47.4. АТМОСФЕРА Строение атмосферы
Атмосфера на своем протяжении не является однородной. Особенно резко ее свойства изменяются по вертикали. По составу, температурному режиму, электрическим характеристикам атмосфера в вертикальном направлении может быть разделена на ряд слоев. Особенно отчетливо различия в свойствах этих слоев проявляются в распределении температуры по высоте.
Прилегающий к Земле слой — тропосфера —характеризуется уменьшением темгературы с высотой (порядка 6 град!км) и кончается тропопаузой на высоте от 7 км на полюсе до 17 км на экваторе. Выше лежит стратосфера, где температура возрастает приблизительно от 200° К в тропопаузе до 280° К в стратопаузе (на высоте 50 км). Далее следует мезосфера, где температура уменьшается с высотой до 170—180° К на высоте около 85 км (мезопауза).
Эти три слоя: тропосфера, стратосфера и мезосфера характеризуются неизменным газовым составом и носят общее название гомосферы.
Начиная с 85 км температура атмосферы вновь возрастает вследствие поглощения ультрафиолетовой радиации Солнца. Средний градиент температуры равен 20 град/км до высоты 150 км, а далее рост ее постепенно замедляется н заканчивается на высоте 300 км. Эта область атмосферы называется термосферой и заканчивается термопаузой, которая лежит днем на высоте 350— 450 км, а ночью опускается на высоту 200—250 км. Термосфера и лежащий над ней обширный слой мета- сферы носят общее название гетеросферы, так как характеризуются гравитационным разделением газов. Благодаря этому разделению на высоте около 750 км преобладает атомарный кислород, а на высоте 1500 км — гелий.
Разделение газов заканчивается на высоте в несколько тысяч километров переходом к водородному составу атмосферы. Чтобы выделить область, где столкновения между молекулами не мешают их вылету за пределы земной атмосферы, вводят термин экзосфера. Экзо- сфера лежит выше 700 км. На высотах до 200 000 м по характеру изменения температуры атмосфера делится на одиннадцать слоев. Общим свойством всех слоев является линейность изменения молекулярной температуры Тм, ° К, по геопотенциальной высоте Ф, выражаемой в геопотенциальных метрах (гп. м). Геопотенциальная (Ф) и геометрическая (г) высоты связаны соотношением Ф = гг/\г + г), где г = 6 371 210 м — средний радиус Земли.
Молекулярная температура Тм связана с кинетической Т следующей зависимостью: >
где М о и Mz — молекулярные массы воздуха иа уровне моря и на рассматриваемой высоте соответственно. Для расчетов приниты следующие значения физичес
ких характеристик атмосферы на уровне моря и физических констант:
Барометрическое давление иа географической широте Ф = 45°32'40" при температуре ртути 273,15° К н средней плотности ртути 13595,1 кг/м3:
Ро = 1013,25 мбар — 760 мм рт. ст.
Температура Т„ = 15°С = 288,15°К.
Газовая постоянная сухого воздуха: универсальная . . . .3,31436- 10' эрг/(град-моль);
удельная 2,87039 - 10е эрг/(град-г).
Динамическая вязкость воздуха при Т = 273°К:
(Д-О = 1,75 - 10-е кг-сек/м* = 1716,16 • 10"7 пз. Ускорение силы тяжести g0 = 980,665 см/сек2.
По многочисленным данным, полученным прямыми и косвенными методами, определены характеристики некоторой средней, или стандартной атмосферы.
Барометрическая формула [24]. Для определения разности высот г2 — гх между двумя точками, давление в которых равно Р% и Pi, можно воспользоваться барометрической формулой Лапласа:
г2 — гг = 18 400 (l + 0,00366 Т) - [1 + 0,378 (7/ р)] х
X (1 + 0,00264cos2у) (1 + 3,14 • 10~7 h) lg(Pi/P2>-
где t, h, (е/р) — средние значении температуры, высоты над уровнем моря и отношения парциального давления водяного пара к атмосферному. Если пренебречь зависимостью силы тяжести от широты и высоты и считать воздух сухим, можно воспользоваться упрощенной барометрической формулой:
«2 — *i = 18 400 (1 + 0,00366 Т) lg (Pi/P2).
Таблица 47.21