в каком слое атмосферы летают самолеты
Кто и что, где летает.
Слои, ярусы, эшелоны, зоны (коридоры)
У лука есть слои, у людоеда есть слои. (с) Шрек
Судя по огромному количеству вопросов к статьям о «наковальне» и облаках «хорошей погоды», я начала немного не с того. Исправляюсь. Поговорим о том, что и кто, где летает. Сразу оговорюсь, картинки на разных языках, но там ничего непонятного для думающего человека нет. А некоторые настолько меня развеселили, что я не смогла удержаться и не вставить их 😉
Как говаривал незабвенный Шрек, много у чего есть слои, в том числе и у нашей атмосферы. Мы помним (а может, и нет) из природоведения и географии, что где-то там у нас над головой есть какие-то …сферы и …паузы. Перечислять их не буду, на картинках это и без перевода понятно. Нужны нам по тем темам, что я описываю, тропосфера и стратосфера.
Что такое тропосфера
Самое интересное разворачивается в тропосфере, где-то примерно до уровня тропопаузы, а это от 8 до 18 км над уровнем моря. Почему такой большой разброс высот?
Когда пассажиры спрашивают, не холодно ли будет наверху, я заявляю: «Прохладнее от силы на пару градусов», т.к. мы летаем в пределах 300–500 м.
От земли до тропопаузы температура воздуха планомерно понижается на 0,5 – 1 градус Цельсия каждые 100м. (И когда меня перед полётом на воздушном шаре пассажиры спрашивают, не холодно ли будет наверху, я со всей ответственностью заявляю: «Прохладнее от силы на пару градусов». Так как мы летаем в пределах 300 – 500 метров).
Где и как живут облака
Начнём с облаков. Они живут в тропосфере (за редким исключением). Облака как раз и являются «продуктами жизнедеятельности» этого пространства.
Для облаков в тропосфере тоже есть свои слои и называются они ярусы. Нижний, средний и верхний. Некоторые облака живут одновременно во всех, как наша любимая «наковальня». Но в основном облака имеют чётко определённые высоты своего пребывания и не заходят за их границы.
Если не сильно углубляться в подробности, то облака по ярусам будут делиться на капли воды в нижнем, льдинки, переохлажденные капли воды и снежинки в среднем и только льдинки в верхнем ярусе. Отсюда и их разная расцветка и плотность. Когда я буду рассказывать вам об облаках, я более подробно остановлюсь на каждом.
Воздушные суда. Кто, где и почему.
По сути у пространства, в котором перемещаются разного рода летательные аппараты, тоже есть слои. И они имеют более четкие границы. И обусловлены наличием кислорода. Чем более разряжен воздух, чем сложнее там «дышать», тем там холоднее и труднее двигаться.
До 3 – 4 километров дышать можно спокойно (за редким исключением). Ни сильных перепадов давления, ни сверхмощных потоков воздуха, ни больших перепадов температуры. До 3 – 4 км дышать можно спокойно;
на уровне тропопаузы до 10 – 12 к дышать можно условно: кислорода недостаточно для полноценного дыхания Вполне комфортно и, если подходить к полётам разумно, вполне безопасно. Там летает лёгкая и сверхлегкая авиация, открытые или негерметичные летательные аппараты – наши любимые воздушные шары и дирижабли, вертолёты, паралёты, планеры, парашютисты, «кукурузники» и пр.
Вот у этих летательных аппаратов и существуют коридоры и зоны, разрешённые для полётов. Воздушные суда, летающие из точки А в точку В, имеют «коридор» между этими точками. А летающие по воле ветра, пилотов-курсантов или пассажиров-туристов имеют строго ограниченные зоны.
На уровне тропопаузы до 10 – 12 километров дышать можно условно, т.е. кислорода, конечно, недостаточно для полноценного дыхания, а так же горения, но если его «взять с собой», то вполне можно выжить. И ещё есть за что «цепляться» винтам.
Если обобщить всю «большую» авиацию, то она делится на винтомоторную и на реактивную. Это как с автомобилями передний/задний привод, либо тянет, либо толкает. В авиации винт тянет, а струя толкает. Соответственно пока атмосфера довольно плотная и есть за что «цепляться» винтам – летает винтомоторная авиация, как только воздух настолько разряжен, что «цепляться» не за что, мы используем реактивную тягу, которая «толкает» нас за счет выброса «рабочего вещества». Ну как Врунгель и шампанское – помните?
Вот тут и летают рейсовые и транспортные самолёты, «чартеры». Для них-то и придуманы эшелоны, это строго регламентированные интервалы по высоте и расстоянию между находящимися в полёте воздушными судами с целью предотвращения опасного сближения и возможных аварийных ситуаций.
А дальше уже стратосфера. Ни дышать там невозможно, ни спастись от лютого холода. Туда забираются только метео- и радиозонды, да всякие реактивные самолёты.
Слои атмосферы
Общее
Земная атмосфера являет собой газовою оболочку планеты. Нижняя граница атмосферы проходит возле поверхности земли (гидросфера и земная кора), а верхняя граница является область соприкасающеюся космического пространства (122 км). В себе атмосфера содержит много разных элементов. Основные из них: 78% азот, 20% кислород, 1% аргон, углекислый газ, галий неона, водород и тд. Интересные факты можно посмотреть в конце статьи или перейдя по ссылке.
Атмосфера имеет четко выраженные слои воздуха. Слои воздуха отличаются между собой температурой, разностью газов и их плотностью и давлением. Нужно отметить, что слои стратосфера и тропосфера защищают Землю от солнечной радиации. В высших слоях живой организм может получить смертельную дозу ультрафиолетового солнечного спектра. Для быстрого перехода к нужному слою атмосферы, нажмите на соответствующий слой:
Тропосфера и тропопауза
Тропосфера — температура, давление, высота
Верхняя граница держится на отметке 8 — 10 км примерно. В умеренных широтах 16 — 18 км, а в полярных 10 — 12 км. Тропосфера — это нижний главный слой атмосферы. В этом слое находится более 80% всей массы атмосферного воздуха и близко 90% всей водяной пары. Именно в тропосфере возникают конвекция и турбулентность, образуются облака, происходят циклоны. Температура понижается с ростом высоты. Градиент: 0,65 °/100 м. Нагретая земля и вода нагревают прилагающий воздух. Нагретый воздух поднимается в верх, охлаждается и образует облака. Температура в верхних границах слоя может достигать — 50/70 °C.
Именно в этом слое происходят изменения климатических погодных условий. В нижнюю границу тропосферы называют приземным, так как он имеет много летучих микроорганизмов и пыли. Скорость ветра увеличивается с увеличением высоты в этом слое.
Тропопауза
Это переходной слой тропосферы к стратосфере. Здесь прекращается зависимость снижения температуры с повышением высоты. Тропопауза — минимальная высота, где вертикальный градиент температуры падает до 0,2°C/100 м. Высота тропопаузы зависит от сильных климатических проявлений, таких как циклоны. Над циклонами высота тропопаузы понижается, а над антициклонами повышается.
Стратосфера и Стратопауза
Высота слоя стратосферы примерно от 11 до 50 км. Присутствует незначительное изменение температуры на высоте 11 — 25 км. На высоте 25 — 40 км наблюдается инверсия температуры, от 56,5 поднимается до 0,8°C. От 40 км до 55 температура держится на отметке 0°C. Эту область называют — Стратопаузой.
В Стратосфере наблюдают воздействие солнечной радиации на молекулы газа, они диссоциируют на атомы. В этом слое нету почти водяного пара. Современные сверхзвуковые коммерческие самолёты летают на высоте до 20 км из-за стабильных полетных условий. Высотные метеозонды поднимаются на высоту 40 км. Здесь присутствуют устойчивые воздушные течения, скорость их достигает 300 км/ч. Также в этом слое сосредоточен озон, слой который поглощает ультрафиолетовые лучи.
Мезосфера и Мезопауза — состав, реакции, температура
Слой мезосферы начинается примерно на высоте 50 км и заканчивается на отметке 80 — 90 км. Температуры понижается с повышением высоты примерно 0,25-0,3°C/100 м. Основным энергетическим действием здесь является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов (имеет 1 или 2 непарных электронная) т.к. они реализуют свечение атмосферы.
Линия Кармана
Линию кармана называют границей между атмосферой Земли и космосом. Согласно международной авиационной федерацией (ФАИ) высота этой границы — 100 км. Такое определения дали в честь американского ученого Теодора Фон Кармана. Он определил, что примерно на этой высоте плотность атмосферы настолько мала, что аэродинамическая авиация здесь становится невозможная, так как скорость летательного устройства должна быть большей первой космической скорости. На такой высоте теряет смысл понятие звуковой барьер. Здесь управлять летательным аппаратом можно лишь за счет реактивных сил.
Термосфера и Термопауза
Верхняя граница этого слоя примерно 800 км. Температура растёт примерно до высоты 300 км где достигает порядка 1500 К. Выше температура остается неизменной. В этом слое происходит полярное сияние — происходит в следствии воздействия солнечной радиации на воздуха. Также этот процесс называют ионизацией атмосферного кислорода.
Из-за малой разряженности воздуха полёты выше линии Кармана реализуемы только по баллистических траекториях. Все пилотируемые орбитальные полеты (кроме полетов на Луну) происходят в этом слое атмосферы.
Экзосфера — плотность, температура, высота
Высота экзосферы выше 700 км. Здесь газ сильно разрежён,и происходит процесс диссипации — утечка частиц в межпланетное пространство. Скорость таких частиц может достигать 11,2 км/сек. Рост солнечной активности приводит к расширению толщины этого слоя.
Что такое атмосфера?
Мы дышим воздухом, не думая о том, каков его состав и какое сейчас давление (мы не говорим о метеозависимых людях). Дар возможности дышать мы воспринимаем как нечто естественное. Только очень высоко в горах, задыхаясь в разреженном воздухе, альпинисты начинают понимать, как здорово дышится на уровне моря.
На уровне моря или чуть выше, где проживает почти все человечество, давление равно примерно 1 атмосфере, ну, или, если мерить по-другому, это примерно 760 миллиметров ртутного столба. Или, если уж совсем по-научному, 1.013.247 Гектопаскалей.
Под защитой атмосферы люди живут десятки тысячелетий, не зная, что вся наша жизнь возможна только благодаря атмосфере.
Как высока атмосфера?
С 30-х годов в Калифорнийском технологическом институте директором лаборатории воздухоплавания был Теодор фон Карман, бежавший в США от войны в Европе. Теодор фон Карман был одним из виднейших ученых, теоретиков аэронавтики.
Согласно его вычислениям, на высоте около 100 км атмосферное давление столь слабо, что ее влиянием на полет можно уже пренебречь. В его честь эта высота названа линией Кармана — по определению Международной авиационной федерации (ФАИ). Согласно международным законам, на этой высоте заканчивается территория государства, выше 100 километров не надо запрашивать разрешения на пролет над данным государством. 
Собаки Дезик и Цыган, первые млекопитающие вернувшиеся на Землю живыми после преодоления линии Кармана
Фото: Кадр из д/ф «Белка, Стрелка и другие…», ru.wikipedia.org
Правда, со временем люди выяснили экспериментально, что на самом деле атмосфера простирается намного выше линии Кармана.
Космические спутники начинают вход в атмосферу на высоте примерно 120−130 км. Если спутник опустился до такой высоты, значит, он начал свой последний виток, не пройдет и получаса, как он, чуть опустившись от торможения в верхних слоях атмосферы, сгорит на высоте чуть выше 100 км.
Самые же верхние слои атмосферы заканчиваются примерно на высоте до 1000 км. Давление там настолько низко, что на такой высоте летают спутники, не испытывая эффекта торможения об атмосферу.
Из каких слоев состоит атмосфера?
Самый нижний — тропосфера. Тут мы и живем. В самой нижней ее части. Высота горы Эверест составляет 8848 метров, а тропосфера, в зависимости от широты данного места, заканчивается на высоте от 10 до 18 километров. На экваторе — до 18 км, на полюсах — от 8 км.
Уже на высотах от 8000 метров человек не может дышать без кислородного оборудования. Увы, многие альпинисты, пытавшиеся покорить Эверест, убедились на своем горьком (как правило — предсмертном) опыте, что при попытках дышать без кислорода у человека начинается отек легких, они заполняются жидкостью и человек умирает от удушья. 
Вид на Эверест с борта самолёта
Фото: ru.wikipedia.org
Далее идет стратосфера — до высоты примерно в 50 км. На таких высотах летают самолеты и метеозонды.
Еще в XIX веке считали, что высота примерно в 12 км, которая сейчас считается нижней частью стратосферы — это предел атмосферы.
Дальнейшее деление атмосферы на слои имеет чисто научный интерес.
До высоты 800 км идет термосфера. В этом слое атмосферы летают спутники, не испытывая торможения, даже метеоры сгорают только в самых низких слоях термосферы — на высотах от 150 до 50−80 км.
Еще выше расположена экзосфера, она длится до высот примерно в 1000 км, в зависимости от силы солнечного ветра. Молекулы газов атмосферы, попавшие в этот слой, под влиянием солнечного ветра улетают в космическое пространство. В этом слое идет утечка нашей атмосферы в открытый космос, что очень плохо. Ученые утверждают, что именно так когда-то давно утекла в космос большая часть атмосферы Марса, в том числе и потому, что Марс значительно легче Земли, его атмосфера слабее притягивалась планетой. 
Фото: qimono, pixabay.com
Вся жизнь человечества происходит на высотах от нуля до нескольких тысяч метров. Выше люди бывают только ненадолго и только со специальной защитой — то ли в герметизированном фюзеляже пассажирского самолета, то ли в скафандре летчика или в высотном скафандре на борту экспериментальной высотной машины.
Первым искусственным объектом, пересекшим линию Кармана, в 1944 году была ракета Фау-2, которая поднялась до высоты 188 км.
В наше время НАСА считает астронавтами людей, взлетевших на высоты 50 миль и выше (чуть больше 80 км).
Программа Шаттлов, которая, увы, была прекращена в 2011 году, дала человечеству опыт по возвращению на Землю после орбитального полета кораблей, способных к аэродинамическому спуску. При спуске Шаттлы переходили от ракетного маневрирования к аэродинамическому управлению кораблем уже на высоте около 122 км.
В наше время самолеты летают, как правило, на высотах до 15 километров, а максимальная высота, достигнутая на экспериментальных самолетах, не превышает 30 км. Метеозонды не поднимались выше 50 км. 
Фото: WikiImages, pixabay.com
Разумеется, при полете на высоте свыше 6000−7000 метров необходим или скафандр с индивидуальным кислородным питанием и поддержкой атмосферного давления, или герметизация фюзеляжа самолета и поддержка в нем атмосферного давления на любой высоте полета. При разгерметизации перед каждым пассажиром автоматически выбрасывается кислородная маска — и надеть ее необходимо немедленно, иначе всего через несколько секунд человек теряет сознание от кислородного голодания, и его судьба после этого всецело в руках окружающих, от того, успеет ли самолет снизиться, или стюардесса заметит пострадавшего и наденет ему кислородную маску, спасая этим его жизнь.
Мы удивляемся, глядя на жизнь океанического дна, жизнь, происходящую на глубине в несколько тысяч метров, тогда как, не думая об этом, сами живем на дне воздушного океана, высотой около 1000 км. Пара километров океана или 1000 км атмосферы — все познается в сравнении.
Атмосфера Земли. Строение, слои. Облака
Атмосфера Земли представляет собой внешнюю оболочку, которая состоит преимущественно из газов. Атмосфера планеты — это газовая масса движется вместе с Землей. Можно также выразиться, что атмосфера постепенно, плавно перетекает в космическое пространство.
Кстати, в нашей Солнечной системе атмосфера есть у всех основных планет, кроме Меркурия.
Атмосфера Земли вместе с планетой вращается против часовой стрелки – с запада на восток. Из-за вращения она, как и Земля, приобретает форму эллипсоида, то есть у экватора её толщина больше, чем у полюсов. Источником энергии для процессов, происходящих в воздушной оболочке является электромагнитное излучение Солнца.
Значение атмосферы для жизни на земле велико, так как она предохраняет планету от столкновения с космическими телами, обеспечивает оптимальные показатели для формирования и развития жизни.
Состав защитной оболочки:
Газовая смесь выполняет важную функцию – поглощение излишнего количества солнечной энергии. Состав атмосферы изменяются в зависимости от высоты. Так на высоте 65 км от поверхности Земли азота в ней будет содержаться уже 86%, кислорода – всего 19%.
Атмосфера Земли имеет условные границы
Разные науки и службы по-своему классифицируют границы воздушной оболочки Земли.
Cлои атмосферы Земли
Из-за различных характеристик, которыми обладают газы, слои атмосферы имеют свои особенности и определённую роль во взаимодействиях с Землёй.
Пять слоёв, которые составляют атмосферу Земли:
Тропосфера
Это самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах 10-12 км, а над экватором 16-18 км.
В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. В ней находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.
Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.
Стратосфера
Слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.
В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому облаков и осадков почти не образуется. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает аж 300 км/ч.
Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.
Мезосфера
Собственно, она берёт своё начало на уровне 50 км. А верхняя граница её располагается на 80-90 км. По научным данным, температура в мезосфере снижается с повышением высоты. Однако здесь преобладает лучистый теплообмен. Кроме того, сложные фотохимические процессы порождают свечение атмосферы Земли.
Доля мезосферы относительно общей массы составляет не больше 0,3%.
Термосфера
Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана несоизмеримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.
С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!
Горячо! При температуре в 1538°C начинает плавиться железо. Но космические аппараты остаются целыми в термосфере. Как? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока — но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.
Экзосфера
Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.
Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.
А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.
Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь.
Облака
Вода на Земле существует не только в необъятном океане и многочисленных реках. Около 5,2 ×10^15 килограмм воды находится в атмосфере. Она присутствует практически везде — доля пара в воздухе колеблется от 0,1% до 2,5% объема в зависимости от температуры и местоположения. Однако больше всего воды собрано в облаках, где она хранится не только в виде газа, но и в маленьких капельках и ледяных кристаллах. Концентрация воды в тучах достигает 10г/м3. Объем некоторых облаков достигает несколько кубических километров, а масса воды в них соответственно исчисляется десятками и сотнями тонн.
Значение атмосферы Земли
Атмосфера является наиболее легкой геосферой Земли, тем не менее ее влияние на многие земные процессы очень велико.
Начнем с того, что именно благодаря атмосфере стало возможно зарождение и существование жизни на планете. Современные животные не могут обходиться без кислорода, а большинство растений, водорослей и цианобактерий — без углекислого газа. Кислород используется животными для дыхания, углекислый газ — растениями в процессе фотосинтеза, благодаря чему создаются необходимые растениям для жизнедеятельности сложные органические вещества, такие как, разнообразные соединения углерода, углеводы, аминокислоты, жирные кислоты.
Подъемом в высоту парциальное давление кислорода начинает снижаться. Значит это, что атомов кислорода в каждой единице объёма становится все меньше и меньше. Начиная с высоты 3 км над уровнем моря у большинства людей начинается кислородное голодание или гипоксия. У человека наблюдается одышка, усиленное сердцебиение, головокружение, шум в ушах, головная боль, тошнота, мышечная слабость, потливость, нарушение остроты зрения, сонливость. Резко снижается работоспособность. На высотах свыше 9 километров дыхание человека становится невозможным и потому находиться без специальных дыхательных аппаратов строго запрещено.
Важной для нормальной жизнедеятельности организмов на Земле является роль атмосферы как защитника нашей планеты от ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, космических лучей, метеоров. Подавляющую часть излучения задерживают верхние слои атмосферы — стратосфера и мезосфера. В результате этого проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Остальная, меньшая часть излучения, рассеивается. Здесь же, в верхних слоях атмосферы, сгорают и метеоры, которые мы можем наблюдать в виде маленьких «падающих звёзд».
Атмосфера служит регулятором сезонных колебаний температур и сглаживания суточных, предотвращая Землю от чрезмерного нагревания днём и охлаждения ночью. Атмосфера, благодаря наличию в её составе водяного пара, углекислого газа, метана и озона, легко пропускает солнечные лучи, нагревающие её нижние слои и подстилающую поверхность, но задерживает обратное тепловое излучение от земной поверхности в виде длинноволновой радиации. Эта особенность атмосферы называется парниковым эффектом. Без него суточные колебания температур нижних слоёв атмосферы достигали бы колоссальных величин: до 200° С и естественно сделали бы невозможным существование жизни в том виде, в котором мы её знаем.
Разные участки на Земле нагреваются неравномерно. Низкие широты нашей планеты, т.е. области с субтропическим и тропическим климатом, получают тепла от Солнца гораздо больше чем средние и высокие — области с умеренным и арктическим (антарктическим) типом климата. По-разному нагреваются материки и океаны. Если первые и нагреваются и охлаждаются гораздо быстрее, то вторые долго поглощают тепло, но в тоже время и также долго его отдают. Как известно теплый воздух является более легким чем холодный, а потому поднимается вверх. Его место у поверхности занимает холодный, более тяжелый воздух. Так образуется ветер и формируется погода. А ветер в свою очередь приводит к процессам физического и химического выветривания, последние из которых формируют экзогенные формы рельефа.
С подъёмом в высоту климатические различия между разными регионами земного шара начинают стираться. А начиная с высоты 100 км. атмосферный воздух лишается возможности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции. Единственным способом передачи тепла становится тепловое излучение, т.е. нагревание воздуха космическими и солнечными лучами.
И только при наличии атмосферы на планете возможен круговорот воды в природе, выпадение осадков и образование облаков.