Амосфера Земли

Атмосфере не может не интересовать нас: она воздействует на нас; она ограничивает наши стремления; она служит причиной трагедий; она дарит нам грандиозные зрелища. Атмосферу просто нельзя игнорировать — это го, что нас постоянно окружает. Мы любопытны и хотим знать все «как» и «почему» атмосферных процессов. Мы практичны и хотим контролировать или по крайней мере найти полезное применение тем колоссальным силам, которые наблюдаем. Кроме того, нас волнует искусство, поэзия, философия и религия; мы испытываем благоговение перед явлениями, которые затрагивают все наши чувства, постоянно напоминают о приблизительности наших познаний, уязвимости нашей жизни и призрачности стремлений, о бесконечной сложности Природы и чистой красоте окружающего нас Мира. Поэтому неудивительно, что изучение атмосферы должно было стать одним из древнейших интеллектуальных занятий…

Атмосфера Земли, особенно верхняя, давно занимала умы исследователей. Перечитайте эпиграф к этой главе и вы поймете, что загадки воздушного океана, в котором мы с вами «плаваем», никогда не перестанут нас интересовать. Если бы не было атмосферы, Земля была бы мертвой — ни облаков, ни дождя или снега, ни одного звука в гнетущей тишине, палящий солнечный зной на освещенной Солнцем стороне Земли и ледяной холод космического пространства на ночной, абсолютно черное небо, а на поверхности огромные и мелкие воронки от падающих метеоритов.

Не правда ли, очень похоже на тот пейзаж, который космонавты обнаружили на Луне? Верно, ведь у Луны нет атмосферы.

Воздух окружает нас повсюду — на дне глубоких шахт и на вершинах высочайших гор, на полюсах и на экваторе, на суше и на море. На первый взгляд, это невидимая и невесомая среда. На самом деле воздух представляет собой смесь многих химических веществ в газообразном состоянии, смесь многих элементов. Часть из них содержится в воздухе в большом количестве, часть — в очень незначительном, одни очень химически активны, то есть быстро вступают во взаимодействие с другими веществами, другие же абсолютно инертны. Есть элементы, которые в большой концентрации смертельны, а есть и такие, без которых жизнь вообще невозможна. И что поразительно — состав атмосферного воздуха почти повсюду одинаков.

Если не считать водяного пара, который присутствует главным образом в приземном слое в переменных количествах в зависимости от погоды (вспомните, когда диктор читает по радио сводку погоды, он обязательно упоминает о влажности воздуха), то воздух состоит на 78% из азота. Всему живому на Земле — и растениям, и животным, и человеку — необходимо присутствие этогр элемента, который химически весьма мало активен и вступает в соединение с другими веществами лишь при особых условиях. Почти 21 % воздуха составляет кислород, который в отличие от азота высокоактивен. Он необходим для дыхания, поскольку обеспечивает «сгорание» пищи в живом организме. На долю углекислого газа, аргона, неона, криптона, ксенона, гелия, радона и чрезвычайно малого количества других газов, образующихся главным образом в результате деятельности человека, остается всего t%.

Три основных газа — азот, кислород и двуокись углерода — участвуют в бесконечном круговороте веществ в природе. Зеленые растения поглощают углекислый газ из воздуха и с помощью почти чудодейственного процесса, называемого фотосинтезом, высвобождают кислород. Вся растительность земного шара за год использует около 550 млрд. т углекислого газа и снабжает нас кислородом в количестве примерно 400 млрд. т. Когда растения гниют или сгорают, когда дышат животные и люди, когда извергаются вулканы и испаряются минеральные воды, углекислый газ вновь поступает в воздух. Можно рассчитать, сколько времени понадобится каждому газу для совершения одного полного цикла. Получаются любопытные цифры — углекислому газу в среднем требуется от одного года до трех лет, кислороду __три тысячи лет, а азоту — сто миллионов лет!

Атмосфера простирается на сотни километров, причем плотность воздуха с высотой постепенно уменьшается, он, как говорят, становится более разреженным. Половина всей атмосферы заключена в слое толщиной 6 км, то есть в том слое, в котором формируется и большая часть облаков, а в слое толщиной 30 км содержится уже 99% атмосферы. Кстати, представление о воздухе как о чем-то невесомом не очень правильно. Если куб, каждая сторона которого равна 9 м, наполнить воздухом, то его масса составит целую тонну. Вся атмосфера нашей планеты весит около 5 000 000 млрд. т. Если весь этот воздух сильно сжать и довести его плотность до плотности стали, то он образует вокруг всей Земли броню толщиной 12,5 м. На каждый квадратный сантиметр земной поверхности воздух, как известно, давит с силой 1 кг, то есть каждому из нас приходится всю жизнь «носить» на плечах около 500 кг. Мы не чувствуем этот «богатырский» вес просто потому, что все ткани нашего тела насыщены воздухом, давление которого равно атмосферному давлению снаружи.

Попробуем мысленно совершить путешествие в верхние слои атмосферы, хотя бы на вертикально стартующей ракете. Вырвавшись со дна воздушного океана, мы пройдем слой облаков, оставив их далеко внизу. Привычный голубой цвет неба постепенно исчезнет, и мы увидим космическую черноту. На фоне черного бархата небосклона звезды будут выглядеть яркими точками, горящими ровным, немерцающим светом, а Солнце — ослепительным  четко очерченным диском без ореола.

С расстояния в несколько земных радиусов наша планета кажется гладким шаром, освещенным далеким Солнцем. Если смотреть со стороны северного полушария, то можно заметить, что Земля вращается вокруг своей оси против часовой стрелки, делая полный оборот за 23 ч 56 мин, и в том же направлении обращается вокруг Солнца по орбите, близкой к круговой, делая оборот за год. Ось вращения наклонена к плоскости земной орбиты под углом 23°77′.

Земля окружена почти прозрачной воздушной оболочкой, придающей планете голубой оттенок. Свойства атмосферы с высотой меняются, и различные ее слои называются по-разному, хотя каких-то барьеров между ними нет. Каждый слой — это определенная «сфера». Так сколько же над Землей сфер? Ответить на такой вопрос непросто — все зависит от того, какое свойство атмосферы взять за основу. Посмотрим, как меняется такая важная характеристика, как плотность. Она плавно и очень быстро уменьшается. Уже на высоте 14 км плотность атмосферы примерно в 8 раз меньше, чем на уровне моря. А на высоте 100 км она составляет всего одну миллионную долю плотности на уровне моря. Это уже, как говорят физики, проводящие лабораторные исследования, «высокий вакуум». А еще выше вакуум становится таким высоким, что никакие самые лучшие земные насосы не могут его воспроизвести в земных условиях. Например, один 1 км3 воздуха на высоте 170 км весит около 60 г, а этот же объем на уровне моря — 1 млн 250 тыс. т! Если на уровне моря молекула воздуха не может пробежать и нескольких миллионных долей сантиметра, чтобы не столкнуться с другой молекулой, то длина свободного пробега на высоте 100 км достигает 1 м, а на высоте 300 км — 10 км! И как это ни трудно себе представить, столь разреженный воздух играет огромную роль в нашей повседневной жизни — роль «тента», защищающего от смертоносных излучений, роль грандиозной лаборатории, где сама природа проводит интереснейшие эксперименты, роль той среды, которая очень важна для радиосвязи, высотных полетов, запуска ракет и искусственных спутников Земли.

Другое важнейшее свойство атмосферы — ее температура. Одна из общепринятых систем классификации атмосферных оболочек, сфер, окружающих Землю, основана именно на распределении температуры. Первая и самая нижняя оболочка, которая называется тропосферой, простирается от уровня моря до высоты около 12 км. В дальнейшем мы будем опускать слово «около», так как границы между «сферами» меняются в зависимости от сезона, географической широты и многих других условий.

По мере подъема в тропосфере температура будет понижаться, пока не достигнет примерно —55 °С. Это и есть верхняя граница тропосферы — точка перегиба на температурной кривой,— и называется она тропопаузой. Любая точка земной поверхности лежит в пределах тропосферы, высочайшие горные вершины планеты почти достигают тропопаузы. Тропосфера содержит почти три четверти всей массы атмосферы и играет ведущую роль в формировании погоды.

Миновав тропопаузу, мы попадаем в стратосферу. Здесь температура монотонно возрастает до самой стра-топаузы на высоте 50—60 км. На этой высоте она достигнет приблизительно 10—20 °С. В стратосфере наблюдаются сильные ветры, скорость которых может достигать нескольких сотен километров в час. Именно здесь образуется и содержится в больших количествах озон — неустойчивый газ, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (Оз). Этот газ поглощает большую часть ультрафиолетовых солнечных лучей, оставляя их в безопасном для нас количестве — ровно столько, сколько нужно для приятного загара! Поглощение энергии ультрафиолетового излучения и обеспечивает высокую по сравнению с тропосферой температуру стратосферы. В следующем слое, мезосфере, простирающемся до высоты 80 км, температура меняется очень резко. В мезопаузе она составляет от —75 до —90 °С. Здесь в окружающей темноте можно заметить яркие полосы: это сгорают метеоры, влетающие с огромной скоростью в атмосферу из космического пространства.

Выше мезопаузы начинается термосфера. Основной ее особенностью является повышение температуры нейтральных частиц с высотой, а затем неизменность температуры — изотермия. Но здесь уже само понятие температуры перестает соответствовать нашему житейскому представлению о ней. Ведь в обычных условиях, у земной поверхности, мы измеряем температуру как степень нагретости тела. А что такое температура с точки зрения строгой физики? Это мера энергии тех частиц молекул, из которых состоит любое тело (или газ). Чем быстрее движется частица, тем выше ее температура. При соударениях с другими частицами наша частица обменивается с ними энергией: с одной стороны, отдает свою энергию тем, которые движутся медленнее, а с другой — получает ее от тех, которые движутся быстрее. В результате, если частиц много, они не могут приобрести слишком большую энергию.

А вот в термосфере частицы газа могут проходить большие расстояния, не сталкиваясь с другими частицами, При этом они приобретают весьма большую энергию, и их так называемая кинетическая температура может достигать сотен градусов. Если бы мы, покинув нашу воображаемую ракету, оказались в термосфере, то из-за очень высокой разреженности окружающего газа были бы не в состоянии ни почувствовать его высокую температуру, ни вообще ощутить его присутствие. Если бы не Земля, то одна сторона нашего тела, освещенная ярким солнечным светом, ощущала бы нестерпимый жар, а другая, погруженная в полную темноту,— ледяной холод. В термосфере обнаружены ураганные воздушные течения с типичными скоростями порядка 360 км/ч, однако непосредственно их почувствовать, опять-таки из-за чрезвычайно малой плотности газа, мы бы почти не смогли. Их обнаруживают с помощью чувствительных приборов и сложных методов, о которых речь пойдет дальше.

Выше термосферы, начиная с высот 600—800 км, лежит так называемая экзосфера. Это область крайне разреженной материи, высоких скоростей газовых частиц и, следовательно, высоких температур. Состоит она главным образом из гелия, водорода и легких газов. Из этой области частицы газа, набрав космическую скорость более 11,2 км/с и преодолев силу земного притяжения, уносятся в мировое пространство, чтобы начать свое бесконечное путешествие по космосу.

Таким образом, исследовав вертикальный профиль температуры, мы установили, пять «сфер»: тропо-, страто-, мезо-, термо- и экзосферу.

Но можно разделить газовую оболочку Земли на «сферы» и по-другому. Например, до высоты примерно 100 км воздух хорошо перемешан — практически однороден, и всю эту область называют гомосферой (гомогенный — однородный). А вот выше этого уровня «дружба» между различными атмосферными газами кончается, каждый движется сам по себе, легкие газы быстрее устремляются вверх, а тяжелые — отстают. И все, что выше 100 км, уже называют гетеросферой (от греческого «гетеро», что соответствует русскому «разно…»). Кстати, сам уровень 100 км, где наблюдаются быстрые, хаотические, или, иными словами, турбулентные, движения, часто называют турбопаузой. Слой озона, например, который образуется в стратосфере, можно назвать озоносферой. Слой атмосферы, где скорость ветра велика и составляет десятки метров в секунду, некоторые исследователи называют динасферой (от слова «динамика»). Существуют и другие сферы.

И вот, наконец, мы подходим к той оболочке, которая нас интересовала с самого начала,— к ионосфере. Начиная с высоты 50—60 км над поверхностью Земли и на несколько земных радиусов простирается та часть воздушного покрывала нашей планеты, которая названа ионосферой — сферой ионов.

Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: