Атмосфери землі в порядку. Шари атмосфери, будова атмосферних верств

Атмосферне повітря складається з азоту (77,99%), кисню (21%), інертних газів (1%) та Вуглекислий газ(0,01%). Частка вуглекислого газу з часом зростає через те, що в атмосферу виділяються продукти горіння палива, а крім того, зменшується площа лісів, які поглинають вуглекислий газ та виділяють кисень.

В атмосфері знаходиться незначна кількість озону, який сконцентрований на висоті близько 25-30 км і утворює так званий озоновий шар. Цей шар створює бар'єр для сонячного ультрафіолетового випромінювання, небезпечного живих організмів Землі.

Крім цього в атмосфері знаходиться водяна пара і різні домішки - частинки пилу, вулканічний попіл, сажа та інше. Концентрація домішок вища біля поверхні землі й у певних районах: над великими містами, пустелями.

Тропосфера- нижній, в ньому знаходиться більша частина повітря і . Висота цього шару неоднакова: від 8-10 км у тропіків до 16-18 у екватора. у тропосфері знижується з підйомом: на 6°С за кожен кілометр. У тропосфері формується погода, утворюються вітри, опади, хмари, циклони та антициклони.

Наступний шар атмосфери стратосфера. Повітря в ній значно більш розріджене, в ній значно менше водяної пари. Температура в нижній частині стратосфери -60 -80 ° С і падає зі збільшенням висоти. Саме у стратосфері знаходиться озоновий шар. Для стратосфери характерні великі швидкості вітру (до 80-100 м/с).

Мезосфера- Середній шар атмосфери, що лежить над стратосферою на висотах від 50 до S0-S5 км. Мезосфера характеризується зниженням середньої температуриз висотою від 0 ° С на нижній межі до -90 ° С біля верхньої межі. Поблизу верхньої межі мезосфери спостерігаються сріблясті хмари, що освітлюються сонцем у нічний час. Тиск повітря на верхній межі мезосфери в 200 разів менший, ніж у земної поверхні.

Термосфера- Розташована вище мезосфери, на висотах від SO до 400-500 км, в ній температура спочатку повільно, а потім швидко знову починає зростати. Причиною є поглинання ультрафіолетового випромінювання на висотах 150-300 км. У термосфері температура безперервно зростає до висоти близько 400 км, де вона досягає 700 - 1500 ° С (залежно від сонячної активності). Під дією ультрафіолетової та рентгенівської та космічного випромінювання відбувається також іонізація повітря («полярні сяйва»). Основні області іоносфери лежать усередині термосфери.

Екзосфера- Зовнішній, найбільш розріджений шар атмосфери, вона починається на висотах 450-000 км, а її верхня межа знаходиться на відстані декількох тисяч км від земної поверхні, де концентрація частинок стає такою ж, як у міжпланетному просторі. Екзосфера складається із іонізованого газу (плазми); нижня та середня частини екзосфери в основному складаються з кисню та азоту; зі збільшенням висоти швидко зростає відносна концентрація легких газів, особливо іонізованого водню. Температура в екзосфері 1300-3000 ° С; вона слабо росте із висотою. В екзосфері переважно розташовані радіаційні пояси Землі.

Навколишній світ утворений із трьох дуже різних частин: землі, води та повітря. Кожна з них унікальна і цікава. Зараз йтиметься лише про останню з них. Що таке атмосфера? Як вона виникла? З чого складається і які частини ділиться? Усі ці питання надзвичайно цікаві.

Сама назва «атмосфера» утворена з двох слів грецького походження, у перекладі російською вони означають «пар» і «куля». А якщо подивитися точне визначення, можна прочитати таке: «Атмосфера - це повітряна оболонка планети Земля, яка мчить разом із нею у космічному просторі». Вона розвивалася паралельно геологічним та геохімічним процесам, що відбувалися на планеті. І сьогодні від неї залежать усі процеси, що протікають у живих організмах. Без атмосфери планета стала б неживою пустелею, подібною до Місяця.

Із чого вона складається?

Питанням про те, що таке атмосфера та які елементи до неї входять, зацікавив людей уже давно. Основні складові цієї оболонки були відомі вже 1774 року. Їх встановив Антуан Лавуазьє. Він виявив, що склад атмосфери здебільшогоутворений з азоту та кисню. З часом її складові уточнювалися. І тепер відомо, що в ній знаходяться ще багато інших газів, а також вода та пил.

Розглянемо докладніше те, із чого складається атмосфера Землі біля її поверхні. Найпоширеніший газ – азот. Його утримується трохи більше 78 відсотків. Але, незважаючи на таку велику кількість, у повітрі азот практично не активний.

Наступний за кількістю та дуже важливий за значенням елемент – кисень. Цього газу міститься майже 21%, і він виявляє дуже високу активність. Його специфічна функція полягає в окисленні мертвої органічної речовини, яка в результаті цієї реакції розкладається.

Гази з низьким вмістом, але важливим значенням

Третій газ, що входить до складу атмосфери, – аргон. Його трохи менше, ніж один відсоток. Після нього йдуть вуглекислий газ із неоном, гелій із метаном, криптон із воднем, ксенон, озон і навіть аміак. Але їх утримується настільки мало, що процентний змісттаких компонентів дорівнює сотим, тисячним та мільйонним частинам. З них лише вуглекислий газ відіграє істотну роль, оскільки він є будівельним матеріалом, який необхідний рослин для фотосинтезу. Інша його важлива функціяполягає в тому, щоб не пропускати радіацію та поглинати частину сонячного тепла.

Ще один нечисленний, але важливий газ – озон існує для утримання ультрафіолетового випромінювання, що йде від Сонця. Завдяки цій властивості все живе на планеті надійно захищене. З іншого боку, озон впливає температуру стратосфери. Через те, що він поглинає це випромінювання, відбувається нагрівання повітря.

Постійність кількісного складу атмосфери підтримується безупинним перемішуванням. Її шари переміщуються як горизонталлю, і по вертикалі. Тому в будь-якому місці земної кулідостатньо кисню і немає надлишку вуглекислого газу.

Що ще є у повітрі?

Слід зазначити, що у повітряному просторі можна виявити пару та пил. Остання складається з пилку та частинок ґрунту, у місті до них приєднуються домішки твердих викидів із вихлопних газів.

А ось води у атмосфері багато. За певних умов вона конденсується, і з'являються хмари та туман. По суті це те саме, тільки перші з'являються високо над поверхнею Землі, а останній стелиться по ній. Хмари набувають різноманітної форми. Цей процес залежить від висоти над Землею.

Якщо вони утворилися за 2 км над сушею, то їх називають шаруватими. Саме з них проливається на землю дощ чи падає сніг. Над ними до висоти 8 км формуються купчасті хмари. Вони завжди найкрасивіші та мальовничі. Саме їх розглядають та ворожать, на що вони схожі. Якщо такі утворення з'являться на наступних 10 км, вони будуть дуже легкими та повітряними. Їхня назва перисті.

На які верстви ділиться атмосфера?

Хоча вони й мають температури, що сильно відрізняються один від одного, дуже складно сказати, на якій конкретній висоті починається один шар і закінчується інший. Цей поділ дуже умовний і має приблизний характер. Однак шари атмосфери все ж таки існують і виконують свої функції.

Найнижча частина повітряної оболонки названа тропосферою. Її товщина збільшується при переміщенні від полюсів до екватора з 8 до 18 км. Це тепла частина атмосфери, оскільки повітря в ній нагрівається від земної поверхні. Більшість водяної пари зосереджена в тропосфері, тому у ній утворюються хмари, випадають опади, гримлять грози і дмуть вітру.

Наступний шар має товщину близько 40 км і називається стратосферою. Якщо спостерігач переміститься до цієї частини повітря, то виявить, що небо стало фіолетовим. Це малої щільністю речовини, яке мало розсіює сонячні промені. Саме в цьому прошарку літають реактивні літаки. Для них там відкрито всі простори, оскільки практично немає хмар. Усередині стратосфери є шар, що складається з великої кількостіозону.

Після неї йдуть стратопауза та мезосфера. Остання має товщину близько 30 км. Вона характеризується різким зниженням щільності повітря та її температури. Небо для спостерігача бачиться у чорному кольорі. Тут можна навіть удень спостерігати зірки.

Шари, в яких практично немає повітря

Продовжує будову атмосфери шар під назвою термосфера - найдовша з усіх інших, її товщина сягає 400 км. Цей шар відрізняється величезною температурою, яка може сягати 1700 °C.

Останні дві сфери часто поєднують в одну і називають його іоносферою. Це з тим, що у них протікають реакції із виділенням іонів. Саме ці верстви дозволяють спостерігати таке явище природи, як північне сяйво.

Наступні 50 км від Землі відведено екзосфері. Це зовнішня оболонка атмосфери. У ній відбувається розсіювання частинок повітря на космос. У цьому прошарку зазвичай переміщаються супутники погоди.

Атмосфера Землі закінчується магнітосферою. Саме вона дала притулок більшості штучних супутників планети.

Після всього сказаного не повинно залишитися питань про те, що таке атмосфера. Якщо виникли сумніви щодо її необхідності, то їх легко розвіяти.

Значення атмосфери

Головна функція атмосфери полягає в захисті поверхні планети від перегріву в денний часта надмірного остигання вночі. Наступне важливе значення цієї оболонки, яке ніхто не заперечуватиме, у тому, щоб забезпечувати киснем усіх живих істот. Без цього вони задихнулися б.

Більшість метеоритів згоряють у верхніх шарах, не долетівши до Землі. І люди можуть милуватися вогнями, що летять, приймаючи їх за падаючі зірки. Без атмосфери вся Земля була б усіяна кратерами. А про захист від сонячного випромінювання вже йшлося вище.

Як впливає людина на атмосферу?

Дуже негативно. Це пов'язано з діяльністю людей, що розростається. Основна частка всіх негативних моментів посідає промисловість і транспорт. До речі, саме автомобілі виділяють майже 60% усіх забруднюючих речовин, що проникають у шари атмосфери. Сорок, що залишилися, ділять між собою енергетика і промисловість, а також галузі зі знищення відходів.

перелік шкідливих речовин, які щодня поповнюють склад повітря дуже довгий. Через транспорт в атмосфері виявляються: азот і сірка, вуглець, синець і сажа, а також сильний канцероген, що викликає рак шкіри - бензопірен.

Перед промисловості припадають такі хімічні елементи: сірчистий газ, вуглеводень і сірководень, аміак і фенол, хлор і фтор. Якщо процес триватиме, то невдовзі відповіді питання: «Що таке атмосфера? З чого вона складається? будуть зовсім іншими.

склад атмосфери.Повітряна оболонка нашої планети атмосферазахищає земну поверхню від згубного на живі організми ультрафіолетового випромінювання Сонця. Захищає вона Землю і від космічних частинок - пилу та метеоритів.

Складається атмосфера з механічної суміші газів: 78% її обсягу становить азот, 21% - кисень і менше 1% - гелій, аргон, криптон та інші інертні гази. Кількість кисню та азоту у повітрі практично незмінна, тому що азот майже не вступає в сполуки з іншими речовинами, а кисень, який хоч і дуже активний і витрачається на дихання, окислення та горіння, весь час поповнюється рослинами.

До висоти приблизно 100 км відсоткове співвідношення цих газів залишається майже незмінним. Це пов'язано з тим, що повітря постійно перемішується.

Крім названих газів в атмосфері міститься близько 0,03% вуглекислого газу, який зазвичай концентрується поблизу земної поверхні та розміщується нерівномірно: у містах, промислових центрах та районах вулканічної активностійого кількість зростає.

В атмосфері завжди знаходиться кілька домішок - водяної пари і пилу. Вміст водяної пари залежить від температури повітря: що вище температура, то більше вміщує повітря. Завдяки наявності у повітрі пароподібної води можливі такі атмосферні явища, як веселка, рефракція сонячних променів тощо.

Пил в атмосферу надходить під час вулканічних вивержень, піщаних та запорошених бур, при неповному згорянні палива на ТЕЦ тощо.

Будова атмосфери.Щільність атмосфери змінюється з висотою: біля Землі вона найвища, з підняттям вгору зменшується. Так, на висоті 5,5 км щільність атмосфери у 2 рази, а на висоті 11 км – у 4 рази менше, ніж у приземному шарі.

Залежно від щільності, складу та властивостей газів атмосферу поділяють на п'ять концентричних шарів (рис. 34).

Мал. 34.Вертикальний розріз атмосфери (стратифікація атмосфери)

1. Нижній шар називають тропосферою.Її верхня межа проходить на висоті 8-10 км на полюсах та 16-18 км - на екваторі. У тропосфері міститься до 80% всієї маси атмосфери і майже вся водяна пара.

Температура повітря в тропосфері з висотою знижується на 0,6 °C через кожні 100 м і біля її верхньої межі становить -45-55 °C.

Повітря у тропосфері постійно перемішується, переміщається у різних напрямках. Тільки тут спостерігаються тумани, дощі, снігопади, грози, бурі та інші погодні явища.

2. Вище розташована стратосфера,яка простягається до висоти 50-55 км. Щільність повітря та тиск у стратосфері незначні. Розріджене повітря складається з тих самих газів, що і в тропосфері, але в ньому більше озону. p align="justify"> Найбільша концентрація озону спостерігається на висоті 15-30 км. Температура в стратосфері збільшується з висотою і на верхній межі її досягає 0 °C і вище. Це тим, що озон поглинає короткохвильову частину сонячної енергії, у результаті повітря нагрівається.

3. Над стратосферою лежить мезосфера,що простягається до висоти 80 км. У ній температура знову знижується та досягає -90 °C. Щільність повітря там у 200 разів менша, ніж у поверхні Землі.

4. Вище мезосфери розташовується термосфера(Від 80 до 800 км). Температура у цьому шарі підвищується: на висоті 150 км. до 220 °C; на висоті 600 км. до 1500 °C. Гази атмосфери (азот і кисень) перебувають у іонізованому стані. Під дією короткохвильової сонячної радіаціїокремі електрони відриваються від оболонок атомів. В результаті в даному шарі - іоносферіз'являються шари заряджених частинок. Найбільш щільний їхній шар знаходиться на висоті 300-400 км. У зв'язку з невеликою щільністю сонячні промені там не розсіюються, тому небо чорне, на ньому яскраво світять зірки та планети.

В іоносфері виникають полярні сяйва,утворюються потужні електричні струми, що викликають порушення магнітного поля Землі.

5. Понад 800 км розташована зовнішня оболонка - екзосфера.Швидкість руху окремих частинок в екзосфері наближається до критичної – 11,2 мм/с, тому окремі частинки можуть подолати земне тяжіння та піти у світовий простір.

Значення атмосфери.Роль атмосфери у житті нашої планети винятково велика. Без неї Земля була б мертва. Атмосфера оберігає поверхню Землі від сильного нагрівання та охолодження. Її вплив можна уподібнити ролі скла у парниках: пропускати сонячні промені та перешкоджати віддачі тепла.

Атмосфера захищає живі організми від короткохвильової та корпускулярної радіації Сонця. Атмосфера – середовище, де відбуваються погодні явища, з якими пов'язана вся людська діяльність. Вивчення цієї оболонки провадиться на метеорологічних станціях. Вдень і вночі, за будь-якої погоди метеорологи ведуть спостереження за станом нижнього шару атмосфери. Чотири рази на добу, а на багатьох станціях щогодини вимірюють температуру, тиск, вологість повітря, відзначають хмарність, напрямок та швидкість вітру, кількість опадів, електричні та звукові явища в атмосфері. Метеорологічні станції розташовані всюди: в Антарктиді та у вологих тропічних лісах, на високих горах та на неозорих просторах тундри. Ведуться спостереження і на океанах зі спеціально збудованих кораблів.

З 30-х років. XX ст. почалися спостереження у вільній атмосфері. Стали запускати радіозонди, які піднімаються на висоту 25-35 км, і за допомогою радіоапаратури передають на Землю відомості про температуру, тиск, вологість повітря та швидкість вітру. У наш час широко використовують також метеорологічні ракети та супутники. Останні мають телевізійні установки, що передають зображення земної поверхні та хмар.

| |
5. Повітряна оболонка землі§ 31. Нагрівання атмосфери

Стратосфера - це один із верхніх шарів повітряної оболонки нашої планети. Вона починається на висоті приблизно 11 км. над землею. Тут уже не літають літаки пасажирської авіації і дуже рідко утворюються хмари. У стратосфері знаходиться озоновий - тонка оболонка, що захищає планету від проникнення згубного ультрафіолету.

Повітряна оболонка планети

Атмосфера являє собою газову оболонку Землі, що прилягає внутрішньою поверхнею до гідросфери та земної кори. Зовнішня межа її поступово перетворюється на космічний простір. Склад атмосфери включає гази: азот, кисень, аргон, вуглекислий газ і так далі, а також домішки у вигляді пилу, крапель води, кристалів льоду, продуктів горіння. Співвідношення основних елементів повітряної оболонки зберігається незмінним. Виняток становлять вуглекислий газ і вода — їхня кількість в атмосфері нерідко змінюється.

Шари газової оболонки

Атмосферу поділяють на кілька шарів, що розташовуються один над одним і мають особливості у складі:

прикордонний шар - безпосередньо прилягає до поверхні планети, простягається до висоти 1-2 км;

тропосфера - другий шар, зовнішня межа в середньому розташовується на висоті 11 км, тут сконцентрована практично вся водяна пара атмосфери, утворюються хмари, виникають циклони та антициклони, у міру збільшення висоти подає температура;

тропопауза - перехідний шар, що характеризується припиненням зниження температури;

стратосфера - це шар, що тягнеться до висоти 50 км і ділиться на три зони: з 11 до 25 км температура змінюється незначно, з 25 до 40 - температура підвищується, з 40 до 50 - температура залишається постійною (стратопауза);

мезосфера тягнеться на висоту до 80-90 км;

термосфера досягає позначки 700-800 км над рівнем моря, тут на висоті 100 км розташовується лінія Кармана, яку приймають за кордон між атмосферою Землі та космосом;

екзосфера також називається зоною розсіювання, тут сильно втрачає частинки речовини, і вони відлітають у космос.

Зміни температури у стратосфері

Отже, стратосфера - це частина газової оболонкипланети, що йде за тропосферою. Тут температура повітря, постійна протягом тропопаузи, починає змінюватись. Висота стратосфери становить приблизно 40 км. Нижній кордон – 11 км над рівнем моря. Починаючи з цієї позначки, температура зазнає невеликих змін. На висоті 25 км показник нагрівання починає повільно зростати. До позначки 40 км над рівнем моря температура підвищується від -56,5 до +0,8ºС. Далі вона залишається близькою до нуля градусів до висоти 50-55 км. Зона між 40 та 55 кілометрами називається стратопаузою, оскільки температура тут не змінюється. Вона є перехідною зоною від стратосфери до мезосфери.

Особливості стратосфери

Стратосфера Землі містить близько 20% маси всієї атмосфери. Повітря тут настільки розріджене, що перебування людини без спеціального скафандра неможливе. Цей факт — одна з причин, через яку польоти в стратосферу почали здійснювати лише порівняно недавно.

Інша особливість газової оболонки планети на висоті 11-50 км полягає у дуже невеликій кількості водяної пари. У стратосфері з цієї причини практично ніколи не утворюються хмари. Для них просто немає будівельного матеріалу. Однак рідко все ж таки можна спостерігати так звані перламутрові хмари, якими «прикрашається» стратосфера (фото представлено нижче) на висоті 20-30 км над рівнем моря. Тонкі, що ніби світяться зсередини освіти можна спостерігати після заходу сонця або перед сходом сонця. Формою перламутрові хмари схожі на перисті чи перисто-купчасті.

Озоновий шар Землі

Головна відмінна риса стратосфери – це максимальна у всій атмосфері концентрація озону. Він формується під дією сонячних променів і захищає все живе на планеті від їхнього згубного випромінювання. Озоновий шар Землі розташовується на висоті 20-25 км. над рівнем моря. Молекули О 3 розподілені у всій стратосфері і навіть є на поверхні планети, проте цьому рівні спостерігається їх найбільша концентрація.

Слід зазначити, що озоновий шар Землі становить лише 3-4 мм. Такою буде його товщина, якщо розмістити частинки цього газу в умовах нормального тиску, наприклад, на поверхні планети. Озон утворюється внаслідок розпаду молекули кисню під впливом ультрафіолету на два атома. Один із них з'єднується з «повноцінною» молекулою і утворюється озон — О3.

Небезпечний захисник

Таким чином, сьогодні стратосфера — це більш звіданий прошарок атмосфери, ніж на початку минулого століття. Однак, як і раніше, не дуже зрозумілим залишається майбутнє озонового шару, без якого не виникло б життя на Землі. Поки країни скорочують виробництво фреону, одні вчені кажуть, що це не принесе особливої ​​користі принаймні такими темпами, а інші, що це зовсім не потрібно, оскільки основна частина шкідливих речовин утворюється. природним шляхом. Хто має рацію — розсудить час.

АТМОСФЕРА
газова оболонка, що оточує небесне тіло. Її характеристики залежать від розміру, маси, температури, швидкості обертання та хімічного складуданого небесного тіла, а також визначаються історією його формування, починаючи з моменту зародження. Атмосфера Землі утворена сумішшю газів, яка називається повітрям. Її основні складові - азот та кисень у співвідношенні приблизно 4:1. На людину впливає переважно стан нижніх 15-25 км атмосфери, оскільки у цьому нижньому шарі зосереджена переважна більшість повітря. Наука, що вивчає атмосферу, називається метеорологією, хоча предметом цієї науки є також погода та її вплив на людину. Стан верхніх шарів атмосфери, розташованих на висотах від 60 до 300 і навіть 1000 км від Землі, також змінюється. Тут розвиваються сильні вітри, шторми і виявляються такі дивовижні електричні явищаяк полярні сяйва. Чимало з перелічених феноменів пов'язані з потоками сонячної радіації, космічного випромінювання, і навіть магнітним полем Землі. Високі шари атмосфери - це також хімічна лабораторіяОскільки там в умовах, близьких до вакууму, деякі атмосферні гази під впливом потужного потоку сонячної енергії вступають у хімічні реакції. Наука, що вивчає ці взаємопов'язані явища та процеси, називається фізикою високих верств атмосфери.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРИ ЗЕМЛІ
Розміри.Поки ракети-зонди та штучні супутники не досліджували зовнішні шари атмосфери на відстанях, що в кілька разів перевершують радіус Землі, вважалося, що в міру віддалення від земної поверхні атмосфера поступово стає більш розрідженою і плавно переходить у міжпланетний простір. Наразі встановлено, що потоки енергії з глибоких верств Сонця проникають у космічний простір далеко за орбіту Землі, аж до зовнішніх меж. Сонячна система. Цей т.зв. сонячний вітеробтікає магнітне поле Землі, формуючи подовжену "порожнину", всередині якої і зосереджена земна атмосфера. Магнітне поле Землі помітно звужено зі зверненої до Сонця денної сторони і утворює довгий язик, ймовірно, що виходить за межі орбіти Місяця, - з протилежного, нічного боку. Кордон магнітного поля Землі називається магнітопаузою. З денного боку цей кордон проходить на відстані близько семи земних радіусів від поверхні, але в періоди підвищеної сонячної активності виявляється ще ближче до Землі. Магнітопауза є одночасно межею земної атмосфери, зовнішня оболонка якої називається також магнітосферою, тому що в ній зосереджені заряджені частинки (іони), рух яких зумовлений магнітним полем Землі. Загальна вага газів атмосфери становить приблизно 4,5*1015 т. Таким чином, "вага" атмосфери, що припадає на одиницю площі, або атмосферний тиск становить приблизно 11 т/м2.
Значення життя.Зі сказаного вище випливає, що Землю від міжпланетного простору відокремлює потужний захисний шар. Космічний простір пронизаний потужним ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням Сонця і ще більш жорстким космічним випромінюванням, і ці види радіації є згубними для всього живого. На зовнішній межі атмосфери інтенсивність випромінювання смертоносна, але значна його частина затримується атмосферою далеко від Землі. Поглинанням цього випромінювання пояснюються багато властивостей високих шарів атмосфери і особливо електричні явища, що там відбуваються. Найнижчий, приземний шар атмосфери особливо важливий для людини, яка мешкає у місці контакту твердої, рідкої та газоподібної оболонок Землі. Верхня оболонка "твердої" Землі називається літосферою. Близько 72% поверхні Землі покрито водами океанів, що становлять більшу частину гідросфери. Атмосфера межує як із літосферою, так і з гідросферою. Людина живе на дні повітряного океану і поблизу або вище за рівень океану водного. Взаємодія цих океанів одна із важливих чинників, визначальних стан атмосфери.
склад.Нижні шари атмосфери складаються із суміші газів (див. табл.). Крім наведених у таблиці, у вигляді невеликих домішок у повітрі присутні й інші гази: озон, метан, такі речовини, як оксид вуглецю (СО), оксиди азоту та сірки, аміак.

СКЛАД АТМОСФЕРИ

У високих прошарках атмосфери склад повітря змінюється під впливом жорсткого випромінювання Сонця, що призводить до розпаду молекул кисню на атоми. Атомарний кисень є основним компонентом найвищих шарів атмосфери. Нарешті, у найбільш віддалених від Землі шарах атмосфери головними компонентами стають найлегші гази - водень і гелій. Оскільки основна маса речовини зосереджена в нижніх 30 км, зміни складу повітря на висотах більше 100 км не надають помітного впливу на загальний склад атмосфери.
Енергообмін.Сонце є основним джерелом енергії, що надходить на Землю. Перебуваючи на відстані прибл. 150 млн. км від Сонця, Земля отримує приблизно одну двомільярдну частину енергії, що випромінюється ним, головним чином у видимій частині спектру, яку людина називає "світлом". Більшість цієї енергії поглинається атмосферою та літосферою. Земля також випромінює енергію, переважно у вигляді довгохвильової інфрачервоної радіації. Таким чином встановлюється рівновага між енергією, що отримується від Сонця, нагріванням Землі та атмосфери і зворотним потоком теплової енергії, що випромінюється в простір. Механізм цієї рівноваги вкрай складний. Пил і молекули газів розсіюють світло, частково відбиваючи їх у світовий простір. Ще більшу частину радіації, що приходить, відображають хмари. Частина енергії поглинається безпосередньо молекулами газів, але в основному - гірськими породами, рослинністю та поверхневими водами. Водяна пара та вуглекислий газ, присутні в атмосфері, пропускають видиме випромінювання, але поглинають інфрачервоне. Теплова енергія накопичується головним чином нижніх шарах атмосфери. Подібний ефект виникає у теплиці, коли скло пропускає світло всередину та ґрунт нагрівається. Оскільки скло відносно непрозоре для інфрачервоної радіації, у парнику акумулюється тепло. Нагрів нижніх шарів атмосфери за рахунок присутності водяної пари та вуглекислого газу часто називають парниковим ефектом. Істотну роль збереженні тепла в нижніх шарах атмосфери грає хмарність. Якщо хмари розсіюються чи зростає прозорість повітряних мас, Температура неминуче знижується в міру того, як поверхня Землі безперешкодно випромінює теплову енергію в навколишній простір. Вода, що знаходиться на поверхні Землі, поглинає сонячну енергію і випаровується, перетворюючись на газ - водяну пару, яка виносить величезну кількість енергії в нижні шари атмосфери. При конденсації водяної пари та утворенні при цьому хмар або туману ця енергія звільняється у вигляді тепла. Близько половини сонячної енергії, що досягає земної поверхні, витрачається на випаровування води та надходить у нижні шари атмосфери. Таким чином, внаслідок парникового ефекту та випаровування води атмосфера прогрівається знизу. Цим частково пояснюється висока активність її циркуляції в порівнянні з циркуляцією Світового океану, який прогрівається тільки зверху і тому значно стабільніший за атмосферу.
також МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ. Крім загального нагрівання атмосфери сонячним світлом, значне прогрівання деяких її шарів відбувається за рахунок ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Будова. Порівняно з рідинами та твердими тілами, газоподібних речовинсила тяжіння між молекулами мінімальна. У міру збільшення відстані між молекулами гази можуть розширюватися безмежно, якщо їм ніщо не перешкоджає. Нижнім кордоном атмосфери є Землі. Строго кажучи, цей бар'єр непроникний, оскільки газообмін відбувається між повітрям і водою і навіть між повітрям та гірськими породами, але в даному випадкуцими факторами можна знехтувати. Оскільки атмосфера є сферичною оболонкою, вона не має бічних кордонів, а є лише нижня межа і верхня (зовнішня) межа, відкрита з боку міжпланетного простору. Через зовнішній кордон відбувається витік деяких нейтральних газів, і навіть надходження речовини з навколишнього космічного простору. Більшість заряджених частинок, крім космічних променів, Що мають високу енергію, або захоплюється магнітосферою, або відштовхується нею. На атмосферу діє сила земного тяжіння, яка утримує повітряну оболонкубіля Землі. Атмосферні гази стискаються під впливом своєї ваги. Це стиснення максимально біля нижньої межі атмосфери, тому і густина повітря тут найбільша. На будь-якій висоті над земною поверхнею ступінь стиснення повітря залежить від маси стовпа повітря, що лежить вище, тому з висотою щільність повітря зменшується. Тиск, рівний масі вищого стовпа повітря, що припадає на одиницю площі, знаходиться в прямій залежності від щільності і, отже, також знижується з висотою. Якби атмосфера являла собою "ідеальний газ" з незалежним від висоти постійним складом, незмінною температурою і на неї діяла б постійна сила тяжіння, то тиск зменшувався б в 10 разів на кожні 20 км висоти. Реальна атмосфера трохи відрізняється від ідеального газуприблизно до висоти 100 км, а потім тиск з висотою зменшується повільніше, оскільки змінюється склад повітря. Невеликі змінив описану модель вносить і зменшення сили тяжіння в міру віддалення від центру Землі, що становить поблизу земної поверхні прибл. 3% на кожних 100 км висоти. На відміну від атмосферного тиску, температура з висотою не знижується безперервно. Як показано на рис. 1, вона зменшується приблизно до висоти 10 км, а потім знову починає рости. Це відбувається при поглинанні ультрафіолетової сонячної радіації киснем. При цьому утворюється озон газ, молекули якого складаються з трьох атомів кисню (О3). Він теж поглинає ультрафіолетове випромінювання, тому цей шар атмосфери, званий озоносферою, нагрівається. Вище температура знову знижується, тому що там набагато менше молекулгазу, і відповідно скорочується поглинання енергії. У ще вищих шарах температура знову підвищується внаслідок поглинання атмосферою найбільш короткохвильового ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Під впливом цього випромінювання відбувається іонізація атмосфери, тобто. молекула газу втрачає електрон і набуває позитивного електричного заряду. Такі молекули стають позитивно зарядженими іонами. Завдяки наявності вільних електроніві іонів цей шар атмосфери набуває властивостей електропровідника. Вважають, що температура продовжує підвищуватися до висот, де розріджена атмосфера перетворюється на міжпланетний простір. На відстані кількох тисяч кілометрів від поверхні Землі, ймовірно, переважають температури від 5000 ° до 10 000 ° С. Хоча молекули та атоми мають дуже великі швидкості руху, а отже, і високу температуру, цей розріджений газ не є "гарячим" у звичному розумінні. Через мізерну кількість молекул на великих висотахїх сумарна теплова енергіядуже невелика. Таким чином, атмосфера складається з окремих шарів (тобто серії концентричних оболонок, або сфер), виділення яких залежить від того, яка властивість становить найбільший інтерес. На підставі посереднього розподілу температур метеорологи розробили схему будови ідеальної "середньої атмосфери" (див. рис. 1).

Тропосфера - нижній шар атмосфери, що тягнеться до першого термічного мінімуму (т.зв. тропопаузи). Верхня межа тропосфери залежить від географічної широти (у тропіках - 18-20 км, в помірних широтах - близько 10 км) та пори року. Національна метеорологічна служба США провела зондування поблизу Південного полюсата виявила сезонні зміни висоти тропопаузи. У березні тропопауза знаходиться на висоті прибл. 7,5 км. З березня до серпня чи вересня відбувається неухильне охолодження тропосфери, і її кордон на короткий період у серпні чи вересні піднімається приблизно до висоти 11,5 км. Потім з вересня по грудень вона швидко знижується і досягає свого найнижчого становища - 7,5 км, де і залишається до березня, відчуваючи коливання в межах всього 0,5 км. Саме в тропосфері переважно формується погода, яка визначає умови існування людини. Більша частина атмосферної водяної пари зосереджена в тропосфері, і тому тут головним чином і формуються хмари, хоча деякі з них, що складаються з крижаних кристалів, зустрічаються й у високих шарах. Для тропосфери характерні турбулентність та потужні повітряні течії (вітри) та шторми. У верхній тропосфері існують сильні повітряні течії певного напрямку. Турбулентні вихори, подібні до невеликих вир, утворюються під впливом тертя і динамічної взаємодії між повітряними масами, що повільно і швидко рухаються. Оскільки в цих високих прошарках хмарності зазвичай немає, таку турбулентність називають "турбулентністю ясного неба".
Стратосфера.Вищележачий шар атмосфери часто помилково описують як шар з порівняно постійними температурами, де вітри дмуть більш менш стійко і де метеорологічні елементи мало змінюються. Верхні шари стратосфери нагріваються при поглинанні киснем та озоном сонячного ультрафіолетового випромінювання. Верхня межа стратосфери (стратопауза) проводиться там, де температура дещо підвищується, досягаючи проміжного максимуму, який нерідко можна порівняти з температурою приземного шару повітря. На основі спостережень, проведених за допомогою літаків та куль-зондів, пристосованих для польотів на постійній висоті, у стратосфері встановлені турбулентні обурення та сильні вітри, що дмуть у різних напрямках. Як і в тропосфері, відзначаються потужні повітряні вихори, які особливо небезпечні для високошвидкісних літальних апаратів. Сильні вітри, які називають струминними течіями, дмуть у вузьких зонах уздовж кордонів помірних широт, звернених до полюсів. Однак ці зони можуть зміщуватися, зникати та з'являтися знову. Струменеві течіїзазвичай проникають у тропопаузу і виявляються у верхніх шарах тропосфери, але їхня швидкість швидко зменшується зі зниженням висоти. Можливо, частина енергії, що надходить у стратосферу (переважно витрачається на утворення озону), впливає на процеси в тропосфері. Особливо активне перемішування пов'язані з атмосферними фронтами, де великі потоки стратосферного повітря було зареєстровано значно нижче тропопаузи, а тропосферне повітря залучалося нижні верстви стратосфери. Значних успіхів було досягнуто у вивченні вертикальної структуринижніх шарів атмосфери у зв'язку із удосконаленням техніки запуску на висоти 25-30 км радіозондів. Мезосфера, що знаходиться вище стратосфери, є оболонкою, в якій до висоти 80-85 км відбувається зниження температури до мінімальних показників для атмосфери в цілому. Рекордно низькі температури до -110 ° С були зареєстровані метеорологічними ракетами, запущеними з американо-канадської установки у Форт-Черчіллі (Канада). Верхня межа мезосфери (мезопауза) приблизно збігається з нижньою межею області активного поглинання рентгенівського та найбільш короткохвильового ультрафіолетового випромінювання Сонця, що супроводжується нагріванням та іонізацією газу. У полярних регіонах влітку у мезопаузі часто з'являються хмарні системи, які займають велику площу, але мають незначний вертикальний розвиток. Такі хмари, що світяться ночами, часто дозволяють виявляти великомасштабні хвилеподібні рухи повітря в мезосфері. Склад цих хмар, джерела вологи та ядер конденсації, динаміка та зв'язок з метеорологічними факторами поки що недостатньо вивчені. Термосфера є шаром атмосфери, в якому безперервно підвищується температура. Його потужність може сягати 600 км. Тиск і, отже, густина газу з висотою постійно зменшуються. Поблизу земної поверхні 1 м3 повітря міститься бл. 2,5 ґ1025 молекул, на висоті бл. 100 км, у нижніх шарах термосфери, - приблизно 1019, на висоті 200 км, в іоносфері - 5*10 15 і, за розрахунками, на висоті бл. 850 км – приблизно 1012 молекул. У міжпланетному просторі концентрація молекул становить 108-109 на 1 м3. На висоті прибл. 100 км кількість молекул невелика і вони рідко стикаються між собою. Середня відстань, яку долає молекула, що хаотично рухається, до зіткнення з іншою такою ж молекулою, називається її середнім вільним пробігом. Шар, в якому ця величина настільки збільшується, що ймовірність міжмолекулярних або міжатомних зіткнень можна знехтувати, знаходиться на межі між термосферою і вищою оболонкою (екзосферою) і називається термопаузою. Термопауза віддалена від земної поверхні приблизно на 650 км. За певної температури швидкість руху молекули залежить від її маси: легші молекули рухаються швидше за важкі. У нижній атмосфері, де вільний пробіг дуже короткий, не спостерігається помітного поділу газів за їхньою молекулярною вагою, але воно виражене вище 100 км. Крім того, під впливом ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця молекули кисню розпадаються на атоми, маса яких становить половину маси молекули. Тому в міру віддалення від поверхні Землі атомарний кисень набуває все більшого значення у складі атмосфери та на висоті бл. 200 км. стає її головним компонентом. Вище, приблизно з відривом 1200 км від Землі, переважають легкі гази - гелій і водень. З них складається зовнішня оболонка атмосфери. Такий поділ за вагою, званий дифузним розшаруванням, нагадує поділ сумішей за допомогою центрифуги. Екзосферою називається зовнішній шар атмосфери, що виділяється на основі змін температури та властивостей нейтрального газу. Молекули та атоми в екзосфері обертаються навколо Землі балістичними орбітами під впливом сили тяжіння. Деякі з цих орбіт є параболічні і схожі на траєкторії метальних снарядів. Молекули можуть обертатися навколо Землі і еліптичних орбіт, як супутники. Деякі молекули, в основному водню та гелію, мають розімкнені траєкторії та йдуть у космічний простір (рис. 2).

СОНЯЧНО-ЗЕМНІ ЗВ'ЯЗКИ ТА ЇХНИЙ ВПЛИВ НА АТМОСФЕРУ
Атмосферні припливи.Тяжіння Сонця і Місяця викликає в атмосфері припливи, подібні до земних і морських припливів. Але атмосферні припливи мають суттєву відмінність: атмосфера найсильніше реагує на тяжіння Сонця, тоді як земна кораі океан - на тяжіння Місяця. Це пояснюється тим, що атмосфера нагрівається Сонцем і на додаток до гравітаційного виникає потужний термальний приплив. Загалом механізми утворення атмосферних та морських припливівподібні, за винятком того, що для прогнозу реакції повітря на гравітаційні та термічні дії необхідно враховувати його стисливість та розподіл температури. Не до кінця зрозуміло, чому напівдобові (12-годинні) сонячні припливи в атмосфері переважають над добовими сонячними та напівдобовими місячними припливами, хоча рушійні сили двох останніх процесів набагато потужніші. Раніше вважалося, що в атмосфері виникає резонанс, що посилює саме коливання із 12-годинним періодом. Однак, спостереження, проведені за допомогою геофізичних ракет, свідчать про відсутність температурних причин такого резонансу. При вирішенні цієї проблеми, ймовірно, слід враховувати всі гідродинамічні та термічні особливості атмосфери. У земній поверхні поблизу екватора, де вплив приливних коливань максимальний, воно забезпечує зміну атмосферного тиску на 0,1%. Швидкість приливних вітрів становить прибл. 0,3 км/год. Завдяки складній термічній структурі атмосфери (особливо наявності мінімуму температури в мезопаузі) приливні повітряні течії посилюються, і, наприклад, на висоті 70 км їхня швидкість приблизно в 160 разів вища, ніж у земної поверхні, що має важливі геофізичні наслідки. Вважається, що в нижній частині іоносфери (шар Е) приливні коливання переміщують іонізований газ вертикально в магнітному полі Землі, отже, тут виникають електричні струми. Ці постійно виникаючі системи струмів лежить на поверхні Землі встановлюються за збуренням магнітного поля. Добові варіації магнітного поля досить добре узгоджуються з розрахунковими величинами, що свідчить на користь теорії приливних механізмів "атмосферного динамо". Електричні струми, що виникають у нижній частині іоносфери (шар Е), повинні кудись переміщатися, і отже ланцюг повинен замкнутися. Аналогія з динамо-машиною стає повною, якщо розглядати зустрічний рух як роботу двигуна. Передбачається, що зворотна циркуляція електричного струму здійснюється у вищому шарі іоносфери (F), і цим зустрічним потоком можуть пояснюватися деякі своєрідні риси цього шару. Нарешті, приливний ефект повинен породжувати горизонтальні потоки в шарі Е і, отже, у шарі F.
Іоносфера.Намагаючись пояснити механізм виникнення полярних сяйв, вчені 19 в. припустили, що у атмосфері існує зона з електрично зарядженими частинками. У 20 ст. експериментально були отримані переконливі докази існування на висотах від 85 до 400 км шару, що відбиває радіохвилі. В даний час відомо, що його електричні властивості є результатом іонізації атмосферного газу. Тому зазвичай цей шар називають іоносферою. Вплив на радіохвилі відбувається головним чином через наявність в іоносфері вільних електронів, хоча механізм поширення радіохвиль пов'язаний із наявністю великих іонів. Останні також цікаві щодо хімічних властивостей атмосфери, оскільки вони активніше нейтральних атомів і молекул. Хімічні реакції, що протікають в іоносфері, відіграють важливу роль у її енергетичному та електричному балансі.
Нормальна іоносфера.Спостереження, проведені за допомогою геофізичних ракет та супутників, дали масу нової інформації, що свідчить, що іонізація атмосфери відбувається під впливом сонячної радіації широкого спектра. Основна її частина (понад 90%) зосереджена у видимій частині спектра. Ультрафіолетове випромінювання з меншою довжиною хвилі і більшою енергією, ніж у фіолетових світлових променів, випромінюється воднем внутрішньої частини атмосфери Сонця (хромосфери), а рентгенівське випромінювання, що має ще більшу енергію, - газами зовнішньої оболонки Сонця (корони. Нормальний (середній) стан іоносфери обумовлений постійним потужним випромінюванням. Регулярні зміни відбуваються у нормальній іоносфері під впливом добового обертанняЗемлі та сезонних відмінностей кута падіння сонячних променів опівдні, але відбуваються також непередбачувані та різкі зміни стану іоносфери.
Обурення в іоносфері.Як відомо, на Сонці виникають потужні обурення, що циклічно повторюються, які досягають максимуму кожні 11 років. Спостереження за програмою Міжнародного геофізичного року (МГГ) збіглися з періодом найвищої сонячної активності протягом термін систематичних метеорологічних спостережень, тобто. з початку 18 ст. У періоди високої активності яскравість деяких областей на Сонці зростає у кілька разів, і вони посилають потужні імпульси ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання. Такі явища називаються спалахами на Сонці. Вони тривають від кількох хвилин до одного-двох годин. Під час спалаху викидається сонячний газ (в основному протони та електрони), і елементарні частинки спрямовуються у космічний простір. Електромагнітне та корпускулярне випромінювання Сонця в моменти таких спалахів надає сильний впливна атмосферу Землі. Початкова реакція відзначається через 8 хв після спалаху, коли інтенсивне ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання досягає Землі. В результаті різко підвищується іонізація; рентгенівське промінняпроникають в атмосферу до нижньої межі іоносфери; кількість електронів у цих шарах зростає настільки, що радіосигнали майже повністю поглинаються ("гаснуть"). Додаткове поглинання радіації викликає нагрівання газу, що сприяє розвитку вітрів. Іонізований газ є електричним провідником, і коли він рухається в магнітному полі Землі, проявляється ефект динамо-машини та виникає електричний струм. Такі струми можуть викликати помітні обурення магнітного поля і виявлятися у вигляді магнітних бур. Ця початкова фаза займає лише короткий час, що відповідає тривалості сонячного спалаху. Під час потужних спалахів на Сонці у космічний простір спрямовується потік прискорених частинок. Коли він спрямований у бік Землі, настає друга фаза, що дуже впливає на стан атмосфери. Багато природних явищ, серед яких найбільш відомі полярні сяйва, свідчать, що значна кількість заряджених частинок досягає Землі (див. також ПОЛЯРНЕ СЯЙВО). Проте процеси відриву цих частинок від Сонця, їх траєкторії у міжпланетному просторі та механізми взаємодії з магнітним полем Землі та магнітосферою поки що недостатньо вивчені. Проблема ускладнилася після відкриття в 1958 Джеймсом Ван Алленом утримуваних геомагнітним полемоболонок, що складаються із заряджених частинок. Ці частинки переміщаються з однієї півкулі в іншу, обертаючись спіралями навколо силових лініймагнітного поля. Поблизу Землі на висоті, яка залежить від форми силових ліній і від енергії частинок, розташовуються "точки відображення", в яких частинки змінюють напрямок руху на протилежний (рис. 3). Оскільки напруженість магнітного поля зменшується з віддаленням від Землі, орбіти, якими рухаються ці частинки, дещо спотворюються: електрони відхиляються на схід, а протони - на захід. Тому вони розподіляються у вигляді поясів навколо земної кулі.

Деякі наслідки нагрівання атмосфери Сонцем. Сонячна енергіявпливає на всю атмосферу. Вище вже згадувалися пояси, утворені зарядженими частинками в магнітному полі Землі і навколо неї. Ці пояси найближче підходять до земної поверхні у приполярних районах (див. рис. 3), де спостерігаються полярні сяйва. На малюнку 1 показано, що у районах прояви полярних сяйв Канаді температури термосфери значно вище, ніж у Південному Заході США. Ймовірно, захоплені частинки віддають частину своєї енергії в атмосферу, особливо при зіткненні з молекулами газу поблизу точок відображення і сходять зі своїх колишніх орбіт. Так відбувається нагрівання високих шарів атмосфери у зоні полярних сяйв. Ще одне важливе відкриття було зроблено щодо орбіт штучних супутників. Луїджі Яккіа, астроном зі Смітсонівської астрофізичної обсерваторії, вважає, що невеликі відхилення цих орбіт обумовлені змінами густини атмосфери при її нагріванні Сонцем. Він припустив існування на висоті понад 200 км в іоносфері максимуму концентрації електронів, який не відповідає сонячному полудню, а під впливом сили тертя запізнюється стосовно нього приблизно дві години. Саме тоді значення щільності атмосфери, звичайні для висоти 600 км, спостерігаються лише на рівні ок. 950 км. Крім того, максимум концентрації електронів зазнає нерегулярних коливань внаслідок короткочасних спалахів ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання Сонця. Л.Якіа виявив також короткочасні коливання щільності повітря, що відповідають спалахам на Сонці та збуренням магнітного поля. Ці явища пояснюються вторгненням частинок сонячного походження в атмосферу Землі та нагріванням тих її верств, де проходять орбіти супутників.
АТМОСФЕРНА ЕЛЕКТРИКА
У приземному шарі атмосфери невелика частина молекул піддається іонізації під впливом космічних променів, випромінювання радіоактивних гірських порід та продуктів розпаду радію (в основному радону) у самому повітрі. У процесі іонізації атом втрачає електрон і набуває позитивного заряду. Вільний електрон швидко з'єднується з іншим атомом утворюючи негативно заряджений іон. Такі парні позитивні та негативні іони мають молекулярні розміри. Молекули у атмосфері прагнуть групуватися навколо цих іонів. Декілька молекул, що поєдналися з іоном, утворюють комплекс, званий зазвичай "легким іоном". В атмосфері є також комплекси молекул, відомі в метеорології під назвою ядер конденсації, навколо яких при насиченні повітря вологою починається процес конденсації. Ці ядра є частинками солі і пилу, а також забруднюючих речовин, що надходять у повітря від промислових та інших джерел. Легкі іони часто приєднуються до таких ядр, утворюючи "важкі іони". Під впливом електричного поля легкі та важкі іони переміщаються з одних областей атмосфери до інших, переносячи електричні заряди. Хоча зазвичай атмосфера не вважається електропровідним середовищем, вона все ж має невелику провідність. Тому залишене в повітрі заряджене тіло повільно втрачає свій заряд. Провідність атмосфери зростає з висотою через збільшення інтенсивності космічного випромінювання, зменшення втрат іонів в умовах нижчого тиску (і, отже, при більшому середньому вільному пробігу), а також через меншу кількість важких ядер. Провідність атмосфери досягає максимальної величини на висоті прибл. 50 км, т.зв. "рівні компенсації". Відомо, що між поверхнею Землі та "рівнем компенсації" постійно існує різницю потенціалів у кілька сотень кіловольт, тобто. Постійне електричне поле. З'ясувалося, що різниця потенціалів між деякою точкою, яка перебуває у повітрі на висоті кількох метрів, і поверхнею Землі дуже велика – понад 100 В. Атмосфера має позитивний заряд, а земна поверхня заряджена негативно. Оскільки електричне поле - область, у кожній точці якої є деяке значення потенціалу, можна говорити про градієнт потенціалу. У ясну погоду в межах нижніх кількох метрів напруженість електричного поля атмосфери майже стала. Через відмінності електропровідності повітря в приземному шарі градієнт потенціалу схильний до добових коливань, хід яких істотно змінюється від місця до місця. За відсутності локальних джерел забруднення повітря - над океанами, високо у горах чи полярних районах - добовий хід градієнта потенціалу у ясну погоду однаковий. Величина градієнта залежить від всесвітнього, або середнього грінвічського часу (UT) і досягає максимуму в 19 год. Е. Еплтон припустив, що цей максимум електропровідності, ймовірно, збігається з найбільшою грозовою активністю в планетарному масштабі. Розряди блискавок під час гроз переносять негативний заряд до поверхні Землі, оскільки основи найбільш активних купо-дощових грозових хмар мають значну негативним зарядом. Верхні частини грозових хмар мають позитивний заряд, який, за розрахунками Хольцера і Саксона, під час гроз стікає з їхніх вершин. Без постійного поповнення заряд земної поверхні було б нейтралізовано з допомогою провідності атмосфери. Припущення про те, що різниця потенціалів між земною поверхнею та "рівнем компенсації" підтримується завдяки грозам, підкріплюється статистичними даними. Наприклад, максимальна кількість гроз відзначається у долині річки. Амазонки. Найчастіше грози бувають там наприкінці дня, тобто. бл. 19 год середнього грінвічського часу, коли градієнт потенціалу максимальний у будь-якій точці земної кулі. Більш того, сезонні варіаціїФорми кривих добового ходу градієнта потенціалу також знаходяться у повній відповідності до даних про глобальний розподіл гроз. Деякі дослідники стверджують, що джерело електричного поля Землі, можливо, має зовнішнє походження, Оскільки електричні поля, як вважають, існують в іоносфері та магнітосфері. Цією обставиною, ймовірно, пояснюється виникнення дуже вузьких видовжених форм полярних сяйв, схожих на куліси та арки
(Див. також ПОЛЯРНЕ Сяйво). Завдяки наявності градієнта потенціалу та провідності атмосфери між "рівнем компенсації" та поверхнею Землі починають рухатися заряджені частинки: позитивно заряджені іони - у напрямку до земної поверхні, а негативно заряджені - вгору від неї. Сила цього струму становить прибл. 1800 А. Хоча ця величина здається великою, необхідно пам'ятати, що вона розподіляється на всій поверхні Землі. Сила струму в стовпі повітря з площею основи 1 м2 становить лише 4*10 -12 А. З іншого боку, сила струму при розряді блискавки може досягати кількох ампер, хоча, звичайно, такий розряд має малу тривалість - від часток секунди до цілої секунди або трохи більше за повторних розрядів. Блискавка представляє великий інтересяк як своєрідне явище природи. Вона дає можливість спостерігати електричний розряд у газовому середовищі при напрузі кілька сотень мільйонів вольт і відстані між електродами кілька кілометрів. У 1750 Б. Франклін запропонував Лондонському королівському суспільству поставити досвід із залізною штангою, укріпленою на ізолюючій основі та встановленою на високій вежі. Він очікував, що при наближенні грозової хмари до вежі на верхньому кінці спочатку нейтральної штанги зосередиться заряд протилежного знака, а на нижньому - заряд того ж знака, що в основі хмари. Якщо напруженість електричного поля при розряді блискавки зросте досить сильно, заряд з верхнього кінця штанги частково стікатиме в повітря, а штанга придбає заряд того ж знака, що і хмара. Запропонований Франкліном експеримент не був здійснений в Англії, однак його поставив у 1752 році в Марлі під Парижем французький фізик Жан д'Аламбер. його помічник повідомив, що, коли грозова хмара знаходилася над штангою, при піднесенні до неї заземленого дроту виникали іскри.Сам Франклін, не знаючи про успішний досвід, реалізований у Франції, у червні того ж року провів свій знаменитий експеримент з повітряним змієм і спостерігав електричні На наступний рік, вивчаючи заряди, зібрані зі штанги, Франклін встановив, що підстави грозових хмар зазвичай заряджені негативно.Детальніші дослідження блискавок стали можливі в кінці 19 ст завдяки вдосконаленню методів фотографії, особливо після винаходу апарату з лінзами, що обертаються, що дозволило фіксувати процеси, що швидко розвиваються, такий фотоапарат широко використовувався при вивченні іскрових розрядів. Було встановлено, що існує кілька типів блискавок, причому найбільш поширені лінійні, плоскі (внутрішньохмарні) та кульові (повітряні розряди). Лінійні блискавкиявляють собою іскровий розряд між хмарою та земною поверхнею, що йде по каналу з спрямованими вниз відгалуженнями. Плоскі блискавки виникають усередині грозової хмари і виглядають як спалахи розсіяного світла. Повітряні розряди кульових блискавок, що починаються від грозової хмари, часто спрямовані горизонтально і досягають земної поверхні.

Розряд блискавки зазвичай складається з трьох або більше повторних розрядів - імпульсів, що йдуть по тому самому шляху. Інтервали між послідовними імпульсами дуже короткі, від 1/100 до 1/10 с (цим обумовлено мерехтіння блискавки). Загалом спалах триває близько секунди чи менше. Типовий процес розвитку блискавки можна описати в такий спосіб. Спочатку зверху до земної поверхні спрямовується слабо світиться розряд-лідер. Коли він її досягне, зворотний або головний, що яскраво світиться, розряд проходить від землі вгору по каналу, прокладеному лідером. Розряд-лідер, як правило, рухається зигзагоподібно. Швидкість його поширення коливається від ста до кількох сотень кілометрів на секунду. На своєму шляху він іонізує молекули повітря, створюючи канал з підвищеною провідністю, яким зворотний розряд рухається вгору зі швидкістю приблизно в сто разів більшою, ніж у розряду-лідера. Розмір каналу визначити важко, проте діаметр розряду-лідера оцінюється в 1-10 м, а зворотного розряду - кілька сантиметрів. Розряди блискавки створюють радіоперешкоди, випромінюючи радіохвилі в широкому діапазоні - від 30 кГц до наднизьких частот. Найбільше випромінювання радіохвиль знаходиться, ймовірно, у діапазоні від 5 до 10 кГц. Такі низькочастотні радіоперешкоди "зосереджені" у просторі між нижньою межею іоносфери та земною поверхнею і здатні поширюватися на відстані тисячі кілометрів від джерела.
ЗМІНИ В АТМОСФЕРІ
Вплив метеорів та метеоритів.Хоча іноді метеорні дощі справляють глибоке враження своїми світловими ефектами, окремі метеори видно досить рідко. Набагато чисельніше невидимі метеори, надто малі, щоб бути помітними в момент їх поглинання атмосферою. Деякі з найдрібніших метеорів, мабуть, зовсім не нагріваються, а лише захоплюються атмосферою. Ці дрібні частинки з розмірами від кількох міліметрів до десятитисячних часток міліметра називаються мікрометеоритами. Кількість метеорної речовини, яка щодобово надходить в атмосферу становить від 100 до 10 000 т, причому більша частина цієї речовини припадає на мікрометеорити. Оскільки метеорна речовина частково згорає в атмосфері, її газовий складпоповнюється слідами різноманітних хімічних елементів. Наприклад, кам'яні метеори привносять до атмосфери літій. Згоряння металевих метеорів призводить до утворення дрібних сферичних залізних, залізонікелевих та інших крапельок, які проходять крізь атмосферу та осідають на земній поверхні. Їх можна виявити у Гренландії та Антарктиді, де майже без змін роками зберігаються льодовикові покриви. Океанологи знаходять їх у донних океанічних відкладах. Більшість метеорних частинок, що надійшли в атмосферу, осаджується приблизно протягом 30 діб. Деякі вчені вважають, що цей космічний пил відіграє важливу роль у формуванні таких атмосферних явищ, як дощ, оскільки є ядрами конденсації водяної пари. Тому припускають, що випадання опадів статистично пов'язане із великими метеорними дощами. Однак деякі фахівці вважають, що, оскільки загальне надходження метеорної речовини у багато десятків разів перевищує її надходження навіть із найбільшим метеорним дощем, зміною загальній кількостіцієї речовини, що відбувається в результаті одного такого дощу, можна знехтувати. Однак, безсумнівно, найбільш великі мікрометеорити і, звичайно, видимі метеорити залишають довгі сліди іонізації у високих шарах атмосфери, головним чином в іоносфері. Такі сліди можна використовувати для далекого радіозв'язку, оскільки вони відображають високочастотні радіохвилі. Енергія метеорів, що надходять в атмосферу, витрачається головним чином, а може бути і повністю, на її нагрівання. Це одна з другорядних складових теплового балансу атмосфери.
Вуглекислий газ промислового походження.У кам'яновугільному періоді Землі була поширена деревна рослинність. Більшість діоксиду вуглецю, поглиненого тоді рослинами, накопичилася в покладах вугілля й у нафтоносних відкладеннях. Величезні запасицих корисних копалин людина навчилася використовувати як джерело енергії і зараз швидкими темпамиповертає вуглекислий газ у кругообіг речовин. У викопному стані знаходиться, мабуть, бл. 4 * 10 13 т вуглецю. За останнє століття людство спалило стільки копалин, що приблизно 4*10 11 т вуглецю знову надійшло в атмосферу. В даний час в атмосфері є прибл. 2*10 12 т вуглецю, а найближчі сто років за рахунок спалювання викопного палива ця цифра, можливо, подвоїться. Однак не весь вуглець залишиться в атмосфері: частина його розчиниться у водах океану, частина буде поглинена рослинами, а частина – пов'язана у процесі вивітрювання гірських порід. Поки не можна передбачити, скільки вуглекислого газу утримуватиметься в атмосфері або який саме вплив він вплине на клімат земної кулі. Тим не менш, вважається, що будь-яке збільшення його змісту викличе потепління, хоча зовсім не обов'язково, що будь-яке потепління суттєво вплине на клімат. Концентрація вуглекислого газу атмосфері, за результатами вимірів, помітно збільшується, хоч і нешвидкими темпами. Кліматичні дані по Шпіцбергену та станції Літтл-Америка на шельфовому льодовику Росса в Антарктиді свідчать про підвищення середніх річних температур приблизно за 50-річний період відповідно на 5° та 2,5°С.
Вплив космічного випромінювання.При взаємодії космічних променів, що володіють високою енергією, з окремими складовими атмосфери утворюються радіоактивні ізотопи. Серед них виділяється ізотоп вуглецю 14С, що накопичується в рослинних та тваринних тканинах. Шляхом вимірювання радіоактивності органічних речовин, які давно не обмінюються вуглецем з довкіллям, можна визначити їхній вік. Радіовуглецевий метод зарекомендував себе як найбільш надійний спосіб датування викопних організмів та предметів матеріальної культури, вік яких не перевищує 50 тис. Років. Для датування матеріалів, які мають вік у сотні тисяч років, можна буде використовувати інші радіоактивні ізотопи з великими періодами напіврозпаду, якщо буде вирішене принципове завдання вимірювання вкрай низьких рівніврадіоактивності
(Див. також РАДІОВУГЛЕРОДНЕ ДАТУВАННЯ).
ПОХОДЖЕННЯ АТМОСФЕРИ ЗЕМЛІ
Історію утворення атмосфери поки що не вдалося відновити абсолютно достовірно. Проте виявлено деякі можливі зміни її складу. Становлення атмосфери почалося відразу після формування Землі. Є досить вагомі підстави вважати, що в процесі еволюції Праземлі та набуття нею близьких до сучасних розмірів і маси вона майже повністю втратила свою первісну атмосферу. Вважається, що на ранньому етапі Земля перебувала в розплавленому стані та прибл. 4,5 млрд років тому оформилася в тверде тіло. Цей рубіж приймається початок геологічного літочислення. Відтоді відбувалася й повільна еволюція атмосфери. Деякі геологічні процеси, як, наприклад, вилив лави при виверженнях вулканів, супроводжувалися викидом газів з надр Землі. До їх складу, ймовірно, входили азот, аміак, метан, водяна пара, оксид та діоксид вуглецю. Під впливом сонячної ультрафіолетової радіації водяна пара розкладалася на водень і кисень, але кисень, що звільнився, вступав в реакцію з оксидом вуглецю з утворенням вуглекислого газу. Аміак розкладався на азот та водень. Водень у процесі дифузії піднімався вгору і залишав атмосферу, а важчий азот було випаровуватися і поступово накопичувався, стаючи основним її компонентом, хоча його частина зв'язувалася під час хімічних реакцій. Під впливом ультрафіолетових променівта електричних розрядів суміш газів, що ймовірно були присутні в початковій атмосфері Землі, вступала в хімічні реакції, в результаті яких відбувалося утворення органічних речовин, зокрема амінокислот. Отже, життя могло зародитися в атмосфері, принципово відмінній від сучасної. З появою примітивних рослин почався процес фотосинтезу (див. також Фотосинтез), що супроводжувався виділенням вільного кисню. Цей газ, особливо після дифузії у верхні шари атмосфери, став захищати її нижні шари та поверхню Землі від небезпечних для життя ультрафіолетового та рентгенівського випромінювання. За оцінками, наявність всього 0,00004 сучасного обсягу кисню могло призвести до формування шару з удвічі меншою, ніж зараз, концентрацією озону, що забезпечувало істотний захист від ультрафіолетових променів. Ймовірно також, що у первинній атмосфері містилося багато вуглекислого газу. Він витрачався в ході фотосинтезу, і його концентрація мала зменшуватися в міру еволюції світу рослин, а також через поглинання в ході деяких геологічних процесів. Оскільки парниковий ефектпов'язаний із присутністю вуглекислого газу в атмосфері, деякі вчені вважають, що коливання його концентрації є однією з важливих причинтаких великомасштабних кліматичних зміністорія Землі, як льодовикові періоди. Присутній у сучасній атмосфері гелій, ймовірно, здебільшого є продуктом радіоактивного розпадуурану, торію та радію. Ці радіоактивні елементи випускають альфа-частинки, які є ядра атомів гелію. Оскільки в ході радіоактивного розпаду електричний заряд не утворюється і не зникає, на кожну альфа-частку припадає два електрони. Через війну вона з'єднується із нею, утворюючи нейтральні атоми гелію. Радіоактивні елементи містяться в мінералах, розсіяних у товщі гірських порід, тому значна частина гелію, що утворився в результаті радіоактивного розпаду, зберігається в них, дуже повільно випаровуючись в атмосферу. Декілька кількість гелію за рахунок дифузії піднімається вгору в екзосферу, але завдяки постійному припливу від земної поверхні обсяг цього газу в атмосфері незмінний. На підставі спектрального аналізусвітла зірок та вивчення метеоритів можна оцінити відносний вміст різних хімічних елементів у Всесвіті. Концентрація неону в космосі приблизно в десять мільярдів разів вища, ніж на Землі, криптону – у десять мільйонів разів, а ксенону – у мільйон разів. Звідси випливає, що концентрація цих інертних газів, які спочатку були присутні в земній атмосфері і не поповнювалися в процесі хімічних реакцій, сильно знизилася, ймовірно, ще на етапі втрати Землею своєї первинної атмосфери. Виняток становить інертний газ аргон, оскільки у формі ізотопу 40Ar він і зараз утворюється у процесі радіоактивного розпаду ізотопу калію.
ОПТИЧНІ ЯВИЩА
Різноманітність оптичних явищ у атмосфері обумовлено різними причинами. До найпоширеніших феноменів відносяться блискавка (див. вище) і мальовничі північне і південне полярні сяйва (див. також ПОЛЯРНЕ СЯЙВО). Крім того, особливо цікаві веселка, гал, паргелій (хибне сонце) і дуги, корона, німби та привиди Броккена, міражі, вогні святого Ельма, хмари, що світяться, зелені та сутінкові промені. Веселка – найкрасивіше атмосферне явище. Зазвичай це величезна арка, що складається з різнокольорових смуг, що спостерігається, коли Сонце висвітлює лише частину небосхилу, а повітря насичене крапельками води, наприклад під час дощу. Різнобарвні дуги розташовуються в послідовності спектру (червона, помаранчева, жовта, зелена, блакитна, синя, фіолетова), проте кольори майже ніколи не бувають чистими, оскільки смуги взаємно перекриваються. Як правило, Фізичні характеристикивеселка суттєво різняться, тому і по зовнішньому виглядувони дуже різноманітні. Їх загальною рисоює те, що центр дуги завжди розташовується на прямій, проведеній від Сонця до спостерігача. Головна веселка є дугою, що складається з найбільш яскравих кольорів - червоного на зовнішній стороні і фіолетового - на внутрішній. Іноді видно тільки одну дугу, але часто з зовнішньої сторониосновний веселки утворюється побічна. Вона має не настільки яскраві кольори, як перша, а червона та фіолетова смуги в ній змінюються місцями: червона розташовується з внутрішньої сторони. Утворення головної веселки пояснюється подвійним заломленням (див. також ОПТИКА) та одноразовим внутрішнім відображенням променів сонячного світла (див. рис. 5). Проникаючи всередину краплі води (А), промінь світла заломлюється і розкладається, як у проходженні крізь призму. Потім він досягає протилежної поверхні краплі (В), відбивається від неї і виходить із краплі назовні (С). При цьому промінь світла, перш ніж досягти спостерігача, переломлюється вдруге. Вихідний білий промінь розкладається на промені різних кольорів із кутом розбіжності 2°. При утворенні побічної веселки відбувається подвійне заломлення та подвійне відбиття сонячних променів (див. рис. 6). У цьому випадку світло заломлюється, проникаючи всередину краплі через її нижню частину (А), і відбивається від внутрішньої поверхні краплі спочатку в точці, потім в точці С. У точці D світло заломлюється, виходячи з краплі в бік спостерігача.

На сході і заході Сонця спостерігач бачить веселку як дуги, що дорівнює половині кола, оскільки вісь веселки паралельна горизонту. Якщо Сонце розташовується вище над горизонтом, дуга веселки менше половини кола. Коли Сонце піднімається вище 42 ° над горизонтом, веселка зникає. Скрізь, окрім високих широт, веселка не може з'явитися опівдні, коли Сонце стоїть надто високо. Цікаво оцінити відстань до веселки. Хоча здається, що різнокольорова дуга розташована в одній площині, це ілюзія. Насправді веселка має величезну глибину, і її можна уявити у вигляді поверхні пустотілого конуса, у вершині якого знаходиться спостерігач. Ось конуса з'єднує Сонце, спостерігача та центр веселки. Спостерігач дивиться як би вздовж поверхні цього конуса. Двоє людей ніколи не можуть побачити абсолютно однакову веселку. Звичайно, можна спостерігати в цілому один і той же ефект, але дві веселки займають різне положення та утворені різними крапельками води. Коли дощ або водяний пил утворюють веселку, повний оптичний ефект досягається за рахунок сумарного впливу всіх крапельок води, що перетинають поверхню конуса веселки зі спостерігачем у вершині. Роль кожної краплі швидкоплинна. Поверхня конуса веселки складається з кількох шарів. Швидко перетинаючи їх і проходячи через серію критичних точок, кожна крапля миттєво розкладає сонячний проміньна весь спектр у чітко визначеній послідовності - від червоного до фіолетового кольору. Безліч крапель так само перетинає поверхню конуса, отже веселка представляється спостерігачеві безперервної як вздовж, і упоперек її дуги. Гало - білі або райдужні світлові дуги та кола навколо диска Сонця або Місяця. Вони виникають внаслідок заломлення або відображення світла кристалами льоду або снігу, що знаходяться в атмосфері. Кристали, що формують гало, розташовуються на поверхні уявного конуса з віссю, спрямованої від спостерігача (з вершини конуса) до Сонця. За деяких умов атмосфера буває насичена дрібними кристалами, багато грані яких утворюють прямий кут з площиною, що проходить через Сонце, спостерігача та ці кристали. Такі грані відбивають промені світла, що надходять, з відхиленням на 22°, утворюючи червоне з внутрішньої сторони гало, але воно може складатися і з усіх кольорів спектру. Рідше зустрічається гало з кутовим радіусом 46°, розташоване концентрично навколо 22-градусного гало. Його внутрішня сторонатеж має червоний відтінок. Причиною цього також є заломлення світла, що відбувається в цьому випадку на гранях кристалів, що утворюють прямі кути. Ширина кільця такого гало перевищує 2,5 °. Як 46-градусні, так і 22-градусні гало, як правило, мають найбільшу яскравість у верхній і нижній частинахкільця. 90-градусне гало, що зрідка зустрічається, являє собою слабо світиться, майже безбарвне кільце, що має загальний центр з двома іншими гало. Якщо воно пофарбоване, має червоний колір на зовнішній стороні кільця. Механізм виникнення такого типу гало остаточно не з'ясований (рис. 7).

Паргелії та дуги.Паргельське коло (або коло хибних сонців) - біле кільце з центром у точці зеніту, що проходить через Сонце паралельно горизонту. Причиною його утворення є відображення сонячного світла від граней поверхонь кристалів льоду. Якщо кристали досить рівномірно розподілені повітря, стає видимим повне коло. Паргелії, або помилкові сонця, - це плями, що яскраво світяться, нагадують Сонце, які утворюються в точках перетину паргелічного кола з гало, що мають кутові радіуси 22°, 46° і 90°. Найчастіше утворюється і найяскравіший паргелій формується на перетині з 22-градусним гало, зазвичай пофарбований майже у всі кольори веселки. Помилкові сонця на перетинах з 46- та 90-градусними гало спостерігаються набагато рідше. Паргелії, що виникають на перехрестях з 90-градусними гало, називаються парантеліями, або хибними протисонцями. Іноді видно також антелій (протисонце) - яскрава пляма, розташована на кільці паргелію точно навпроти Сонця. Передбачається, що причиною виникнення цього явища є подвійне внутрішнє відображеннясонячного світла. Відбитий промінь проходить тим самим шляхом, як і падаючий промінь, але у напрямі. Околозенітна дуга, іноді неправильно звана верхньою дотичною дугою 46-градусного гало, - це дуга в 90° або менше з центром у точці зеніту, розташована вище Сонця приблизно на 46°. Вона буває видна рідко і лише протягом декількох хвилин, має яскраві кольори, причому червоний колір приурочений до зовнішнього боку дуги. Околозенітна дуга примітна своїм забарвленням, яскравістю і чіткими обрисами. Ще один цікавий та дуже рідкісний оптичний ефект типу гало – дуги Лівиця. Вони виникають як продовження паргеліїв на перетині з 22-градусним гало, проходять із зовнішнього боку гало і злегка увігнуті у бік Сонця. Стовпи білуватого світла, як і різноманітні хрести, іноді видно на світанку або на заході сонця, особливо в полярних регіонах, і можуть супроводжувати як Сонцю, так і Місяцю. Часом спостерігаються місячні гало та інші ефекти, подібні до описаних вище, причому найбільш звичайне місячне гало (кільце навколо Місяця) має кутовий радіус 22°. Подібно до хибних сонців, можуть виникати помилкові місяці. Корони, або вінці, - невеликі концентричні кольорові кільця навколо Сонця, Місяця чи інших яскравих об'єктів, які спостерігаються іноді, коли джерело світла перебуває за напівпрозорими хмарами. Радіус корони менший за радіус гало і становить бл. 1-5°, найближчим до Сонця виявляється блакитне чи фіолетове кільце. Корона виникає при розсіюванні світла дрібними водяними крапельками води, що утворюють хмару. Іноді корона виглядає як пляма (або ореол), що світиться, навколишнє Сонце (або Місяць), яке завершується червонуватим кільцем. У інших випадках поза ореолу видно щонайменше двох концентричних кілець більшого діаметра, дуже слабко пофарбованих. Це супроводжується райдужними хмарами. Іноді краї дуже високо розташованих хмар пофарбовані яскравими кольорами.
Глорії (німби).У особливих умовах з'являються незвичайні атмосферні явища. Якщо Сонце знаходиться за спиною спостерігача, а його тінь проектується на прилеглі хмари або завісу туману, при певному станіатмосфери навколо тіні голови людини можна побачити кольорове коло, що світиться - німб. Зазвичай такий німб утворюється через відбиття світла крапельками роси на трав'яному газоні. Глорії також досить часто можна виявити навколо тіні, яку відкидає літак на хмари нижче.
Привиди Броккена.У деяких районах земної кулі, коли тінь спостерігача при сході або заході Сонця ззаду нього падає на хмари, розташовані на невеликій відстані, виявляється вражаючий ефект: тінь набуває колосальних розмірів. Це відбувається через відбиття та заломлення світла найдрібнішими крапельками води в тумані. Описане явище зветься "привид Броккена" на ім'я вершини в горах Гарц у Німеччині.
Міражі- оптичний ефект, зумовлений заломленням світла при проходженні через шари повітря різної щільності і виявляється у виникненні уявного зображення. Видалені об'єкти при цьому можуть виявитися піднятими або опущеними щодо їх дійсного положення, а також можуть бути спотворені та набути неправильних, фантастичних форм. Міражі часто спостерігаються за умов спекотного клімату, наприклад над піщаними рівнинами. Звичайні нижні міражі, коли віддалена, майже рівна поверхня пустелі набуває вигляду відкритої води, особливо якщо дивитися з невеликого піднесення або просто перебувати вище шару нагрітого повітря. Подібна ілюзія зазвичай виникає на нагрітій асфальтованій дорозі, яка далеко попереду виглядає як водяна поверхня. Насправді ця поверхня є відбитком піднебіння. Нижче за рівень очей у цій "воді" можуть з'явитися об'єкти, зазвичай перевернуті. Над нагрітою поверхнею суші формується "повітряний листковий пиріг", причому найближчий до землі шар - нагрітий і настільки розріджений, що світлові хвилі, проходячи через нього, спотворюються, оскільки швидкість їхнього поширення змінюється залежно від щільності середовища. Верхні міражі менш поширені і більш мальовничі проти нижніми. Видалені об'єкти (часто перебувають за морським горизонтом) вимальовуються на небі в перевернутому положенні, інколи ж вище з'являється ще й пряме зображення тієї самої об'єкта. Це типове для холодних регіонів, особливо при значній температурній інверсії, коли над більш холодним шаром знаходиться більше теплий шарповітря. Цей оптичний ефект проявляється внаслідок складних закономірностей поширення фронту світлових хвиль у шарах повітря з неоднорідною щільністю. Іноді виникають дуже незвичайні міражі, особливо у полярних регіонах. Коли міражі з'являються на суші, дерева та інші компоненти ландшафту перевернуті. У всіх випадках у верхніх міражах об'єкти видно чіткіше, ніж у нижніх. Коли кордоном двох повітряних мас є вертикальна площина, часом спостерігаються бічні міражі.
Вогні святого Ельма.Деякі оптичні явища в атмосфері (наприклад, світіння та найпоширеніше метеорологічне явище – блискавка) мають електричну природу. Набагато рідше зустрічаються вогні святого Ельма - блідо-блакитні або фіолетові кисті, що світяться, довжиною від 30 см до 1 м і більше, зазвичай на верхівках щог або кінцях рей, що знаходяться в морі суден. Іноді здається, що такелаж судна покритий фосфором і світиться. Вогні святого Ельма часом виникають на гірських вершинах, а також на шпилях та гострих кутах високих будівель. Це явище є кистьові електричні розряди на кінцях електропровідників, коли в атмосфері навколо них сильно підвищується напруженість електричного поля. Блукаючі вогники - слабке світіння блакитного або зеленуватого кольору, яке іноді спостерігається на болотах, цвинтарях та в склепах. Вони часто виглядають як піднесене приблизно на 30 см над землею, що спокійно горить, не дає тепла, полум'я свічки, що на мить зависає над об'єктом. Вогник здається абсолютно невловимим і при наближенні спостерігача переміщується в інше місце. Причиною цього явища є розкладання органічних залишків і самозаймання болотного газу метану (СН4) або фосфіну (РН3). Блукаючі вогники мають різну форму, іноді навіть кулясту. Зелений промінь - спалах сонячного світла смарагдово-зеленого кольору, коли останній промінь Сонця ховається за горизонтом. Червона складова сонячного світла зникає першою, решта - по порядку слідом за нею, і останньою залишається смарагдово-зелена. Це явище виникає лише тоді, коли над горизонтом залишається тільки самий краєчок сонячного диска, а інакше відбувається змішання кольорів. Сутінкові промені - пучки сонячного світла, що розходяться, які стають видимими завдяки освітленню ними пилу у високих шарах атмосфери. Тіні від хмар утворюють темні смуги, а між ними поширюються промені. Цей ефект спостерігається, коли Сонце знаходиться низько над горизонтом перед світанком або після заходу сонця.