Земна атмосфера, її склад та структура. Міжнародна стандартна атмосфера [1], c. 26-28

Атмосферою земліназивається повітряна оболонка, що оточує нашу планету. Вона забезпечує можливість життя на землі, захищає її від ультрафіолетової і космічної радіації, різких коливань температури. Перша спроба вивчення атмосфери була зроблена в глибокій старовині Аристотелем (384-322 рр. до нашої ери), але і до цих пір складні атмосферні явища до кінця не вивчені.

Стан атмосфери на різній висоті в основному характеризується густиною, тиском і температурою. Нижньою межею атмосфери служить поверхня Землі. Верхня її межа точно не встановлена. Умовно за верхню межу атмосфери прийняті висоти 2000-3000 км, де густина повітря в 16 · 10¹⁷ раз менше, ніж у Землі.

Атмосфера Землі складається з суміші газів. Сухе очищене від пилу повітря поблизу земної поверхні за об'ємом складається з 78,09% азоту, 20,95% кисню, 0,93% аргону, 0,03% вуглекислого газу. Кількість інших газів (водню, гелію, криптону, радону, йоду, озону, метану), що входять до складу повітря, дуже невелика.

До висоти 100 км склад атмосфери не змінюється, оскільки розділенню газів перешкоджає безперервний турбулентний рух повітря. Цей шар називається гомосферою(однорідний). Непостійним є тільки вміст вуглекислого газу, водяної пари і пилу. Вміст вуглекислого газу в нижніх шарах атмосфери постійно збільшується за рахунок спалювання палива і життєдіяльності фауни. Пил поступає в атмосферу як з поверхні землі (заводи, безводні пустелі, степи, вулкани), так і з космосу. Космічний пил утворюється головним чином при згоранні метеоритів.

Вище 100 км розташована гетеросфера (неоднорідний шар). Тут під дією ультрафіолетової радіації Сонця молекули газів розщеплюються на атоми. Склад повітря по висоті значно змінюється. На висотах 500-1000 км переважає газ гелій.

Тиск і густина повітря з висотою швидко зменшуються. Основна маса повітря (90%) зосереджена в шарі до висоти 30 км.

Атмосфера Землі схильна до постійної дії ультрафіолетового, електромагнітного і корпускулярного випромінювання Сонця і дії магнітного поля Землі. Сонячна енергія є джерелом іонізаційних, хімічних, фотохімічних і метеорологічних перетворень в атмосфері. По характеру зміни температури з висотою і іншими фізичними властивостями атмосферу прийнято ділити на декілька шарів (сфер).

У 1962 р. Всесвітня метеорологічна організація (ВМО) встановила наступні назви шарів атмосфери:

1. Тропосфера- це шар повітря, безпосередньо прилеглий до Землі. Висота тропосфери коливається в межах від 7 до 8 км над полюсами і від 16 до 18 км над екватором. У середніх широтах висота тропосфери складає приблизно 11 км. Оскільки густина повітря швидко зменшується з висотою, то в тропосфері зосереджено близько 80% всієї маси атмосфери. Для неї характерні дуже інтенсивне вертикальне переміщення повітря, вітри, хмарність, випадання опадів. Серйозну небезпеку для польотів літака представляють такі атмосферні явища в тропосфері, як обмерзання, грози, поривчасті вітри, запорошені бурі. Ці явища можуть викликати небезпечні вібрації літака, створити перевантаження, порушити балансування, стійкість і керованість. Особливо небезпечні струменеві течії, що виникають на висоті 8-10 км, є ураганними вітрами зі швидкістю 30-100 км/г.

2. Стратосферарозташована вище за тропосферу і тягнеться до висоти приблизно 50-55 км. Температура повітря верхнього шару тропосфери і до висоти 25-30 км стратосфери майже постійна і рівна -56,5°С. Після 30 км температура повітря підвищується на 1-2° на кожний кілометр і на верхній границі стратосфери сягає +0,8°С. Підвищення температури пов'язане з тим, що під впливом ультрафіолетової радіації Сонця утворюється озон (О₃). У верхній тропосфері і нижній стратосфері зустрічаються струменеві течії шириною в сотні кілометрів, в межах яких вітер досягає 150 - 500 км/г. Опади в стратосфері майже відсутні.

3. Мезосферарозташована вище за стратосферу і тягнеться до висоти 80 км. Для неї характерне зниження температури повітря. На верхній межі мезосфери температура стає рівною -75°С. У мезосфері міститься близько 0,3% всієї маси атмосфери.

4. Термосферарозташована на висоті від 80 до 800 км. У цьому шарі під впливом ультрафіолетового і корпускулярного випромінювань Сонця відбувається іонізація молекул повітря, що приводить до підвищення його температури. На висоті 150км температура рівна 220-240°С, а на висоті 200 км - більш 500°С і далі збільшується, досягаючи 750°С. У нижній термосфере згорають метеоритні потоки.

5. Екзосферазнаходиться на висотах більше 800 км і є перехідною зоною до космічного простору. Температура зростає до +2000°С.

Внаслідок сильної іонізації повітря верхня область атмосфери (від 40 до 800 км) отримала назву іоносфери.

Основні шари атмосфери один від одного відділяються перехідними шарами - паузами(тропопауза, стратопауза, мезопауза і термопауза).

На рис. 2.4 показані шари атмосфери і зміна температури повітря атмосфери залежно від висоти над Землею.

Рис. 2.4. Зміна параметрів атмосфери Землі.

В даний час польоти літаків проходять в межах від початку стратосфери до висот 20-25 км, де температура постійна і складає -56,5°С. Тут немає хмарності, опадів і відсутня небезпека обмерзання. На політ літального апарату впливають параметри повітря, які непостійні за часом і залежать від географічного місця розташування. Таким чином, випробування літака у польоті, проведені в різний час і в різних географічних умовах, не будуть однаковими, та і порівнювати їх буде дуже важко. Тому стало необхідним наводити результати льотних випробувань до одних і тих же атмосферних умов (до стандартної атмосфери). Це умовна атмосфера, фізичний стан якої відповідає деякому середньому за часом і географічній широті стану дійсної атмосфери. За початкові умови міжнародної стандартної атмосфери (МСА) прийняті параметри повітря, відповідні умовам на рівні моря:

тиск р₀= 101300 Па = 760 мм рт.ст.;

температура Т₀= 288 °К; t₀ = 15 °С;

густина = 1,225 кг/м³ = 0,125 кгс∙с²/м⁴;

швидкість звуку а₀= 340,2 м/с = 1224 км/г.

Для висот, що не виходять за межі тропосфери (до 8 км над полюсами і до 18 км над екватором), параметри повітря можна обчислити по формулах В.П. Ветчинкина:

де H – висота в км.