Атмосфера Земли — удерживаемая земным тяготением газовая оболочка, которая вращается вместе с планетой, обменивается веществом и энергией с океаном, сушей, живыми организмами и околоземным космическим пространством. Это не просто смесь газов: в атмосфере присутствуют водяной пар, жидкие и твёрдые аэрозольные частицы, формируются облака, осадки и крупномасштабные движения, определяющие погоду и климат.
Граница и происхождение
Резкой верхней поверхности у атмосферы нет: плотность постепенно уменьшается, а нейтральные частицы на больших высотах переходят к баллистическому движению и могут покидать Землю. Поэтому верхний предел задают по цели исследования. Для полётов условной границей атмосферы и космоса часто служит линия Кармана около 100 км; физическая газовая оболочка простирается на тысячи километров и переходит в геокорону. Магнитосфера не является слоем атмосферы, хотя взаимодействует с её ионизированной верхней частью.
Первичная лёгкая оболочка ранней Земли в значительной мере была утрачена. Современная атмосфера формировалась из газов недр, продуктов вулканизма, вещества, поступавшего с малыми телами, и последующих биогеохимических преобразований. Охлаждение и образование океана удалили значительную часть водяного пара и углекислого газа. Кислород накапливался вследствие кислородного фотосинтеза; его рост сделал возможным образование стратосферного озона и развитие аэробной жизни.
Газовый состав и переменные компоненты
Сухой воздух нижней атмосферы состоит приблизительно из 78,08% азота, 20,95% кислорода и 0,93% аргона по объёму; доли неона, гелия, криптона, водорода и ксенона значительно меньше. Углекислый газ относится к малым, но климатически и биогеохимически важным компонентам; его содержание меняется во времени и пространстве. До высот порядка 80–100 км турбулентное перемешивание поддерживает близкий относительный состав основных газов — эту область называют гомосферой. Выше молекулярная диффузия всё сильнее разделяет газы по массе.
Постоянными называют компоненты, доли которых в нижней атмосфере меняются мало на метеорологических масштабах времени. Переменные компоненты — водяной пар, углекислый газ, метан, озон, оксиды азота и различные примеси — имеют неоднородные концентрации и время жизни. Водяного пара у поверхности бывает от следовых количеств в холодном сухом воздухе до нескольких процентов во влажных тропиках. Он участвует в облакообразовании, переносит скрытую теплоту и является главным естественным парниковым газом, но быстро обменивается с поверхностью.
Аэрозоли, облака и радиация
Атмосферный аэрозоль — взвесь твёрдых и жидких частиц от нанометров до десятков микрометров и крупнее. Морская соль, минеральная пыль, сульфаты, органическое вещество, сажа, пепел и биологические частицы поступают прямо или образуются из газов. Аэрозоли рассеивают и поглощают излучение, служат ядрами конденсации и кристаллизации, влияют на свойства облаков. Их эффект зависит от состава, размера, высоты и подстилающей поверхности, поэтому нельзя приписывать всем частицам одинаковое охлаждающее или нагревающее действие.
Атмосфера пропускает значительную часть видимого солнечного света, отражает его облаками и аэрозолями и поглощает отдельные диапазоны. Поверхность отдаёт энергию преимущественно в инфракрасном диапазоне. Водяной пар, CO₂, CH₄, N₂O, озон и облака поглощают и переизлучают часть этого потока: естественный парниковый эффект поддерживает температуру, пригодную для современной биосферы. Антропогенное увеличение концентраций долгоживущих парниковых газов усиливает радиационное воздействие; это не тождественно локальному загрязнению воздуха в правовом смысле.
Вертикальное строение
Слои выделяют прежде всего по знаку среднего вертикального градиента температуры. В тропосфере, содержащей большую часть массы воздуха и почти весь водяной пар, температура в среднем убывает с высотой; здесь развиваются конвекция, облака и основная погода. Высота тропопаузы меняется примерно от 8–10 км в полярных широтах до 16–18 км в тропиках и зависит от сезона и синоптической обстановки.
В стратосфере температура с высотой растёт из-за поглощения ультрафиолета озоном. «Озоновый слой» — не отдельная сплошная оболочка, а область повышенной концентрации озона, главным образом в стратосфере примерно на высотах 15–35 км. Он резко ослабляет биологически опасное ультрафиолетовое излучение. В мезосфере температура снова падает и у мезопаузы достигает очень низких значений; там сгорает значительная часть малых метеорных тел.
В термосфере редкий газ нагревается при поглощении коротковолнового солнечного излучения, и кинетическая температура может быть высокой, хотя теплосодержание мало. Значительная часть ионосферы перекрывается с мезосферой и термосферой: ионосферу выделяют по электрическим свойствам, а не по температуре. Экзосфера — внешняя область с редкими столкновениями частиц; она постепенно переходит в межпланетную среду. Слои являются динамичными областями, их границы колеблются.
Давление, плотность и движение
Атмосферное давление создаётся весом вышележащего столба воздуха. В приближении гидростатического равновесия оно быстро, близко к экспоненциальному закону, уменьшается с высотой; половина массы атмосферы находится приблизительно ниже 5,5 км. Плотность зависит от давления, температуры и влажности. Локальные горизонтальные различия давления создают силу барического градиента, вращение Земли отклоняет движение силой Кориолиса, а у поверхности существенно трение.
Общая циркуляция переносит избыток тепла из низких широт и компенсирует радиационный дефицит высоких. Она включает зональные ветры, струйные течения, циклоны, антициклоны, планетарные волны и сезонные муссонные системы. Воздушные движения соединяют районы испарения и осадков, переносят аэрозоли и химические примеси. Реальная циркуляция изменчива и не сводится к неподвижной трёхъячеистой схеме.
Связь с океаном, сушей и биотой
На границе с океаном атмосфера получает и отдаёт тепло, влагу, импульс и газы. Ветер вызывает перемешивание и волны, океан поглощает и выделяет CO₂ и кислород, морской аэрозоль попадает в воздух. Суша влияет через альбедо, шероховатость, испарение, пыль и пожары. Растительность регулирует потоки воды и углерода, выделяет биогенные летучие соединения; микроорганизмы и почвы участвуют в обмене метаном и соединениями азота.
В круговороте воды атмосфера служит сравнительно небольшим, но быстро обновляемым резервуаром и каналом переноса от испарения к осадкам. В углеродном цикле она обменивается CO₂ и CH₄ с океаном и экосистемами. Молекулярный азот становится биологически доступным при фиксации, а денитрификация возвращает его в воздух. Соединения серы, фосфора, ртути и других веществ переносятся аэрозолями и затем выпадают, связывая удалённые экосистемы.
Экологическое значение и изменения
Атмосфера обеспечивает дыхательные и фотосинтетические газы, водный цикл и температурный режим, переносит семена, споры и питательные вещества. Озон и молекулярный кислород поглощают опасный ультрафиолет, а плотные нижние слои разрушают большинство небольших метеороидов. Одновременно атмосфера является путём быстрого распространения дыма, пыли и стойких загрязнителей, поэтому выброс в одном регионе способен воздействовать на удалённые наземные и водные экосистемы.
Сжигание ископаемого топлива, промышленность, сельское хозяйство и изменение землепользования увеличили содержание парниковых газов, реакционноспособного азота и ряда аэрозолей. Хлор- и бромсодержащие вещества вызвали истощение стратосферного озона; международное регулирование привело к сокращению их выбросов, однако восстановление идёт медленно. Изменения состава отражаются на климате, здоровье, кислотности осадков, продуктивности и биоразнообразии.
Наблюдения и исследование
Наземные метеостанции измеряют температуру, давление, влажность, ветер, видимость, облачность и осадки по стандартизованным методикам. Радиозонды дают вертикальные профили; лидары, содары, радиометры и метеорологические радиолокаторы исследуют аэрозоли, ветер, водяной пар и гидрометеоры. Газоанализаторы и отбор проб определяют следовые газы и химический состав частиц. Самолёты, аэростаты и исследовательские станции дополняют сеть.
Спутники наблюдают облака, температуру и влажность по спектрам излучения, содержание озона и других газов, аэрозольную оптическую толщу и радиационный баланс. Это обычно дистанционные оценки, требующие алгоритма восстановления и сопоставления с наземными измерениями. Реанализ объединяет неоднородные наблюдения с численной моделью и удобен для исследования прошлой атмосферы, но не является прямым измерением и содержит модельные неопределённости.
Разграничение понятий
Атмосфера — вся газовая оболочка и протекающие в ней физико-химические процессы. Атмосферный воздух в российском праве — компонент природной среды, естественная смесь газов вне жилых, производственных и иных помещений; это более узкий объект охраны. «Воздушная среда» — контекстный термин, который может включать воздух помещений или рабочей зоны. Климатическая система шире атмосферы и объединяет также гидросферу, криосферу, сушу и биосферу. Околоземное космическое пространство включает области движения космических аппаратов и плазменную среду; оно частично перекрывается с крайне разреженной верхней атмосферой, но не является её синонимом.
Кратко
Атмосфера — динамическая газовая оболочка без резкой верхней границы. Её состав, слоистость, циркуляция и обмен с поверхностью обеспечивают климат, водный и биогеохимические циклы и защиту жизни. Наблюдать её можно только совместным применением наземной сети, зондирования, спутников и моделей.