Файл: Колодочка А.С. Метеорологические условия стрельбы артиллерии учебное пособие.pdf

падают осадки. Этот слой отличается от других и по запыленности. Таким образом, тропосфера — это тот слой, в котором разыгры­

ваются основные явления погоды.

Самый нижний слой тропосферы, толщина которого колеблется в пределах 1—2 км, называется слоем возмущения? (механического перемешивания). В нем наиболее резко проявляется механическое и тепловое влияние земной поверхности, что накладывает отпеча­ ток на характер распределения температуры, влажности и ветра, а также на все развивающиеся здесь процессы.

Стратосфера находится над слоем тропосферы и распространяет­ ся в высоту до 40 км. Этот слой отличается от тропосферы в пер­ вую очередь по распределению температуры с высотой: от тропо­ паузы до высоты 30—35' км наблюдается в среднем постоянство температуры (минус 55—60°С), а затем — ее повышение. Верти­ кальное перемешивание воздуха в стратосфере ослаблено. Плот­ ности воздуха здесь значительно меньше, чем в тропосфере. Атмо­ сферное давление в пределах стратосферы изменяется в среднем от 220—230 мб у тропопаузы до 3—4 мб на высоте 40 км. Здесь воз­ дух уже довольно сильно разрежен, значительно меньше в нем примесей, поэтому меньше рассеивается солнечный свет, и небо имеет почти черный цвет с синеватым или фиолетовым оттенком.

В стратосфере редко бывают облака. Изредка достигают ниж­ них слоев стратосферы' перистые облака. Облака верхних слоев стратосферы называются перламутровыми. Они наблюдаются ред­ ко и располагаются обычно на высоте 22—30 км. Эти облака со­ стоят из ледяных мельчайших кристалликов и блестят, как перла­ мутр. Облака свидетельствуют, что в стратосфере имеется водяной пар, хотя его значительно меньше, чем в тропосфере. В стратосфе­ ру водяной пар проникает из тропосферы. Это возможно лишь при перемешивании воздуха в вертикальном направлении, а также при вулканических извержениях, сильных взрывах и т. п.

Наблюдения свидетельствуют о существовании в стратосфере ветров, меняющих свое направление и порою очень сильных. В ниж­ ней части стратосферы до высоты 20—25 км скорость ветра пони­ жается в среднем до 10 м/сек, а выше возрастает, достигая в от­ дельных случаях 100 м/сек и более. Обычно наблюдается переход воздушных течений от западных направлений в нижних слоях стра­ тосферы' к восточным в более высоких слоях. Иногда ветер в двух соседних слоях имеет существенно различные направления, кото­ рые быстро меняются со временем.

В настоящее время с развитием реактивной и ракетной артил­ лерии, а также скоростной авиации изучение стратосферы приобре­ тает рсобенно большое значение.

Мезосфера распространяется от 40 до 80 км и включает в себя теплый1слой атмосферы.

В результате специально поставленных наблюдений за характе­ ром отражения акустических колебаний от высоких слоев атмо­ сферы, метеорных наблюдений и особенно новейших исследований

31

при помощи ракет, а также наблюдений советских ученых над су­ меречными явлениями было установлено, что с 30—35 км темпера­ тура начинает повышаться и к высоте 50—60 км\ достигает значе­ ний 70—100°'С. Такое повышение температуры объясняется нали­ чием в этих слоях атмосферы озона. Озон обладает тем свойством, что, с одной стороны, очень хорошо поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, а с другой стороны — длинноволновое излучение Земли. Озон поглощает значительную часть тепла солнечных и зем­ ных лучей и нагревает воздух. Повышение температуры, начинаю­ щееся приблизительно от 30 км, продолжается до 45—55 км, где находится верхняя часть озонного слоя. Хотя здесь озона и меньше, чем на более низких уровнях (максимальная плотность озона — на высоте 25—30 км), но именно эта часть слоя, обращенная к Солнцу, нагревается сильно поглощаемыми ею ультрафиолетовы­ ми лучами. Верхний слой мезосферы от 60 до 80—82 км изучен

восновном сумеречным и метеорным методами. Установлено, что

вэтом слое происходит понижение температуры до значений —50—75°С на его верхней границе. Существование этого холодно­ го слоя подтвердилось и ракетными подъемами.

Вмезосфере по метеорным и другим наблюдениям отмечается очень сильный ветер, достигающий 100—200 м/сек, а в отдельных случаях и больше. Воздушные течения здесь наблюдаются обычно восточного направления. Атмосферное давление в верхних слоях мезосферы составляет сотые доли миллибара.

Термосфера ограничивается высотами от 80 до 300 км. Различ­

ные методы изучения этого слоя1атмосферы и теоретические расче­ ты показывают, что температура в нем с высотой, по-видимому, ра­ стет и достигает значений порядка 600—1000°С. Однако эти данные не являются окончательными и требуют уточнения; результаты, по­ лученные разными методами, дают довольно значительные рас­ хождения. Достаточно достоверными признаются данные о темпе­ ратуре до высоты 120 км, на которой она составляет около 100'С.

Повышение температуры на этих высотах может быть объясне­ но ионизацией сильно разреженного' воздуха под действием ультра­ фиолетового излучения Солнца. Возможно также, что большое ко­ личество тепла поглощается имеющимися здесь мельчайшими твер­ дыми частицами космической пыли, попадающими в атмосферу из мирового пространства.

Следует отметить, что: на больших высотах при крайней разре­ женности воздуха понятие «температура газа» приобретает совсем другой смысл, чем в нижних слоях атмосферы, и этот термин мо­ жет быть применен только условно. При сильном разрежении воз­ духа его молекулы (атомы) находятся на большом расстоянии друг от друга. Поэтому, хотя они и движутся с большими скоростями, тело, находящееся в таком воздухе, почти не будет нагреваться от соприкосновения с ним. Оно будет получать тепло непосредственно

•от солнечных лучей. В зависимости от свойств тела это нагревание может быть довольно значительным.

32

Средняя скорость ветра в термосфере равна 40—50 м/сек, в от­ дельных случаях она достигает 150—200 м/сек и больше. Хотя пре­ обладающее направление ветра в термосфере западное и юго-за­ падное, здесь бывают ветры и других направлений, особенно часто зимой. Сведения о ветре в верхних слоях атмосферы получены с по­ мощью наблюдений за передвижением серебристых облаков и ме­ теорных следов.

Серебристые облака наблюдаются в северной или северо-запад­ ной части неба, вблизи горизонта. Это яркие тонкие светящиеся прозрачные облака, состоящие из мельчайших ледяных кристалли­ ков. Благодаря своеобравному свечению, напоминающему металли­ ческий блеск, эти облака получили название серебристых. Серебри­ стые облака, расположены на высотах 80—85 км, их освещает Солнце, находящееся под горизонтом места наблюдения.

Втермосфере наблюдаются также полярные сияния, связанные

спотоком в разреженной атмосфере заряженных электричеством частиц от Солнца.

Экзосфера является последним внешним слоем атмосферы, ко­

торый в настоящее время успешно изучается при помощи специаль­ ных геофизических ракет и особенно искусственных спутников Зем­ ли. Нижняя граница экзосферы начинается с высоты около 300/ш.> Газ в этом слое чрезвычайно сильно разрежен. Так, анализ обрабо­ танных материалов по третьему советскому искусственному спутни­ ку Земли показывает, что плотность на высоте 270 км в десять мил­ лиардов раз меньше, чем у поверхности земли, а на высоте 370 км— меньше в сто миллиардов раз.

Характерной особенностью последней сферы является рассеяние частиц в мировое пространство.

Кроме приведенного деления атмосферы на слои по характеру распределения температуры по высоте, существуют и другие прин­ ципы ее разделения по ряду физических признаков (электрические свойства, химический состав воздуха и т. д.).

§ 7. СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ

Чистый и сухой воздух представляет собой механическую смесь различных газов. Основными составляющими частями воздуха у земной поверхности являются азот, кислород, аргон и углекислый газ. По объему азота содержится в воздухе 78,09%, кислорода — 20,95%, аргона — 0,93% и углекислого газа — 0,03%. Кроме этих газов, в состав воздуха в ничтожных количествах входят неон, ге­ лий, криптон, водород, ксенон, озон и др. Но содержание их на­ столько мало, что в сумме они составляют по объему менее 0,01%. В пределах тропосферы воздух всегда влажный. Влага в воздухе может содержаться в газообразном, жидком и твердом состояниях, легко переходя из одного состояния в другое. Кроме того, в нижних слоях атмосферы содержатся различные примеси: частички солей, пыли, продукты .горения, пыльца растений, множество различных бактерий и т. п.

Многочисленные анализы показывают, что процентное содер­ жание газов в приземном слое воздуха, кроме водяного пара, отли­ чается большим постоянством. Объясняется это значительной под­ вижностью и непрерывным, перемешиванием воздуха. Количество же водяного пара в составе воздуха очень непостоянно. Оно может достигать 4% по объему при жаркой влажной погоде и понижаться почти до 0% при сильных морозах, т. е. влага является наиболее изменчивой из составных частей воздуха.

Из газов, содержащихся в воздухе в переменных количествах, следует особо выделить три: водяной пар, углекислый газ и озон. Их содержание в воздухе мало по сравнению с основными газами, но влияние на атмосферные процессы очень велико. Достаточно сказать, что поглощение и излучение атмосферной лучистой энер­ гии в основном определяется присутствием этих газов. Отсюда их большое влияние на тепловой режим атмосферы.

Исследования показывают, что1вследствие наличия в атмосфер­ ном воздухе твердых и жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии, атмосферу нельзя считать газовой сферой в чистом виде или молекулярно-дисперсной системой. Будет правильнее, рассмат­ ривать атмосферу, особенно вблизи земной поверхности, как кол-

.лоидно-дисперсную систему, т. е. аэрозоль. Причем, газы, входящие в состав атмосферы, играют роль растворителя (дисперсионная среда), а мельчайшие взвешенные частички твердых и жидких ве­ ществ являются коллоидными частичками (дисперсная фаза).

Воззрение на атмосферу как на аэрозоль позволило применить к сложным атмосферным явлениям богатейший опыт коллоидной химии и объяснить такие явления, как, например, конденсация во­ дяных паров, образование осадков и др.

О составе воздуха на различных высотах судят по непосредст­ венным пробам воздуха, а также косвенными путями, используя главным образом метод спектрального анализа. Пробы воздуха по­ казывают, что состав его в пределах высот до 80-у-ЮО км практи­ чески одинаков. Слой атмосферы от земли до высоты 100 км обыч­ но называют гомосферой (однородная сфера). Выше 100 км нахо­ дится область атмосферы с изменяющимся составом воздуха, так называемая гетеросфера. В целом же атмосфера до предельных своих высот остается азотно-кислородной. Правда, на больших вы­ сотах под действием ультрафиолетовой радиации Солнца происхо­ дит расщепление молекул кислорода на атомы, и выше 100 км он оказывается полностью диссоциированным. Многое говорит за то, что на еще больших высотах (выше 200—300 км) азот также нахо­ дится в диссоциированном состоянии.

Основными физическими свойствами атмосферы1и ее составных частей являются следующие.

Воздух примерно в 800 раз легче воды в том же объеме. Вслед­ ствие малой силы внутреннего трения воздух в 8300 раз подвиж­ нее воды; он обладает большой сжимаемостью (примерно в 800 раз по сравнению с первоначальным объемом) и хорошей упругостью.

34