Атмосферадағы физикалық процестер

Атмосфера – жердің ауа қабығы, жер қабықтарының ішіндегі ең сыртқысы. Ол біздің планетамыздың басқа қабықтарымен үздіксіз өзара әрекеттесіп тұрады және оған үнемі Космостың әсері, бәрінен де бұрын Күннің әсері тиіп тұрады.

Атмосфераның бүкіл массасының қабатында, 50% – не жуығы оның төменгі 5 километрлік қабатында, 75 % -і 10 километрлік қабатында, ал 90 % -і 16 километрлік қабатында шоғырланған. 3000 км – ден жоғарыда атмосфераның тығыздығы планета аралық кеңістіктің тығыздығынан аз–ақ айырма жасайды, дегенмен оның ізі 10000 км – ден артық биіктікте де байқалған.

Теңіз деңгейіндегі таза және құрғақ ауа бірнеше газдардың механикалық қосындысынан тұрады. Олардың ішіндегі негізгілері азот – 78,09% -, оттегі – 20,95% -, аргон – 0,93% -, көмірқышқыл газы – 0,03% -. Басқа газдар: неон, гелий, метан, криптон, ксенон, сутегі, азон, йодтың болмысы өте мардымсыз (0,1% -тен кем). Атмосфераның құрамдас бөліктері – азот пен оттегінің ара салмағы тұрақты болады.

100- 120 км биіктікке дейін ауа түгелдей сапырылысып жататындықтан атмосфераныңқұрамы біртектес болып келеді. Бұл қабат гомосфера, ал оның үстіндегі қабат, гетеросфера деп аталады. Гетеросферада атмосфераның құрамы биіктік бойынша өзгереді: 200- 250 км биіктікке дейін азот пен оттегі, 200 – 250 км – ден 500 – 700 км –ге дейін атомдық оттегі, одан жоғарыда гелий мен сутегі басым, соның өзінде олардың басым болатын қабатының төменгі шекарасы күнәрекеті күшіне сәйкес ауытқып отырады.

Су буы, озон және көмірқышқыл газы сияқты атмосфераның маңызды құрамдас бөліктерінің мөлшері мерзім бойынша да, кеңістікте де кең көлемде өзгеріп тұрады. Әсіресе ауаның температурасына байланысты су буы құрамының өзгерісі көзге түседі. Полярлық аудандарда жер бетіне іргелес ауа бар болғаны 0,2 % ал экваторлық аудандарда 3 % – тей ылғал ұстайды. Ауада неғұрлым су буы көп болса, соғұрлым басқа газдар аз болады, бірақ олардың өзара қатынасы өзгермейді. Биіктік артқан сайын су буы мөлшері азая береді: 2 км шамасындағы биіктікте 2 есе, 8 км биіктікте 100 есе азаяды, ал 10 – 15 км –ден жоғарыда ауада су буы өте аз болады.

Атмосфераның Жер бетінен 70 км- ге дейінгі аралықтағы қабатында кәдімгі оттегі (О₂) молекулаларының ыдырауынан және оның атомдарының қайтадан түзілуінен пайда болатын үш атомды оттегі – озон (О₃) қатынасады. Атмосфераның төменгі қабаттарында озон кездейсоқ себептердің (найзағай ойнуы, кейбір органикалық заттардың тотығуы) әсерінен пайда болады, неғұрлым биік қабаттарда күннің ультра күлгін радиациясының әсерімен түзіледі де, оны сіңіріп алады. Озонның ең көп концентрациясы 22 мен 25 км аралығындағы биіктік. Мұнда жануарлар мен өсімдіктерді құртып жіберетін толқын ұзындығы 0,29 микронға дейін баратын ультра кулгін радиацияны жұтып алатын «экраны» («фильтрі») орналасады. Бұл радиацияның озон «экранынан» өтетін мардымсыз бөлігі көптеген микроорганизмдерді өлтіріп, адам организміне пайдасын тигізеді. Атмосферадағы озонның жалпы мөлшері онша көп емес. О⁰С температура және жер бетіндегі дағдылы қысымдаол түгелдей 3 мм қабатқа сиып кете алады. Ауадағы озон мөлшері маусымға байланысты өзгереді: көктемде көбейеді, күз бен қыста азаяды. Ол жоғары ендіктерде қалыптасқан ауа массаларында төмен ендіктердің ауа массаларына қарағанда көп болады.

Атмосферада көмірқышқыл газ (СО көміртегінің қос тотығы) су буы мен озонға қарағанда анағұрлым аз. Көмір, мұнай,газ жағу және баска адам әрекетімен болған процестер афтосферада бұл газдың айтарлықтай көбеюіне әкеліп соғады ( ғ.басынан бері 0.033 –ке дейін)

Көмірқышқыл газы өсімдік үшін қажет. Оның атмосферадағы мөлшерін реттестіріп отыруда. Дүние жүзілік мұхиттың мәні бар. Газ тәріздес құрамдас бөліктерден басқа әрқашан атмосферада пайда болуы жағынан мөлшері, формасы химиялық құрамы және физикалық қасиеттері алуан түрлі қалықтап жүретін майда бөлшектер (түтін, шаң, су буының конденсациялануынан бөлінген заттар) – аэрозолдық қоспалар бар. Жайылма беттен атмосферадағы топырақ бөлшектері, тау жыныстарының үгінділері, вулкандық тозаңы теңіз тұзы, түтін органикалық бөлшектер (микроорганизмдер, өсімдік тозаңдары) түседі. Атомдық жарылыс кезінде радиоактивтік заттары бар аэрозолдық бөлшектер пайда болады. Планетааралық кеңістіктен жер атмосферасына космостық шаң – тозаң да түседі.Атмосфераның 100 км биіктікке дейінгі қабатында жер бетіне баяу қонып жататын 28 млн.т. астам космостық щаң – тозаң бар. Аэрозолдардың жалпы салмағы 10 кем соқпайды, бірақ олардың саны өте тұрақсыз. Аэрозолдықбөлшектер бір қатар атмосфералық процестердің өрбуіне қатынасады. Ең майда конденсация ядросы – тұман мен бұлақтардың түзілуі үшін қажет. Зарядталған аэрозолдармен атмосферадағы электр құбылыстары байланысты.

Атмосфера жақсы изолятор емес; ол ионизаторлар: Күннің ультракүлгін сәуледе шашуының, космостық сәулелердің жер қыртысы мен атмосферадағы радиоактивтік заттардың сәуле шашуының әсерінен электр өткізгіштік қасиетке ие болады.

Ионизаторлар атомдар мен молекулаларға олардың қабықтарынан электрон бөлініп шығаруға жетерліктей энергия береді, бөлінген электрон бірден басқа атомға немесе молекулаға қосыла кетеді. Осының нәтижесінде бірінші атом (молекула) нейтраль жағдайдан оң зарядтыға айналады, екіншісі теріс зарядқа ие болады. Теріс және оң зарядты майда бөлшектер – иондар осылай пайда болады.

Ионданумен бір мезгілде нейтраль бөлшектер қалпына келеді – қайта сарапталу жүреді; сондықтан атмосферадағы иондардың саны үздіксіз көбейе бермейді. Зарядталған бөлшектерге ауаның молекулалары қосылып, жеңіл ион дейтіндерді түзеді. Аэрозолдарға қосылып, оларға өздерінің зарядтарын беру арқылы жеңіл иондар ірірек ауыр иондар түзеді. Атмосфераның иондануы иондардың концентрациялануын олардың 1 см³ – дегі мөлшеріне қарай байқалады.

Атмосфераның электр өткізгіштігі иондардың концентрация мен қозғалғыштығына байланысты. Биіктеген сайын иондардың концентрациясы күшейе түсетіндіктен электр өткізгіштік те арта береді де, 100 – 250 км биіктікте максималдық жағдайына жетеді.

Атмосферадағы зарядтар мен жер бетіндегі зарядтардың бірге әрекет жасауының нәтижесінде атмосфераның электр өрісі пайда болады. Жер бетімен салыстырғанда атмосфераоң зарядталған. Атмосфера мен жер бетінің арасында оң иондар мен (жер бетінен) теріс иондардың (жер бетіне қарай) тоқтары пайда болады. Атмосфераның төменгі қабаттарындағы электр өрісі өте тұрақсыз болады. Электр құрамына қарай атмосферада нейтраль құрамды қабат – нейтросфера (80 км биіктікке дейін) және ионданған қабат – ионосфера ажыратылады.

Температураның өзгеру сипатына қарай атмосфераны – тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфераға бөледі. Сфералар бір – бірінен өтпелі қабаттар – паузалармен; тропо-, страто-, мезо-, термопаузалармен бөлінген.

Торпосфера атмосфера массасының 80% – тен астамына ие болады. Атмосфераның су буы түгелдей дерлік тропосферада болады. Тропосфераның жоғарғы шекарасы экваторда барынша биік (17 км), ал полюстерде 8 – 10 км – ге дейін төмендейді. Қоңыржай ендіктерде тропосфераның орташа биіктігі 10 – 12 км. Тропосфераның жоғарғы шекарасының ауытқуы температураға байланысты: қыста бұл шекара биігірек, жазсда төменірек орналасады. Бір тәулік ішіндегі оның ауытқуы бірнеше км –ге жетуі мүмкін.

Тропосферада температура жер бетінен тропаузаға дейін орта есеппен әрбір 100 м-ге 0,6⁰ төмендейді. Тропосферада ауа үнемі сапырылысып отырады, бұлт пайда болады, жауын – шашын жауады. Ауаның горизонталь алмасуында батыстан шығысқа бағытталған қозғалысы басым орын алады.

Тропосфераның тікелей жер бетіне жанасып жатқан қабаты жер бетіне іргелес қабат деп аталады. Бұл қабаттағы физикалық процестер жер бетінің әсеріне байланысты ерекше өтеді. Мұнда температураның тәулік ішіндегі және оның жыл бойындағы өзгерістері ерекше анық байқалады.

Тропопауза – тропосферадан стратосфераға қарай өтпелі қабат. Тропопаузаның биіктігі және температурасы ендікке байлансыты өзгереді. Экватордан полюстерге қарай тропопауза аласара береді, бірақ бұл аласару бірқалыпты жүрмейді 30 – 40⁰ С және о.е. маңында тропопаузаның тұрақты үзілісі пайда болады. Соның нәтижесінде тропопауза тропиктік және полярлық бөліктерге бөлініп 35 – 40⁰ ендікте бірінің үстінде бірі орналасады. Неғұрлым тропопауза биік болса, соғұрлым оның температурасытөмен болады. Тек полярлық аудандарда ғана тропопауза әрі төмен, әрі салқын болады. Ең төмен температура 92⁰С тропопаузада байқалған.

Стратосфера тропосферадай емес ауа өте сирек, су буы мүлде жоқтың қасы, озон біршама мол, озонның ең көп концентрациясы 22 – 27 км биіктік. Бұл биіктікте майда мұз кристалдары мен ұсақ су тамшыларынан тұратын жұқа – перламутр бұлттар байқалады. Стратосфераның төменгі шекерасындағы температура экватордың үстінде жыл бойы – 74⁰С маңында полюстердің үстінде онан жоғары. Солтүстік жарты шарда январьда – 64 –⁰С, – 68⁰С, июльде – – 42⁰С, – 43⁰С. Биіктеген сайын температура жоғарылай береді де, стратопаузаға барғанда ⁰С +10⁰С жетеді.

Температура полюстердің үстіне қарағанда экватордың үстінде әр уақытта жоғары болады (әсіресе қысқы жарты шарда). Экваторлық және полярлық аймақтардағы температураның айырмасы ауаның горизонталь бағытта ауысу себебінен болады. 18 – 20 км- де биікте жел қыс – батыс, жаз – шығыс бағытта соғады. Конвекция дамымаған.

Мезосфера биіктіктен температураның айтарлықтай құлдилауымен сипатталады: төменгі шекарасында 0⁰С –тан 75 -80 км биіктікте – 75⁰С дейін және одан да төмен түседі, бұл биіктікте төмендеп келген температура қайтадан жоғарылай бастайды. Жаз бұл өңірде майда мұз кристалдарынан, мүмкін космостық шаң – тозаңның өте майда шоғырларынан тұратын жұқа жарқыраған күміс бұлттар пайда болады. Олардың араласуынан бұл биіктікте желдің бағыты мен жылдамдығының өте құбылмалы екендігі байқалады (сағатына 50 км –ден бірнеше жүз км –ге дейін).

Термосферада температура биіктік артқан сайын қайтадан жоғарылайды да, 100 км биіктікте 0⁰С – тан өтеді. Ол 150 км биіктікте +220-240 ⁰С – қа жетіп үлгіреді, 200 км биіктікте + 500 ⁰С маңында, 600 км биіктікте +1500 ⁰С. Күннің күшті әрекетіне байланысты термосфераның полярлық аймақтарында тығыздығы да (жүздеген есе), температурасы да (жүздеген градусқа) өзгеріп тұрады.Тропосферадағы газ бөлшектерінің қозғалыс жылдамдығы орасан зор, бірақ кеңістіктің барынша селдір болуына байланысты олар өте сирек соқтығысады. Сондықтан жоғары температура сезілмейді. Термосфера ионданған өте селдір газдың сферасы, сондықтан да оны ионосфера деп атайды. Термосферада негізгі ионданған мынадай төрт қабат ажыратылады: Д (биіктікте 80 км), Е (110км), F₁ (120 км) және F₂ (250-400км). Бұл қабаттар күндіз айқын байқалады, түнде Е қабаты байқалмайды деуге болады, F₁ және F₂ қабаттары қосылып кетеді. Иондану қабаттары кейде секундына 40– 80 км жылдамдықпен вертикаль бағытта қозғалысқа түседі. Иондану арқылы термосфера электр өткізгіштік қасиетке ие болады. Онда қуатты электр токтары өтіп жатады.

Термосферадағы бөлшектердің қозғалысына магнит өрісі әсерін тигізеді. 400 км –ден биікте бұның әсері басым. Магнит күші сызықтарын бойлап созылып жатқан зарядталған бөлшектердің бұлттары сағатына жүздеген км жылдамдықпен ауысып жатады. Күн әркетіне байланысты термосферада поляр шұғыласы пайда болады.

Экзосфера – тек шартты түрде шектелген сыртқы сфера шашырау сферасы, одан газдар планета аралық кеңістікке қайтып кете алады. Ол әлі аз зерттелген. Зерттеушілердің болмауына экзосферадағы температура 2000 ⁰С – қа жетеді; бір – бірінен алшақ жатқан өте тез қозағалатын бөлшектер бір – біріне соқтығыспайды деуге болады. Көбінесе экзосферадан оның жоғарғы (2000 км –ден биік қабаттарында үстем болатын сутегі атомдары кетіп жатады. Бұл сутегі жер тәжін құрайды.

Атмосфераның төменгі тікелей зерттеуге келетін қабаттары көбірек зерттелген. Жоғары жатқан қабаттардың құрылысы мен құрамы ұзақ уақыт бойы қосалқы белгілеріне қарап болжамдалынып келді. Мәселен, метеориттердің жануы атмосфераның 100 км – ден биікте айтарлықтай тығыз екендігін көрсетті, перламутр және күміс бұлттар сәйкес биіктіктерде су буы бар екендігін болжауға мүмкіндік береді, ымырт құбылыстары, атмосферадағы дыбыстың таралуы оның құрылысы туралы тұжырымдар үшін мәлімет береді.т.т.

Тек ХХ ғ. 30 жылдарында ғана тұңғыш шар – зондтар (приборларды алып ұшатын резина шарлар, шар жарылғаннан кейін приборлар парашютпен түседі) көтерілді. Қазірге кезде Жерде 600 – ден астам радиозонд станциялары жұмыс істейді.

Жерге сигнал – мәліметтер беретін радиозондтар құрлықтан және кемеден ұшырылады. Радиолокаторлар да қолданылады. 1933 ж. бастап адам тікелей стратосфераға өте бастады. Атмосфераны зерттеуде ракеталалдың бергені көп. Олардың көтерілу жылдамдығы салмағы 1000 кг болғанда 8000 км/сағ дейін жетеді.