Земля и люди (Белев Е.И. Митин Р.С.)

Метеорология, или физика атмосферы, изучающая воздушную оболочку Земли и протекающие в ней процессы, за последние два-три десятилетия сделала огромный скачок вперед. За этот короткий срок с помощью радиозондов, метеорологических ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли удалось познать об атмосфере новое, уточнить известное.

Воздушная оболочка Земли простирается вверх на много сотен километров. Ее верхнюю границу практически трудно определить: воздух, становясь все более разреженным, переходит в мировое пространство. С высотой существенно меняются состав, давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы.

Оказалось, что до высоты 100—110 км химический состав воздуха остается почти без изменений. В этом слое сухой воздух, без влаги и пыли, состоит более чем на % из азота, примерно на 1/5 из кислорода, затем идут аргон, углекислый газ и совсем в ничтожных количествах — водород, криптон, ксенон» гелий, неон, радон, йод, водяной пар, метан, озон и др. Начиная с 80—100 км, молекулы кислорода под действием ультрафиолетовой радиации Солнца расщепляются на атомы и кислород становится одноатомным (атомарным).

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются, и, хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса ее размещается в сравнительно тонком слое, прилегающем к поверхности земли. Например, в слое между поверхностью земли и высотами 5—6 км сосредоточена половина всей массы атмосферы, в слое 0—16 км — около 90%, а в слое 0—30 км — 99%. Что касается температуры воздуха, то она с высотой изменяется неодинаково: на одних высотах понижается, на других повышается. В связи с этим в атмосфере различают несколько вертикальных сфер и переходных слоев (см. график на стр. 373 и таблицу на стр. 374).

Важнейшей особенностью тропосферы является то, что в ней сосредоточено от 70 до 90% массы всей атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Физические свойства тропосферы в значительной степени определяются влиянием земной поверхности, которая является ее нижней границей. Воздух в тропосфере почти прозрачен, и солнечные лучи почти не оказывают здесь своего теплового воздействия. Нагревается и охлаждается воздух преимущественно от поверхности земли, поэтому от земли до верхней границы тропосферы температура воздуха понижается.

Исследования атмосферы

Все изменения погоды на земле обусловливаются процессами, развивающимися в тропосфере. Так как интенсивность движения воздуха определяется контрастами температуры экватор — полюс, то атмосферные процессы зимой протекают более интенсивно, чем летом. В тропосфере в течение всего года характерны западные ветры, которые с высотой обычно, усиливаются и у верхней ее границы достигают ураганной силы. Здесь образуются струйные течения с максимальными скоростями, доходящими порой до 300—400 и более км/час (см. график на стр. 376).

Стратосфера резко отличается от тропосферы. Здесь почти нет водяного пара и не происходит бурного облакообразования. Воздух разрежен: у верхней границы стратосферы его давление составляет менее 0,1% по отношению к приземному давлению. Температура с высотой повышается: от —50, —70° у нижней ее границы до 0—10° тепла у верхней.

До радио- и ракетного зондирования атмосферы предполагали, что это довольно «спокойная» среда и здесь не происходит интенсивного перемешивания воздуха. Но выяснилось, что и для стратосферы характерны сильные ветры со значительными вертикальными движениями воздуха. В высоких широтах происходят большие колебания температуры не только в течение года, но и в короткие промежутки времени. Если зимой на высотах 25—35 км характерна температура —65. —75°, то летом она повышается до —35, —40°. Известно также, что в холодное полугодие в течение нескольких дней температура может повыситься или понизиться на 20—30°.

В стратосфере сосредоточен газ озон (О3) — он здесь образуется под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. Вообще озона в атмосфере мало, но он обладает способностью поглощать ультрафиолетовую солнечную радиацию, благодаря чему повышается температура воздуха. Летом, в условиях полярного дня, в высоких широтах в слое озона воздух прогревается, поэтому в полярных областях Земли в этот период образуются область тепла и стратосферный антициклонический вихрь. Зимой, во. время полярной ночи, происходит охлаждение воздуха и в полярных областях Земли возникает область холода и стратосферный циклонический вихрь. Нагревание воздуха летом и охлаждение зимой происходит в стратосфере настолько интенсивно, что резко изменяется характер атмосферной циркуляции на всей Земле. Так, зимой формируется западная циркуляция — преобладают западные ветры над холодным (зимним) полушарием, а восточные ветры — над теплым (летним) полушарием.

Стратосфера интересует человечество не только в целях познания ее природы. Здесь скоро будут пролегать межконтинентальные авиатрассы. Уже современные самолеты поднимаются до высот 25—30 км и более.

В мезосфере, как и в тропосфере, температура с высотой понижается: от 0, + 10° в верхней стратосфере до —70, —90° в верхней мезосфере. На высоте около 80 км, в слое мезопаузы, понижение ее с высотой прекращается, а выше вновь начинается повышение температуры.

Слой термосферы характеризует само его название — «область тепла». Согласно ракетным измерениям, в термосфере на высоте 150 км температура достигает 220—240°, а на уровне 200 км — более 500°. Далее продолжается повышение ее с высотой и, по данным искусственных спутников Земли, в верхней термосфере температура воздуха равна 1500—2000°. Это значит, что атомы газов в разреженной среде движутся с большими скоростями и сталкиваются друг с другом с большой силой.

Наиболее интересной особенностью термосферы является ионизация воздуха. Поэтому термосферу называют также ионосферой, так как этот слой насыщен огромным количеством электрически заряженных частиц — ионов. Этот процесс начинается с высот 60—80 км и прослеживается во всей термосфере, но наиболее интенсивно он происходит в слоях 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км, которые обозначаются буквами D, Е, F1 и F2 соответственно.

Ионизация газов возникает благодаря мощному воздействию ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца. При этом электроны отщепляются от нейтральных атомов и молекул воздуха. Потеряв один или несколько электронов, атомы и молекулы становятся положительно заряженными, а свободный электрон снова присоединяется к нейтральному атому и молекуле и наделяет их своим отрицательным зарядом. Положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы — это и есть ионы, а газы, получившие электрический заряд, называются ионизированными. Стратосфера и ионосфера имеют огромное значение для существования всего живого на нашей планете об этом говорилось в статье "Защитный пояс Земли"

Наконец, самый высокий слой атмосферы - экзосфера (внешняя сфера) - пока изучен меньше всего. Предполагается, что температура в экзосфере достигает 2000°. В отличие от нижней ионосферы газы во внешней сфере настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, мало встречаются друг с другом. Однако по торможению искусственных шутников Земли установлено, что условная верхняя граница атмосферы находится не на высоте 1000 км, как предполагали сравнительно недавно, а гораздо выше. На верхней границе частицы газов достигают таких больших скоростей что они постепенно уходят из действия земного притяжения в межпланетное пространство. Этот процесс медленный и происходит в течение длительного времени.

Представление, что в межпланетном пространстве газы настолько разрежены, что в 1 см³ количество частиц не превышает нескольких единиц, не оправдалось. Согласно новым данным, околоземное пространство заполнено заряженными частицами. Оказалось, что вокруг Земли существуют зоны с повышенным содержанием заряженных частиц, так называемых радиационных зон. Число частиц, как и границы радиационных зон, изменяется в зависимости от солнечной активности. При ее усилении, т. е. когда на Солнце появляются пятна и струи газа, возрастает поток космических частиц и усиливаются зоны радиации.

В наше время атмосфера исследуется с помощью различных способов и технических средств. Метеоракета, запущенная с Земли, устремляется ввысь

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций.

В заключение следует сказать, что атмосферные процессы осуществляются при затрате огромного количества энергии, которое содержится в самой атмосфере. Даже не очень значительные по масштабам атмосферные процессы, например циклоны, связаны с расходом энергии, который превосходит современные энергетические возможности человечества. Своевременный и правильный прогноз погоды, как и меры искусственного воздействия на атмосферные процессы, призваны ослаблять или предотвращать их вредное действие на жизнь и деятельность человека. В этом отношении уже многое сделано различными научными организациями страны, в том числе Гидрометцентром СССР — постоянной «службой погоды», отметившей в этом году 100-летие со времени ее основания.

Ученые постепенно познают самые сложные тайны воздушной оболочки Земли. Это приближает их к решению наиболее важных и вместе с тем наиболее грудных проблем метеорологической науки: прогноза погоды на различные сроки, а также искусственного воздействия на те атмосферные процессы, кото-ные приносят людям стихийные бедствия: ливни, градобития, засухи и т. п.

Новое об атмосфере