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.

Стандартная атмосфера

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