Строение атмосферы

Основные сведения о Земле как планете

Земля представляет собой одну из девяти больших планет, вхо­дящих в состав Солнечной системы. Солнце — звезда средней вели­чины — служит единственным источником энергии, благодаря ко­торой существует жизнь на Земле.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,8 км/с, одновременно вращаясь вокруг своей оси с запада на восток. Плоскость вращения Земли вокруг Солнца носит название плоскости эклиптики. Земная ось наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 34'. Благодаря вращению Земли вокруг Солнца и наклону земной оси по отношению к плоскости эк­липтики происходит смена времен года.

так как 1 солн. сут равны 24 • 60 • 60 с = 86 400 с.

В астрономии введено понятие о звездных (зв.) и солнечных (солн.) сутках. Год содержит около 365,25 солн. сут. Это означает, что за один год Земля совершает 365,25 оборота вокруг своей оси по отношению к Солнцу. Кроме того, пройдя за год всю орбиту, Земля сделает еще один оборот вокруг своей оси по отношению к непо­движным звездам. Поэтому один год равен 365,25 солн. сут, или 366,25 зв. сут. Отсюда 1 зв. сут. равны 365,25/366,25 солн. сут. Уг­ловая скорость суточного вращения Земли определяется как ско­рость вращения по отношению к неподвижным звездам:

Приведем для сравнения значения периода (П) вращения вокруг своей оси и периода (т) обращения вокруг Солнца (в земных сутках) для некоторых планет солнечной системы и Солнца:

В последние десятилетия было обнаружено, что угловая ско­рость суточного вращения Земли и продолжительность суток несколь­ко изменяются в течение года. Тщательная обработка данных астро­номических наблюдений на нескольких обсерваториях за продол­жительностью звездных суток, которые оцениваются при помощи независимых хранителей времени (ныне кварцевых часов, калибру­емых по атомным стандартам частоты), позволила обнаружить годо­вые колебания длины суток с амплитудой порядка 5 • 10^-4 с (отно­сительные колебания порядка 10^-8), а затем и более короткопериодные колебания (с периодами 0,85; 0,60; 0,50; 0,48; 0,33; 0,25; 0,20 и 0,18 года).

Такие изменения скорости вращения Земли обусловлены коле­баниями в течение года скорости воздушных течений, горизонталь­ный масштаб которых сравним с размерами материков, океанов и всего полушария.

Совокупность таких воздушных течений носит название общей циркуляции атмосферы. При движении воздуха относительно по­верхности Земли возникает сила трения, которая может или уско­рять, или замедлять вращение твердой оболочки Земли. Согласно оценкам, момент импульса относительного движения атмосферы (до уровня 100 гПа) меняется в течение года от 16,0 • 10¹⁵ кг ·м² • с ^-1 в январе до 11,8 ·10¹⁵ кг -м² ·с-1 в июле (главным образом из-за того, что момент импульса в январе в южном полушарии, равный 6,5 • 10²⁵ кг • м² с^-1, вдвое больше, чем в июле в северном полуша­рии). Этими колебаниями скорости ветра объясняется примерно 2/3

наблюдаемых изменений продолжительности суток в течение года. Возможно, оставшуюся 1/3 можно объяснить сезонными колебания­ми сильных ветров в стратосфере. Известную роль в изменении уг­ловой скорости вращения Земли играет также сезонное перераспре­деление масс воздуха между материками и океанами. Зимой избы­точные массы воздуха скапливаются над материками, а летом — над океанами. Поскольку материки и океаны распределены по зем­ному шару неравномерно, перераспределение масс воздуха между ними приводит к изменению момента вращения Земли, а вместе с этим и угловой скорости.

Несмотря на большое научное значение изменения со, при по­строении теории атмосферных процессов и явлений угловую ско­рость вращения Земли можно считать постоянной: изменения со ни­чтожно малы, и их влияние совершенно несравнимо с влиянием других (метеорологических) факторов.

Если бы Земля была вполне однородной или состояла из концен­трических однородных слоев, то при отсутствии вращения вокруг своей оси она имела бы форму шара. Поскольку в действительности Земля вращается вокруг своей оси, то она деформировалась в сферо­ид, т. е. в малосплюснутый эллипсоид вращения. Однако истинная форма Земли несколько отлична от сфероида, что обусловлено неод­нородностью земной поверхности и неравномерным распределением плотности во внутренних частях Земли. Вследствие этого теоретиче­ская уровенная поверхность Земли, т. е. поверхность, в каждой точ­ке которой сила тяжести перпендикулярна к ней, имеет особую фор­му; эта сложная поверхность называется геоидом. При решении по­давляющего большинства метеорологических проблем оказывается возможным совершенно пренебречь малыми отклонениями геоида от эллипсоида вращения и, более того, отклонением Земли от сфе­рической формы. Данные о размерах земного сфероида (по Ф. Н. Красовскому) и Солнца приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Основные характеристики земного сфероида

Большая полуось (экваториальный радиус) R₃……………..6378,245 км

Малая полуось (полярный радиус) R_п……………………….6356,830 км

Сжатие (R₃ - R_п)/ R₃……………………………………………1/298,3

Длина

Меридиана……………………………………………………..40009,153 км

Экватора………………………………………………………..40075,693 км

Площадь поверхности…………………………………………510,098 • 10⁶ км²

Объем…………………………………………………………..1083,314 · 10⁸ км³

Радиус шара, имеющего такой же объем…………………….6371,210 км

Масса……………………………………………………………5,9737 • 10²⁴ кг

Средняя плотность……………………………………………..5,517 г/см³

Расстояние Земли от Солнца

наибольшее (около 4 июля)……………………………………152,00 · 10⁶ км

наименьшее (около 3 января)………………………………….147,01 • 10⁶км

среднее…………………………………………………………..149,53 • 10⁶ км

Радиус Солнца…………………………………………………..695 600 км

Масса атмосферы Земли………………………………………..5,15 ·10¹⁸ кг

Из 510,1 млн. км2 земной поверхности 70,8 % (т. е. 360,8 млн. км2) приходится на долю водной поверхности Мирового океана, причем эта доля составляет 60,7 % в северном полушарии и 80,9 % в юж­ном. В широтных 5-градусных зонах площадь, занятая водой, неук­лонно возрастает от 70° с. ш. до 60° ю. ш., а именно от 28,7 % в зоне 65—70° с. ш. до 99,9 % в зоне 55—60° ю. ш.

Вертикальная протяженность атмосферы составляет 60— 70 тыс. км. Резкой верхней границы атмосферы не существует. Ат­мосфера постепенно переходит в межпланетную среду. Общая масса атмосферы приближенно оценивается в 5,15 -1018 кг, что составля­ет примерно одну миллионную массы Земли.

Толщина всей атмосферы сравнима с размерами Земли, однако большая часть массы атмосферы сосредоточена в тонком (по сравне­нию с радиусом Земли) слое, прилегающем к земной поверхности. Примерно 50 % всей массы атмосферы заключено в слое от земной поверхности до высоты 5 км, 75 % — до высоты 10 км, 90 % — до 16 км, 95 % — до 20 км, около 99 % — до высоты 30—35 км.

Незначительная толщина основного (по массе) слоя атмосферы по сравнению с ее горизонтальной протяженностью приводит к тому, что вертикальные масштабы наблюдаемых в атмосфере явле­ний и процессов оказываются значительно меньше горизонтальных: воздушные массы, циклоны и антициклоны, фронтальные поверх­ности по горизонтали занимают области в сотни и тысячи километ­ров, а по вертикали распространяются лишь на несколько кило­метров.

Date: 2015-12-10; view: 759; Нарушение авторских прав