Повітряна оболонка Землі виникла в результаті виділення газів при вулканічних виверженнях. З появою океанів і біосфери вона формується і за рахунок газообміну з водою, рослинами, тваринами і продуктами їх розкладання в ґрунтах і болотах. Скільки газів надходить з надр Землі, приблизно стільки ж їх розсіюється у відкритому космосі. Це відбувається після багатьох хімічних реакцій в атмосфері. У міру віддалення від Землі слабшає гравітація, і розсіювання посилюється. Товщина атмосфери дорівнює приблизно 2 тисячам км, хоча її верхня межа як така відсутня.
В атмосфері виділяються кілька шарів, що відрізняються один від одного температурою. Нижній її шар - тропосфера - нагрівається знизу від Землі, яка в свою чергу нагрівається сонячними променями. Безпосереднє нагрівання повітря за рахунок поглинання ним сонячних променів в десятки разів менше.
З висотою нагрів зменшується, і це знижує температуру повітря в середньому від +14 С на рівні моря до -55 С на верхній межі тропосфери. Цьому сприяє охолодження і розширення піднімається повітря »а перешкоджає виділення тепла при конденсації водяної пари. На верхній межі тропосфери радіаційний нагрів повітря сонцем зрівнюється з нагріванням від Землі.
Вище тропосфери існує шар з постійною низькою температурою - тропопауза. У тропіках, де сонячні промені падають прямовисно або майже прямовисно і де суша і море нагріваються сильніше, товщина цього шару 14 - 16 км. У полярних областях, де косі промені слабо нагрівають Землю, тропопауза тонше - всього 8 - 10 км. Нагрівання ж повітря проходять променями сонця не залежить від кута їх падіння на землю або навіть зростає з подовженням їх шляху в атмосфері.
Вище тропопаузи роль води і суші в нагріванні настільки мала, що повітря з висотою спочатку повільно, а потім все швидше нагрівається приблизно до -3 С на висоті близько 50 км. Цей шар називається стратосферой. Вона нагрівається за рахунок поглинання ультрафіолетової сонячної радіації озоном.
Вище озонового шару, в мезосфері, температура знову убуває з висотою. Новий нагрівання повітря відбувається ще вище, в термосфере, він теж пов'язаний з поглинанням ультрафіолетової радіації і супроводжується іонізацією атмосфери. Вище 1 тисячі км, в екзосфері, частки газів (водню) розсіюються в навколоземному космічному просторі і назавжди покидають околиці нашої планети.
Складні хімічні реакції в верхніх шарах атмосфери - вище 50 км - роблять її електропровідною і створюють шари, що відображають радіохвилі. Це дозволяє проводити далеку радіозв'язок навколо Землі. Оскільки при реакціях виділяються іони, верхню частину атмосфери (мезосферу і термосферу разом) називають також іоносферою. Опромінення сонячними електронами іонів у верхній атмосфері часто призводить до світіння. Найефектніша з них - полярне сяйво.
Слід зазначити, що розглянута структура атмосфери типова для всіх володіють атмосферою планет Сонячної системи. Виняток становить лише земна, у якій є стратосфера. Що міститься в ній озон створює умови для унікального температурного режиму.
Газовий склад нижньої частини атмосфери, особливо тропосфери, майже постійний. Змінюється лише кількість водяної пари і зважених частинок органічного і мінерального походження (аерозолів).
Важлива складова частина атмосфери - водяна пара. Його концентрація становить близько 0,16% від обсягу атмосфери, коливаючись у земної поверхні від 8% в тропіках до 0.00002% в Антарктиді. З висотою його кількість швидко зменшується. Загальний шар води в атмосфері складає в середньому близько 2 см (1,6 - 1,7 см в помірних широтах). В результаті конденсації водяної пари в краплі утворюються хмари. При малих розмірах краплі піднімаються вгору вертикальними потоками повітря, де можуть знову випаруватися або злитися разом. На крижинках або твердих частинках їх вага зростає швидше площі перетину, і краплі або кристали льоду випадають у вигляді опадів - дощу та снігу. Хмари, які зазвичай закривають близько половини всієї поверхні Землі, знаходяться в тропосфері. У верхній частині атмосфери хмари рідкі. Це так звані перламутрові, сріблясті хмари.
Понад 90 км в результаті фотохімічних реакцій змінюється хімічний склад атмосфери. Вона збагачується легкими газами. Вище 600 км переважає гелій, а вище 1600 км водень. Обсяг атмосфери величезний, в 3 тисячі разів більше, ніж обсяг гідросфери, включаючи океан. Однак маса атмосфери в 300 разів менше ніж гідросфери, і становить лише 5,3 млрд т проти 1,3 трильйона т в гідросфері. 80% маси атмосфери припадає на тропосферу, де повітря щільніше, але навіть у поверхні Землі щільність повітря в тисячу разів менше (1 кубічний метр важить близько 1 кг), ніж у води. З висотою щільність повітря зменшується в багато разів. Теплоємність повітря мало відрізняється від води. Однак для нагрівання всієї атмосфери потрібно 5,3 - 1021 Дж / кг, а для нагріву тільки активного шару океану (260-метровий шар перемішування) - 36 тисяча двадцять два Дж / кг, тобто в 700 разів більше. Тому океан пом'якшує клімат на Землі. Теплоємність активного шару суші (глибиною приблизно 16 м) близька до атмосферної.
7. Формування основних типів повітряних мас. Атмосферні фронти, кліматичні пояси.
Повітряні маси - великі обсяги повітря в нижній частині земної атмосфери - тропосфері, мають горизонтальні розміри в багато сотень або кілька тисяч кілометрів і вертикальні розміри в кілька кілометрів, що характеризуються приблизною однорідністю температури і вологовмісту по горизонталі.
Однорідність властивостей повітряної маси досягається формуванням її над однорідної підстильної поверхнею в подібних умовах теплового і радіаційного балансу.
Крім того, необхідні такі циркуляційні умови, при яких повітряна маса тривалий час циркулювала б в регіоні формування. Значення метеорологічних елементів в межах повітряної маси змінюються незначно - горизонтальні градієнти малі. Різке зростання градієнтів метеорологічних величин, або, по крайней мере, зміна розміру й напрями градієнтів відбувається в перехідній зоні між двома повітряними масами - зоні атмосферного фронту.
Об'єкти, що виникають в тропосфері в результаті взаємодії повітряних мас - перехідні зони (фронтальні поверхні), фронтальні хмарні системи хмарності та опадів, циклонічні обурення, мають той же порядок величини, що й самі повітряні маси - можна порівняти за площею з великими частинами материків або океанів, час їх існування - більше 2-х діб.
Вогнищами формування повітряних мас зазвичай бувають регіони, де повітря опускається, а потім поширюється в горизонтальному напрямку - цій вимозі відповідають антіціклоніческіх системи. Антициклони частіше, ніж циклони, бувають малорухомими, тому формування повітряних мас зазвичай і відбувається в великих малорухомих (квазістаціонарних) антициклонах. Крім того, вимогам вогнища відповідають малорухливі і розмиті термічні депресії, що виникають над нагрітими ділянками суши. Нарешті, формування полярного повітря відбувається частково в верхніх шарах атмосфери в малорухомих, великих і глибоких центральних циклони в високих широтах. У цих барических системах відбувається трансформація (перетворення) тропічного повітря, втягнутого в високі широти в верхніх шарах тропосфери, в помірний повітря.
Повітряні маси класифікують, перш за все, по осередках їх формування в залежності від розташування в одному з широтних поясів. Згідно географічної класифікації, повітряні маси можна поділити на основні географічні типи по тим широтним зонах, в яких розташовуються їх осередки. Арктичний або антарктичний повітря (АВ), Помірний повітря (УВ), Тропічне повітря (ТВ), Екваторіальний повітря (ЕВ).
Дані повітряні маси, крім того, можна поділяти на океанічні (м) і континентальні (к).
Як показує практика, оскільки помірна повітряна маса має значну меридіональну протяжність (в СНД приблизно від 45-48 ° до 60-65 ° північної широти), її термічні (і інші) властивості значно розрізняються в північній і в південній частинах цієї великої географічної зони, тому правильніше поділити помірну ВМ на дві самостійні - північну помірну (СУВ) і південну помірну (ЮУВ)
Атмосферний фронт ( «frontis» - передня сторона) - це поверхня розділу між двома повітряними масами, як би двома Погода. Ширина атмосферних фронтів незначна - кілька десятків кілометрів, товщина по вертикалі - кілька сотень метрів.
Якщо холодне повітря переміщається в сторону більш високих температур, це означає, що настає холодний фронт. При його настанні важкі холодні повітряні маси витісняють вгору легші теплі повітряні маси, які, піднімаючись, охолоджуються, а волога, що міститься в них, вивільняється, і утворюються хмари (див. «Хмари»). Безпосереднє наближення холодного фронту можна помітити по скупченню потужних купчасто-дощових хмар на обрії. Незабаром вітер починає дути поривами, різко змінює напрямок. Раптово обрушується стіна проливного дощу, нерідко з градом. Потемніло небо перекреслюють блискавки, лунають оглушливі гуркіт грому. Негода зазвичай триває недовго, рідко більше двох годин. Після проходження холодного фронту стає холодніше, так як простір атмосфери займає більш холодна повітряна маса.
При настанні теплого фронту тепле повітря переміщається в сторону більш низьких температур і, капи на холодну повітряну масу, ковзає по ній, піднімаючись догори. Високо в атмосфері відбувається утворення перистих хмар, вони є провісниками теплого фронту. Незабаром ці хмари починають танути, і над земною поверхнею утворюється суцільна пелена тонких купчасто-дощових хмар хмар. Хмарний шар швидко плотнеет і спускається нижче. Посилюється вітер, починає накрапати дощ або кружляють сніжинки. Поступово опади посилюються і йдуть потім протягом декількох годин. Наступ теплого фронту супроводжується підвищенням температури. Однак тепла погода зазвичай тримається недовго, тому що незабаром холодний фронт наздоганяє теплий, оскільки рухається зазвичай швидше.
Теплі і холодні атмосферні фронти зустрічаються найчастіше у фронтальних зонах, кліматичні пояси (див. «Кліматичні пояси»). У північній півкулі таких фронтальних зон три: арктична, помірна і тропічна. Перша відокремлює арктичне повітря від повітря помірних широт, друга - повітря помірних широт від тропічного. Тропічна зона утворюється там, де зустрічається повітря тропічний і екваторіальний.
Фронтальні зони рідко бувають прямими. Найчастіше вони звивисті. Вигини осі фронтальної зони на північ зазвичай викликають потепління, вигини на південь - похолодання.
Кліматичні пояси і типи клімату істотно змінюються за широтою, починаючи від екваторіальної зони і закінчуючи полярною, але кліматичні пояси є не єдиним фактором, також важливий вплив робить близькість моря, система циркуляції атмосфери і висота над рівнем моря.
У Росії і на території колишнього СРСР використовувалася класифікація типів клімату, створена в 1956 році відомим радянським кліматологом Б. П. Алісова. Ця класифікація враховує особливості циркуляції атмосфери. Відповідно до цієї класифікації виділяється по чотири основних кліматичних поясів на кожне півкуля Землі: екваторіальний, тропічний, помірний і полярний (в північній півкулі - арктичний, в південній півкулі - антарктичний). Між основними зонами знаходяться перехідні пояса - субекваторіальний пояс, субтропічний, субполярних (субарктичний і субантарктичний). У цих кліматичних поясах відповідно до переважної циркуляцією повітряних мас можна виділити чотири типи клімату: материковий, океанічний, клімат західних і клімат східних берегів.
Екваторіальний пояс Екваторіальний клімат
Тропічний мусонний клімат Мусонний клімат на тропічних плато
Тропічний сухий клімат тропічний вологий клімат
Субтропічний пояс Середземноморський клімат
Субтропічний континентальний клімат
Субтропічний мусонний клімат
Клімат високих субтропічних нагорій
Субтропічний клімат океанів