Тропосфера
Строение и основные параметры тропосферы
Тропосферой называют нижнюю часть атмосферы, расположенную непосредственно над поверхностью Земли и простирающуюся до высоты 8 — 10 км — в полярных широтах, до 10 — 12 км — в умеренных и до 16 — 18 км — в тропиках. По всей своей высоте тропосфера имеет постоянный относительный состав входящих в нее газов, такой же, как у поверхности Земли). Исключение составляет содержание водяных паров, которое сильно зависит от метеорологических условий и резко уменьшается с высотой.
Важнейшим свойством тропосферы является убывание температуры с высотой. Средний вертикальный градиент температуры тропосферы составляет 6 град/км (в нижней половине тропосферы около 6 град/км, в верхней — 5 град/км). Среднегодовая температура воздуха на верхней границе тропосферы в полярных областях составляет — 55° и в районе тропиков — 80°. Верхняя граница тропосферы определяется по прекращению падения температуры с высотой. Причиной постепенного убывания температуры воздуха с высотой является то, что тропосфера почти прозрачна для солнечных лучей и, пропуская эти лучи, практически не нагревается. Основной поток солнечной энергии поглощается поверхностью Земли — ее подстилающим слоем). Нагретая поверхность Земли, в свою очередь, является источником тепловой радиации, которая прогревает тропосферу снизу вверх. Важную роль в нагревании тропосферы играет также конвекция. Непосредственно прилегающие в поверхности Земли массы воздуха приобретают более высокую температуру и поднимаются вверх; их место занимает холодный воздух, который также, в свою очередь, нагревается и т. д. Таким образом, тропосфера прогревается снизу вверх, причем возникающие в ней из-за неравномерного нагревания отдельных участков поверхности Земли восходящие и нисходящие токи воздуха создают турбулентность атмосферы и перемешивание воздушных масс по вертикали. Этим и определяется температурный режим тропосферы.
Несмотря на малую высоту тропосферы, в ней сосредоточена более 4/5 всей массы воздуха. Среднее давление атмосферы у поверхности Земли составляет 1014 МБар), на высоте 5 км она уменьшается почти в два раза, достигая 538 МБар, а на высоте 11 км падает до 225 МБар. На высоте 17 км (верхняя граница тропосферы в тропиках) давление атмосферы составляет всего 90 МБар.
Содержащиеся в тропосфере водяные пары создаются благодаря испарению влаги (также под действием солнечной радиации) с поверхности океанов, морей и водоемов. Тропосфера над океаном поэтому является более влажной, чем над пустынями. При всем этом содержание водяного пара быстро уменьшается с высотой. Так, например, на высоте 1,5 км количество водяного пара в воздухе почти в два раза, а у верхней границы тропосферы — в сотни раз меньше, чем у поверхности Земли.
Основными
параметрами, характеризующими свойства
тропосферы, являются: давление р (МБар),
абсолютная температура Т (измеряемая
в градусах Кельвина, Т = t°C + 273°) и
абсолютная влажность (также МБар). Иногда
влажность воздуха характеризуют так
называемой удельной влажностью
(выражаемой в граммах воды на килограмм
воздуха) или относительной влажностью
S,
выраженной в процентах. Абсолютная
влажность е связана с величинами
и S
соотношениями:
(11)
и
(12)
где
— определяемое по таблицам давление
водяных паров, насыщающих пространство
при заданной температуре.
В 1925 г. Международной комиссией по аэронавигации была введено понятие о так называемой «международной стандартной атмосфере» (МСА) или, как ее теперь часто называют, «нормальной тропосфере». Это гипотетическая тропосфера, свойства которой отображают среднее состояние окружающей земной шар реальной тропосферы. Нормальной тропосфере теперь приписываются следующие свойства: у поверхности Земли — давление р = 1013 МБар, температура t=15°С, относительная влажность S = 60%. С увеличением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 12 МБар, а температура — на 0,55°. Относительная влажность сохраняет свое значение на всех высотах. Высота нормальной тропосферы простирается до 11 км. Понятием о нормальной тропосфере очень удобно пользоваться и при исследовании вопросов распространения радиоволн.