Атмосфераның құрамы мен құрылымы

 (6)

шығады, бұл теңдеуді (6) атмосфера статикасының негізгі теңдеуі деп атайды. Теңдеуден шығатын қорытынды — биіктік өскен сайын атмосфералық қысым кемиді. Теңдеудің екі жағын да  
-ке бөлсек, келесі теңдеу шығады:

. (7)

 қысымның вертикалды градиенті деп аталады, яғни ол — биіктік өсу бірлігіндегі , атмосфералық қысымның кему мәні .

Бірқалыпты жағдайда теңіз деңгейіндегі ( 1,29 кг/м³, 9,81 м/с²; 1000 гПа; 287 м²/с² К; 273⁰ К) қысымның вертикалды мәнін табуға болады.

Орта есеппен ол 12,5 гПа/ 100 м тең.

(7) теңдеудегі тығыздықты (4) теңдеуден шығарып және оны көбейтсек, онда

. (8)

Бұл теңдеудің негізінде кез келген деңгейдегі қысымды сипаттауға келесі теңдеу шығады:

, (9)

мұнда мен — төменгі мен жоғарғы деңгейлер биіктігі.

Атмосфералық қысым әр түрлі биіктікте (теңіз деңгейімен салыстырғанда) орналасқан метеостанцияларда өлшенеді. Жер бетіне жақын ауа қабатының қысымы таралу картасын құру үшін, қысым мәндері салыстырмалы болу үшін ауа қысымы бір деңгейге (теңіз деңгейіне) келтіріледі. Атмосфералық қысымның биіктікке бағыныштылығын Бабине теңдеуімен көрсетуге болады:

, (10)

мұнда — екі деңгей арасындағы биіктік (м); — мен биіктіктердегі атмосфералық қысым; — ауаның температуралық ұлғаю коэффициенті, ол тең ; — екі деңгей арасындағы ауаның орта температурасы. Бабине теңдеуі (10) арқылы мына есептерді шығарып, анықтауға болады:

• екі деңгейдегі қысым мен орта температураны біле тұра, екі нүктелер (станциялар) арасындағы биіктікті;
• бір деңгейдегі қысым мен орта температураны біле тұра, екінші деңгейдегі қысымды;
• екі деңгей биіктіктері мен ондағы қысымды біле тұра, орта температураны.

Қысым сатысы. Қысым, немесе барикалық саты, деп атмосфералық қысымның бір миллибарға, немесе бір гектопаскальға, өзгергендегі биіктік мәні атайды. Ол үшін (8) теңдеудің екі жағын да мәніне бөліп, келесі теңдеуді аламыз:

. (11)

Барикалық саты қысымның вертикалды градиентінің — кері мәні деуге де болады. Биіктік өскен сайын қысым азайып, барикалық саты өседі. Ал бірдей қысымдық жағдайда, барикалық саты температураға тікелей байланысты — ол жоғарлаған сайын, саты да үлкейеді. Ауа температурасы 0 ⁰С, қысым 1000 мб болғанда, қысым немесе барикалық саты 8 м/мб. Яғни атмосфералық қысым бір миллибарға кему үшін, 8 м көтерілу керек. Ал 5 км биіктікте осы температуралық жағдайда (қысым 500 мб жақын) барикалық саты — 16 м/мб тең. Сатыны анықтау үшін Бабине (11) теңдеуді қарапайым түрге келтірген, есептеулерде осы теңдеуді қолданады:

, (12)

мұнда — қысым сатысы (м/мб); , ауаның температуралық ұлғаю коэффициенті; — ауа температурасы (⁰С); — қысым (мб, гПа), 8000 — метрмен есептеген біртекті атмосфераның биіктігі. Кез келген станциядағы өлшенген қысымды теңіз деңгейіне келтіру үшін (көбінесе станциялар теңіз деңгейінен жоғары болады), станциядағы қысым мәніне , теңіз деңгейіне дейінгі орналасқан ауа қабатының қысымын қосады:

, ал  ,

мұнда — станцияның теңіз деңгейінен биіктігі, — қысым сатысы.

Атмосфералық қысымның биіктік бойымен кему қарқынын қарастырсақ, орта шамамен ол:

• теңіз деңгейінде — 1013 мб;
• 5 км биіктікте — 538 мб;
• 10 км биіктікте — 262 мб;
• 15 км биіктікте — 120 мб;
• 20 км биіктікте — 56 мб.

Осы мәліметтер бойынша график сызсақ, онда мынадай ерекшелікті аңғаруға болады: биіктік арифметикалық прогрессияда өскенде, атмосфералық қысым геометриялық прогрессияда өседі. Атмосфералық қысымның таралуын білсек, атмосфераның жалпы массасын да есептеуге болады, ол — т. Бұл салмақ Жер салмағынан миллион есе кіші.

Атмосфера құрылымы

Атмосфера биіктік бойы көптеген қабаттарға бөлінеді. Бөлу принциптері келесі ұстанымдар бойынша жүреді:

• атмосфера температурасының биіктік бойы таралуы;
• атмосфера құрамының өзгеруі;
• атмосфераға төсеніш жер бетінің әсері;
• атмосфераның ғарыштық аппараттарға әсері.

Ауа температурасының таралуы бойынша, атмосферада келесі қабаттарды анықтаған (1-сур.):

1. Тропосфера — атмосфераның ең төмен, 12–15 км биіктікке таралатын қабаты. Экватор маңында биіктігі 18 км-ге, полюстерде 9 км-ге дейн таралады. Ауа температурасы әр 100 м биіктікте 0,65 ⁰С төмендеп отырады. Бұл шаманы ауа температурасының биіктік градиенті деп атайды  м. Ал температураның төмендеу себебі — бұл қабат жер бетінен қызады, сондықтан биіктік өскен сайын ауа температурасы тропосферада кеміп отырады. Барлық атмосфералық құбылыстар — бұлттардың, жауын-шашынның пайда болуы, найзағай, дауыл т.б. — осы қабатта байқалады. Белсенді турбуленттік араласу, ірі көлемдегі ауа массаларының араласуы үнемі жүріп отырады. Жалпы, атмосфера салмағының 4/5 бөлігі, су буының барлығы осы тропосферада шоғырланған. Бұл қабаттың үстінде байқалатын температура экватор тұсында –70 ⁰С, полюсте — -60 ⁰С.

2. Стратосфера — тропосферадан жоғары қарай, 50–55 км биіктікке дейін таралған қабат. Екеуінің арасында қалыңдығы  
1–2 км, өтпелі тропопауза қабаты орналасқан. Тропопаузада ауа температурасы биіктік бойынша кемуін тоқтатады ( , немесе + белгіге ауысады), және мұнда өте екпінді, 150–300 км/сағ жылдамдықпен соғатын, струялық ағыстар деп аталатын желдер байқалады. Стратосферада ауа температурасы 20–25 км биіктіктен бастап өседі, яғни 50 км биіктікте ауа температурасы  
+10⁰–+30⁰ дейін көтеріледі. Мұндай құбылыстың негізгі себебі — озоносфера, яғни озон қабатының күннен келген ультракүлгін радиациясын қарқынды сіңіруінен болады. Бұл қабатта атмосфераның турбуленттік араласуы байқалмайды. Су буы жоқтың қасы, бірақ кейде өте сирек, 20–25 км биіктікте жылтырауық (перламутр) бұлттары байқалады. Күндіз олар көрінбейді, ал түнде батып келе жатқан күн сәулелерінен жалтырап көрінеді.

3. Мезосфера — стратосферадан жоғары, 80–85 км биіктікке дейін таралатын ауа қабаты. Мұнда биіктік бойы ауа температурасы қайтадан кемиді (-50, 70 ⁰С дейін). Сондықтан мезосферада турбуленттік араласу өте қарқынды. 75–90 км биіктікте сирек байқалатын күміс бұлттарды аңғаруға болады. Олар мұз кристалдарынан тұрады. Осы биіктіктегі атмосфералық қысым жер бетіндегі қысымға қарағанда 200 есе кем. Жоғары аталған үш қабатта атмосфераның 99,5 % массасы шоғырланған.

4. Термосфера — мезосферадан жоғары қарай, бірте-бірте ғарышқа ауысатын атмосфера бөлігі. Температура бұл қабатта биіктік бойынша өседі, мысалы, 800–1000 км биіктікте ол  
1000–2000⁰ жетеді. Бірақ атмосфералық тығыздық өте төмен, газ молекулалары өте сирек орналасқан және үлкен жылдамдықпен жылжиды. Температура олардың кинетикалық энергиясын сипаттайды (молекулалар күннің ультракүлгін және рентген сәулелерінен қызады), сондықтан бұл қабаттағы спутниктер жоғары температурадан «ысып» кетпейді. Термосфераның төменгі 1000 км қабатын ионосфера деп атайды. Мұнда ауа өте жоғары дәрежеде иондалған — иондар зарядталған оттегі атомдары, азот тотығы молекулалары және еркін молекулалар ретінде байқалады.

Иондану атмосфераға электр өткізгіштік қасиет береді. Ионосфераның электр өткізгіштік қасиеті жер маңындағы ауаның электр өткізгіштік қасиетіне қарағанда 10¹² есе үлкен. Әр түрлі ұзындықты толқындар ионосферадан шағылысып, кері жер бетіне қайтады. Қысқа толқынды радиотолқындар бірнеше рет шағылысып, үлкен қашықтыққа таралады. Сонымен қатар ионосферада поляр шұғыласы, ионосфералық магниттік дауылдар сияқты құбылыстар байқалады. Ультракүлгін радиацияның атмосфералық газдарға әсер етуінен зарядталған атомдар мен еркін электрондар пайда болып, иондану процесі үнемі жүріп отырады. Ионосферадан жоғары қарай орналасқан, яғни Жер атмосферасының ең сыртқы қабаты — экзосфера, немесе сейілу сферасы, деп аталады.

 

1-сур. Атмосфераның төменгі 120 км қабатындағы температура таралуы

Мұнда кейбір атмосфера бөлшектері ғарышқа мүлдем шашырап, ұшып кетуі мүмкін. Зерттеулер бойынша экзосфераның шекарасы шамамен 20 мың км биіктікте орналасқан.

Атмосфера құрамы бойынша мына қабаттарға бөлінеді:

1. Гомосфера — жер бетінен 100 км биіктікке дейін орналасқан. Мұнда атмосфера газдарының проценттік құрамы бірыңғай, ауаның молекулярлық массасы өзгермейді.

2. Гетеросфера — 100 км-ден жоғары қарай орналасқан атмосфера қабаты. Мұнда оттегі мен азот атомды жағдайда, ауаның проценттік құрамы өзгере бастайды және ауаның молекулярлық массасы кеми береді. Газдар тығыздығы бойынша қабаттарға бөліне бастайды. Шамамен 200 км биіктікке дейін атмосфера құрамында азот басымдылығы сақталады, одан жоғары қарай атомды жағдайдағы оттегі басым. Ал 1000 км жоғары қарай — атмосфера зарядталған гелий, сутек атомдарынан тұрады.

Жер бетімен әсерлесуі бойынша атмосфера:

1) шекаралық қабат — биіктігі жер бетінен 1–1,5 км дейін таралған ауа қабаты;

2) еркін атмосфера — шекаралық қабаттан жоғары қарай орналасқан қабат.

Шекаралық қабатта қозғалмалы ауа қабаты мен жер беті арасында үйкеліс күші әсер етеді. Және метеорологиялық элементтердің тәуліктік тербелісі байқалады.

Еркін атмосфераға жер бетінің әсері бәсеңдейді, үйкеліс күші әсер етпейді. Шекаралық қабаттың ең төменгі 50–100 м қабатын жер бетінің қосарлама қабаты деп аталады. Мұнда жылу мен ылғалдың турбуленттік ағындары биіктік бойынша аз өзгереді.

Жердің жасанды серіктері (ЖЖС) мен ғарыштық кемелердің ұшу жағдайлары бойынша, атмосфера:

1) нағыз атмосфера (тығыз қабаты);

2) жер маңындағы ғарыштық кеңістік деп бөлінеді. Екеуінің шекарасы шамамен 150 км биіктікте орналасқан. Атмосфераның тығыз қабатында ғарыштық аппараттар өшірілген двигательдерімен Жер айналасынан бір де бір айналым жасай алмайды.

Ауа массалары мен атмосфералық фронттар

Ауа массаларының негізгі сипаттарына температура, ылғалдылық, тұнықтық жатады. Бұл қасиеттер ауа массаларының қалыптасқан аймағына, яғни Жер беті бөлігінің қасиеттеріне, тікелей байланысты болады. Климатологтар мынадай негізгі ауа массалар түрлерін анықтаған:

• арктикалық (антарктикалық — оңтүстік жарты шарда);
• қоңыржай (немесе полярлық);
• тропиктік;
• экваторлық.

2-сур. Жылы (а) және суық (б) фронттардың вертикалды кескіні

Ауа массалары жылжи отырып, келген жердің ауа райын өзгертуге тікелей ықпалын тигізеді. Сонымен қоса жер беті әсерінен өзі де өзгереді (трансформацияланады). Температуралық қасиеті бойынша ауа массалары суық (егер де жылы жер бетіне жоғары ендіктерден суық ауа келсе) және жылы (егер суық жер бетіне төмен ендіктерден жылы ауа келсе) деп бөлінеді. Бір аймаққа белгілі бір ауа массалары маусым бойынша тән болса, онда ол сол жердің климаттық режимін қалыптастырады. Кейде жергілікті ауа массалары деп бір жерде ұзақ уақыт бойы қалыптасып, ерекше қасиеттері бар ауаны айтады.

Екі түрлі ауа массалары түйіскен жіңішке ауыспалы зонаны атмосфералық фронт (кейде шеп) деп атайды. Олар жер бетіне өте еңкіш, ұзындығы мыңдаған километр, ал ені ондаған километр болады. Фронттар (2-сур.) биіктік бойы стратосфераға дейін білінуі мүмкін. Негізгі ауа массалар арасындағы атмосфералық фронттарды да негізгі деп, ал бір ауа масса ішіндегі (бірақ қасиеттері әр түрлі ауаны бөлетін) фронтты қосарланған (яғни негізгінің соңында келе жатқан) деп атайды. Фронттар да ауа массаларымен қоса жылжып отырады, әрі өзі өткен жердің ауа райын өзгертіп отырады. Себебі фронт бойымен ауа жылжып жоғары көтеріліп отырады, ол бұлттылыққа, жауын-шашынға, жел режимінің өзгеруіне соқтырады. Фронттар ылғи да пайда болып, қайта жоғалып отырады.