ет по­те­п­ле­нию кли­ма­та.

Для из­ме­не­ния по­го­ды раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ак­тив­но­го воз­дей­ст­вия на ат­мо­сфер­ные про­цес­сы. Они при­ме­ня­ют­ся для за­щи­ты с.-х. рас­те­ний от гра­до­би­тия пу­тём рас­сеи­ва­ния в гро­зо­вых об­ла­ках спец. реа­ген­тов. Су­ще­ст­ву­ют так­же ме­то­ды рас­сея­ния ту­ма­нов в аэ­ро­пор­тах, за­щи­ты рас­те­ний от за­мо­роз­ков, воз­дей­ст­вия на об­ла­ка с це­лью уве­ли­че­ния осад­ков в нуж­ных мес­тах или для рас­сея­ния об­ла­ков в мо­мен­ты мас­со­вых ме­ро­прия­тий.

Изучение атмосферы

Све­де­ния о фи­зич. про­цес­сах в А. по­лу­ча­ют пре­ж­де все­го из ме­тео­ро­ло­гических на­блю­де­ний, ко­то­рые про­во­дят­ся гло­баль­ной се­тью по­сто­ян­но дей­ст­вую­щих ме­тео­ро­ло­гич. стан­ций и по­стов, рас­по­ло­жен­ных на всех кон­ти­нен­тах и на мн. ост­ро­вах. Еже­днев­ные на­блю­де­ния да­ют све­де­ния о темп-ре и влаж­но­сти воз­ду­ха, ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии и осад­ках, об­лач­но­сти, вет­ре и др. На­блю­де­ния за сол­неч­ной ра­диа­ци­ей и её пре­об­ра­зо­ва­ния­ми про­во­дят­ся на ак­ти­но­мет­рич. стан­ци­ях. Боль­шое зна­че­ние для изу­че­ния А. име­ют се­ти аэ­ро­ло­гич. стан­ций, на ко­то­рых при по­мо­щи ра­дио­зон­дов вы­пол­ня­ют­ся ме­тео­ро­ло­гич. из­ме­ре­ния до выс. 30–35 км. На ря­де стан­ций про­во­дят­ся на­блю­де­ния за ат­мо­сфер­ным озо­ном, элек­трич. яв­ле­ния­ми в А., хи­мич. со­ста­вом воз­ду­ха.

Дан­ные на­зем­ных стан­ций до­пол­ня­ют­ся на­блю­де­ния­ми на океа­нах, где дей­ст­ву­ют «су­да по­го­ды», по­сто­ян­но на­хо­дя­щие­ся в оп­ре­де­лён­ных рай­онах Ми­ро­во­го ок., а так­же ме­тео­ро­ло­гич. све­де­ния­ми, по­лу­чае­мы­ми с н.-и. и др. су­дов.

Всё боль­ший объ­ём све­де­ний об А. в по­след­ние де­ся­ти­ле­тия по­лу­ча­ют с по­мо­щью ме­тео­ро­ло­гич. спут­ни­ков, на ко­то­рых ус­та­нов­ле­ны при­бо­ры для фо­тогра­фи­ро­ва­ния об­ла­ков и из­ме­ре­ния по­то­ков ульт­ра­фио­ле­то­вой, ин­фра­крас­ной и мик­ро­вол­но­вой ра­диа­ции Солн­ца. Спут­ни­ки по­зво­ля­ют по­лу­чать све­де­ния о вер­ти­каль­ных про­фи­лях темп-ры, об­лач­но­сти и её во­до­за­па­се, эле­мен­тах ра­ди­ац. ба­лан­са А., о темп-ре по­верх­но­сти океа­на и др. Ис­поль­зуя из­ме­ре­ния реф­рак­ции ра­дио­сиг­на­лов с сис­те­мы на­ви­гац. спут­ни­ков, уда­ёт­ся оп­ре­де­лять в А. вер­ти­каль­ные про­фи­ли плот­но­сти, дав­ле­ния и темп-ры, а так­же вла­го­со­дер­жа­ния. С по­мо­щью спут­ни­ков ста­ло воз­мож­ным уточ­нить ве­ли­чи­ну сол­неч­ной по­сто­ян­ной и пла­не­тар­но­го аль­бе­до Зем­ли, стро­ить кар­ты ра­ди­ац. ба­лан­са сис­те­мы Зем­ля – А., из­ме­рять со­дер­жа­ние и из­мен­чи­вость ма­лых ат­мо­сфер­ных при­ме­сей, ре­шать мн. др. за­да­чи фи­зи­ки ат­мо­сфе­ры и мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды.