до какой высоты распространяется стратосфера
Расположение стратосферы
В число составных частей строения земной атмосферы входит стратосфера. На нее приходится 20% от общего объема воздушного запаса. Стратосфера по высоте в км от Земли является вторым атмосферным слоем от поверхности планеты из 5 основных.
Расположение и высота от Земли
Эта атмосферная область размещается между нижележащей тропосферой и вышележащей мезосферой. Она начинается сразу после тропопаузы. Такая переходная часть отделяет тропосферу от стратосферы. Тропопауза размещается примерно в 10 км над полюсами Земли, постепенно повышаясь к экватору.
Контур нижней границы стратосферы напрямую зависит от расположенной под ней переходной части атмосферы. Тропопауза имеет неровные очертания. Это обусловлено зависимостью ее высоты от местонахождения сильных климатических явлений: над антициклонами она находится выше, а над циклонами — ниже. За тропопаузой, повторяя ее ломаные очертания, располагается слой стратосферы.
Эта часть строения атмосферы по высоте охватывает пространство между 11 км и 50 км от поверхности земного шара. Ее нижняя граница проходит в 11 км над Землей возле полюсов. По направлению к экватору она становится все выше и на 0° широты доходит до 18 км над поверхностью планеты. Верхняя граница слоя размещается на высоте 50-55 км над Землей.
Строение стратосферы
По своему устройству эта часть атмосферы включает 4 слоя. К ним относятся:
Общая высота этой области составляет около 40 километров. Нижняя часть занимает пространство от 11 до 25 км, а верхняя (она же — область инверсии) — от 25 до 50 км. Такое разделение напрямую связано с расположением озонового щита.
Слой из этого вещества распространяется на всю стратосферу и даже выходит за ее верхнюю границу. Озоносфера начинается на высоте 15-20 км. Заканчивается она в 55-60 км над Землей, т.е. уже в мезосфере. Образование озона осуществляется через фотохимические реакции или процесс взаимодействия кислорода с ультрафиолетом. Их наибольшая интенсивность зафиксирована на высоте 30 км. Но максимальная концентрация вещества размещается в 25 км над земным шаром. По этой причине стратосфера делится на 2 части на этом уровне.
Свойства и особенности
В состав стратосферы входит 90% озона от его общего содержания в атмосфере планеты Земля. Кроме этого вещества и кислорода она включает различные загрязнения. Но разреженных пылевидных частиц в ней вдвое меньше, чем сульфатных аэрозольных. По плотности воздух в этой части атмосферы в сотни раз уступает тому, который находится на уровне моря.
Озоновый слой, расположенный внутри этой области, служит щитом, защищающим планету от опасного радиоактивного излучения Солнца — ультрафиолета (УФ). Также этот своеобразный барьер является предельной границей биосферы, т.е. зоны обитания живых организмов. Условия выше него не подходят для чьего-либо существования. Поэтому жизнь есть только под озоносферой. Это значит, что по обитаемости стратосфера состоит из 2 частей. Нижняя (под озоновым щитом) населена живыми организмами. Верхняя, над ним — необитаема.
Несмотря на большое пространство, занимаемое озоносферой, общего количества вещества, собранного в отдельный сплошной слой вокруг планеты, при нормальном давлении хватило бы на создание щита толщиной 1,7-4 мм.
Стратосфера по своей структуре является более однородной, чем нижележащая тропосфера. Из-за характерного для газа снижения плотности с увеличением высоты коэффициент диэлектрической проницаемости в ней равняется 1. Поэтому стратосфера слабо влияет на радиоволновое распространение.
В этой области атмосферы задерживается преимущественная часть УФ-излучения. Там же преобразуется энергия его составляющих — коротких волн. Эти лучи обусловливают такие явления и реакции, как:
Такие процессы отражаются в форме различных небесных свечений — зарниц, северных сияний и т.д.
Для стратосферы свойственно мизерное содержание водяного пара. Как следствие, в ней практически полностью отсутствует облачность. Эта характеристика делает стратосферу подходящей областью атмосферы для совершения полетов, т.к. в ней стабильные условия. Большинство современных сверхзвуковых самолетов коммерческого и военного назначения летают в этой зоне на уровне 20 км над планетой.
Температурные колебания
В отличие от тропосферы, в стратосфере температура воздуха возрастает. В предшествующей ей тропопаузе этот показатель перестает снижаться с повышением высоты. Эта особенность сохраняется и в нижней части слоя стратосферы, размещающейся на высоте от 11 до 25 км. В этой области температура имеет практически неизменные значения.
На высоте 40 км температурные показатели воздуха доходят до 0°C (если точнее, то до +273 К). Это значение остается неизменным до 55 км над Землей, где кончается стратопауза, служащая границей, отделяющей стратосферу от мезосферы.
Вертикальное строение атмосферы
Тропосфера
Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза
Мезосфера
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Граница атмосферы Земли
Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.
Термосфера
Термопауза
Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.
Экзосфера (сфера рассеяния)
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре
150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Стратосфера
Из Википедии — свободной энциклопедии
Стратосфе́ра (от лат. stratum «настил, слой») — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 °С до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 0 °C, температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Плотность воздуха в стратосфере в десятки и сотни раз меньше, чем на уровне моря.
Стратосфера представляет более однородную среду по сравнению с тропосферой. Так как плотность газа уменьшается с высотой, то относительная диэлектрическая проницаемость в стратосфере ≈1, она оказывает меньшее влияние на распространение радиоволн.
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой»; на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте
30 км. Общий объём О3, будь он сконцентрирован в одном отдельном слое, составил бы при нормальном давлении сплошной слой толщиной всего 1,7—4,0 мм.
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.
В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО2 и Н2, выше 150 км — О2, выше 300 км — N2 [1] ). На высоте 200—500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряжённых частиц (О + 2, О − 2, N + 2) составляет
1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН·, НО·2 и др.
Стратосфера
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте
30 км. Общий объём О3, будь он сконцентрирован в одном отдельном слое, составил бы при нормальном давлении сплошной слой толщиной всего 1,7—4,0 мм.
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.
В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО2 и Н2, выше 150 км — О2, выше 300 км — N2). На высоте 200—500 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряжённых частиц (О+2, О−2, N+2) составляет
1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•2 и др.
В стратосфере почти нет водяного пара.
Связанные понятия
Связанные понятия (продолжение)
В настоящее время Марс — наиболее интересная для изучения планета Солнечной системы. Поскольку он обладает атмосферой, хотя и очень разреженной, по сравнению с земной, можно говорить о процессах в ней, формирующих погоду, а следовательно, и климат. Он не особо благоприятен для человека, однако наиболее близок к существующему на нашей планете. Предположительно в прошлом климат Марса мог быть более тёплым и влажным, а на поверхности присутствовала жидкая вода и даже шли дожди.
Воздушные массы — большие объёмы воздуха в нижней части земной атмосферы — тропосфере, имеющие горизонтальные размеры во много сотен или несколько тысяч километров и вертикальные размеры в несколько километров, характеризующиеся примерной однородностью температуры и влагосодержания по горизонтали.
«Прыгать будете почти из космоса». Как в СССР ныряли в пустоту с высоты 25 километров
Земля нас не держала. Слишком скучно, слишком много тайн над головой. Одиночки поднимались высоко, но всегда находились те, кто взбирался еще выше. Несмотря на экстремальные условия и угрозу жизни. Еще до первого полета Гагарина в космос были смельчаки, отрывавшиеся от Земли на десятки километров. Иногда они возвращались обратно лишь с сединой в волосах, а иногда им не везло и они с почестями укладывались под Кремлевскую стену. Рассказываем о героях, штурмовавших стратосферу.
Парашюты для космонавтов
— Требуется испытать новое высотное снаряжение в условиях стратосферы. Прыгать будете почти из космоса. Командование предлагает поручить эти испытания вам, — такими словами весной 1962 года полковник ВВС СССР Романюк встретил майора Евгения Андреева и полковника Петра Долгова. Этим двум парашютистам-испытателям предстояло стать участниками секретного эксперимента «Звезда» в рамках советской космической программы.
Курировал эксперимент лично Сергей Королев. Конструктор хотел отработать неожиданные сценарии чрезвычайных происшествий при спуске космических кораблей. Все-таки отечественные аппараты жизнеобеспечения космонавтов, особенно на этапе приземления, требовали серьезной доработки. Всего за полтора года до этого первый человек слетал в космос на корабле «Восток-1», и когда пришло время приземляться, по плану полета Гагарин катапультировался на высоте семи километров в своем герметичном скафандре. Ни о какой «мягкой посадке» аппарата и речи не было.
Королев же хотел по максимуму отработать все нештатные ситуации. И была вероятность того, что космонавтам придется досрочно катапультироваться на еще большей высоте — в стратосфере. Там плотность воздуха в десятки и сотни раз меньше, а потому куполу парашюта практически не на что опереться.
Как попасть в стратосферу?
Стратосферой принято считать слой атмосферы нашей планеты на высоте от 11 до 50 км над поверхностью. Нынешние пассажирские самолеты летают на высоте 9—12 км. Высоту выбирают в зависимости от сопротивления воздуха и эффективного расхода топлива. Чем выше мы поднимаемся, тем разреженнее становится воздух, а потому совсем уж высоко забраться не получится, ведь лайнер потеряет устойчивость на воздушных волнах. Только махины наподобие «Конкорда» или Lockheed SR-71 могли позволить себе подняться на высоту 18 или 29 км соответственно.
А потому неудивительно, что 100 лет назад добраться до стратосферы своим ходом человеку можно было либо полетом фантазии, либо подъемом на воздушном шаре. Естественно, специально сконструированном — с емким баллоном из тонкого и плотного пластика, который мог бы вместить тысячи кубометров водорода или гелия.
Разреженный воздух и экстремально низкие температуры требовали надежных и герметичных гондол для экипажа. В них нужно было организовать как системы регенерации воздуха, так и механизмы терморегуляции для поддержания комфортной температуры внутри. В общем, полеты в стратосферу всегда были рисковым занятием.
Риск — дело благородное
Эксперимент был назначен на 1 ноября 1962 года. Полковник Долгов был облачен в обычный космический скафандр тех лет с прозрачным гермошлемом, системами обогрева и жизнеобеспечения. И, самое главное, с экспериментальным парашютом, который он сам же дорабатывал и тестировал все полгода до прыжка. Этот парашют полковник должен был раскрыть сразу же после того, как покинет гондолу на высоте 25 км.
Его коллега майор Андреев надел высотный противоперегрузочный костюм. У него была другая задача — падать без раскрытия парашюта до высоты в 1000 метров.
У обоих офицеров за плечами было уже за тысячу прыжков на каждого. Притом часто прыжков опасных, с новыми экспериментальными парашютами, чьи купола гасли, стропы путались, а системы катапультирования не всегда срабатывали как следует. И Андреев, и Долгов знали цену риску, понимали, на что идут.
Испытателей перед стартом подвергли десатурации — продули легкие кислородом для того, чтобы вывести из организма азот. При поднятии на большую высоту и резком снижении атмосферного давления этот газ может вызвать высотную декомпрессионную болезнь. На высоте более 20 км при резкой разгерметизации капсулы возможно «закипание» жидкостей в организме — в крови, лимфе и межтканевой жидкости образовываются парогазовые пузырьки.
Андреева и Долгова ждал подъем на высоту 25,5 км, а затем резкое падение. А потому бездумно рисковать никто не собирался. История подъемов в стратосферу и так знавала много трагедий.
Стратостат «Осоавиахим-1» и трое погибших
На первом в мире стратостате швейцарец Огюст Пикар в мае 1931 года поднялся на высоту 15 785 метров для того, чтобы исследовать космические лучи. Не сказать, что во время этого полета все прошло гладко: в сферической герметичной гондоле из алюминия нашли щель, которую пришлось быстро заделывать паклей и вазелином, были разбиты аппарат со сжатым воздухом и ртутный барометр.
Буквально за полчаса пилоты поднялись на максимальную высоту, но на землю смогли вернуться только спустя 17 с половиной часов. Дело в том, что веревка для стравливания воздуха через клапан шара запуталась. Тем не менее Пикар и его помощник остались живы.
А вот экипажу советского стратостата «Осоавиахим-1» повезло меньше. Его полет несколько раз откладывали из-за плохих погодных условий. Но к январю 1934 года и очередному съезду компартии все наконец было готово. Конечно, риск зимнего полета был высок. Это отмечал и командир экипажа, опытный аэронавт Павел Федосеенко. Тем не менее на гондолу стратостата установили самое передовое оборудование, созданное в стенах Главной геофизической обсерватории, и 180 кг балласта. Предполагалось, что «Осоавиахим-1» с экипажем из трех человек поднимется на высоту 20,5 км.
И стратостату это удалось. «Говорит „Сириус“! Время сейчас 11:16. Высота по альтиметру 20 500 метров», — передали на землю члены экипажа. Это было одно из последних сообщений. Около полудня связь прервалась.
Разбитую гондолу и трех мертвых членов экипажа нашли спустя пять часов.
Согласно записям в бортжурнале и показаниям приборов экипаж поднялся на высоту 22 км, после чего начал плавное и медленное снижение. Но на высоте 12 км температура газа в шаре стратостата и температура наружного воздуха практически сравнялись, скорость снижения выросла до 15 м/с, а балласт экипаж сбросить не успел. Не успели пилоты и открыть люк, чтобы выпрыгнуть с парашютами из падающей гондолы, — он был завинчен 12 болтами. Когда на высоте полутора-двух километров гондола оторвалась от шара, экипажу оставалось лишь десяток секунд болтаться в хаотично вращающейся кабине, пока она не ударилась о землю.
Прах всех троих пилотов был захоронен в Кремлевской стене.
Умер практически мгновенно
К 7 часам утра 1 ноября 1962 года советские стратостаты уже не сваливались в бесконтрольное падение. В это время Андреев и Долгов заняли свои места в гондоле «Волга», которая имитировала спускаемый аппарат космического корабля «Восток-1».
«Когда мы впервые увидели стратостат, удивили его размеры, сложная аппаратура. Большая герметичная кабина имела два отсека — командирский и экспериментальный», — вспоминал Андреев в своей книге «Небо — вокруг меня».
Ко времени полета экипаж уже хорошо изучил стратостат, проведя несколько тестовых подъемов на небольшую высоту
В днище гондолы располагался шлюзовой колодец. Через него с помощью простейшей катапульты должен был выпасть Андреев. Как уже отмечалось, раскрыть парашют ему следовало лишь в километре над землей. По расчетам скорость падения должна была достичь 900 км/ч.
Спустя 78 секунд следом за напарником шагнуть в пустоту должен был Долгов. Ему предстояло сразу раскрыть парашют и коснуться ногами земли спустя 38 минут.
В 7 часов и 44 минуты последовала команда на старт. «Нет привычного грохота двигателей, стоит тишина, только ожили стрелки многочисленных приборов», — замечает Андреев.
Через иллюминаторы экипаж наблюдает, как небо из бледно-голубого превращается в сине-фиолетовое, а затем и вовсе чернеет. Тем временем датчики снимают данные о пульсе, артериальном давлении, частоте дыхания, работе сердца экипажа. Приборы показывают, что за бортом минус 61 градус по Цельсию.
Спустя 2 часа и 20 минут гондола поднимается на высоту 25 458 метров — прибыли, время начинать эксперимент. Стартует разгерметизация кабины, в костюм Андреева под избыточным давлением поступает кислород. Долгов через стеклянную гермоперегородку улыбается и желает напарнику счастливого пути.
«Резко сжимаю рычаги кресла и выстреливаюсь в пустоту», — рассказывает Андреев в книге. В падении он переворачивается на спину и видит, как в «беспредельной темноте черного неба светятся звезды». На высоте 12 км майор разворачивается лицом к Земле и видит Волгу с ее многочисленными притоками. Поверх костюма есть морской спасательный жилет, но Андреев решает направиться к громадному полю. Вытяжное кольцо дергать не приходится, парашют открывается автоматически. А дальше самое простое: приземлился, расстелил купол на земле и лег в его центре, ожидая поисковую команду.
«Напряженно вглядываясь в небо, увидел далеко в стороне два раскрытых купола, на которых снижался друг. Но Петра Ивановича уже не было в живых», — еще одна цитата из книги.
Еще 300 метров тело Долгова волочилось по земле за куполом высотного парашюта. В гермошлеме испытателя была маленькая дырочка размером около сантиметра. Как предположило расследование, после катапультирования Андреева гондола еще долго раскачивалась. В момент, когда полковник Долгов собирался прыгнуть за коллегой, он ударился шлемом о болт крепления люка. Его скафандр мгновенно разгерметизировался.
Посмертно полковнику присвоили звание Героя Советского Союза. В его честь назвали улицу в Москве. Это был первый и последний полет стратостата «Волга». Больше гигантские шары и гондолы в небо СССР не поднимались.