книги из ГПНТБ / Колобков Н.В. Атмосфера и ее жизнь

скольких человек. Снаружи устанавливаются приборы, часть из них с автоматической записью.

Перечисленные методы исследования ограничены «потолком», т. е. пределом высоты полета, который изме­ ряется двумя-тремя десятками километров.

В северной части Европы нередко наблюдаются обла­ ка, отличающиеся ярким блеском и богатством цветов. Эти облака получили название перламутровых. Измере­ ния показали, что они возникают на высоте 25—30 км. Оптические явления в перламутровых облаках позволя­ ют заключить, что они состоят из капелек переохлажден­ ной воды или ледяных кристаллов. Это говорит о том, что водяной пар в небольшом количестве проникает даже на столь большие высоты. В 1960 г. перламутровые обла­ ка наблюдались на высоте 24 км над Аляской. Они обра­ зовались с подветренной стороны высокого (до 6,5 км высоты) горного хребта при сильном северном ветре, скорость которого достигала 50 м/сек. Скорость движения

В ясную и безлунную ночь можно наблюдать десят­ ки, а иногда и сотни «падающих звезд». Это очень ма­ ленькие осколки небесных тел, состоящие из базальтовых пород и железа. Из межпланетного пространства они попадают в земную атмосферу со скоростью до 70 км/сек, где «сгорают». Их называют метеорами.

Когда в атмосферу врываются крупные метеоры (иногда весом в несколько тонн), то сгорать они не успе­ вают, а только оплавляются с поверхности и падают на Землю. Их называют метеоритами. К числу гигантских метеоритов относится Тунгусский, упавший в Сибири в

1908 г.

Попадая в атмосферу, метеоры сталкиваются с моле­ кулами воздуха. Чем ниже, тем плотнее воздух и тем

10

чаще столкновения. Впереди метеора образуется «по­ душка» чрезвычайно сжатого, сильно нагретого воздуха (до 20 000°), который светится, а метеорное вещество расплавляется. Метеоры загораются приблизительно с высоты 150 км (красный цвет накаливания). Более яр­ кое свечение наблюдается примерно со 100 км, а иногда и ниже, в зависимости от скорости движения. Метеоры затухают чаще всего на высоте 80—45 км над поверхно­ стью Земли.

Наблюдения за движением метеоров и метеоритов, как и быстротой их сгорания, позволяют судить, во-пер­ вых, о плотности атмосферы, во-вторых, о ее температу­ ре. Иногда метеоры оставляют после себя светящиеся хвосты «ли полосы, что дает возможность вычислить так­ же и силу ветра на больших высотах.

В последние годы советские ученые применяли для исследования высоких слоев атмосферы прожектор. Све­ товой луч мощной прожекторной установки достигает высоты в десятки километров. Он пересекает слои атмо­ сферы с повышенной запыленностью, с повышенным со­ держанием водяного пара, незаметные простым глазом облачные прослойки и отмечает их характерными пят­ нами и бликами.

Необходимо сказать несколько слов о космических лучах, имеющих чрезвычайно важное значение для изу­ чения электрического состояния высоких слоев атмо­ сферы.

Из таинственных глубин вселенной, преодолевая непо­ стижимые1человеческому воображению расстояния, с огромной скоростью мчатся космические лучи. Это непре­ рывный поток атомных ядер, обладающих колоссальной энергией, измеряемой миллиардами и десятками милли­ ардов электрон-вольт. Но есть среди этих частиц и такие, энергия которых значительно больше. Чтобы получить

П

представление о величине такой энергии, можно приве­ сти следующий пример. Если бы шарик весом в один грамм упал со скоростью космической частицы, скажем в Черное море, то вода бы в нем закипела. К счастью, мы гарантированы от подобных случаев, так как вес кос­ мических частиц неизмеримо меньше. Поэтому падение на Землю одной такой частицы не вызывает на нашей планете заметных изменений.

Космические частицы обладают огромной пробивной силой. Их можно обнаружить под землей, на глубине де­ сятков метров. Однако по мере прохождения частиц через атмосферу, толщу морской воды и земную кору интенсивность лучей падает. И все же самые энергич­ ные частицы обнаруживались даже на глубине кило­ метра.

Космические лучи вырабатываются миллиардами Солнц в Галактике и приближаются к Земле со всех сторон. Некоторая их доля исходит из недр нашего Солнца.

Происхождение космических лучей связывается с ре­ зультатом термоядерных процессов, т. е. с расщеплением атомов.

Под действием космических лучей образуются сво­ бодные ионы в атмосфере Земли. Ионы — это частицы газов, заряженные положительным или отрицательным электричеством. Наибольшее содержание ионов отмеча­ ется с высоты около 80 км, где расположена так назы­ ваемая ионосфера.

В последние 20 лет для исследования атмосферы при­ меняются ракеты. Основоположником создания ракет и жидкостных реактивных двигателей является русский ученый К. Э. Циолковский. Первая советская ракета на жидком топливе, предложенная Циолковским, взле­ тела в 1933 г. Но разве кто-нибудь мог тогда сказать,

12

глядя на ее неуверенный взлет, что несколько лет спустя ракета поднимет­ ся на сотни километров?

Ракета представляет собой сигарообразный снаряд. Передний конец ее заострен, а задний снабжен стабилизатором. Внутри ракеты помеще­ ны взрывная камера и ба­ ки с горючим. В одном из отсеков установлены при­ боры для автоматическо­

го управления полетом и автомат-лаборатория, посы­ лающая по радио на Землю сведения о высоких слоях атмосферы. Теперь в ракетах помещаются приборы для изучения космических лучей, для взятия проб воздуха, метеорной пыли и др. Все приборы снабжены парашю­ тами. На «потолке» ракеты они автоматически выбра­ сываются и, снижаясь, регистрируют состояние атмос­ феры в разных слоях.

Большинство метеорологических ракет запускают на высоту 60—100 км. Геофизические ракеты поднимаются значительно выше. Так, например, наша ракета общим весом 2200 кг в мае 1957 г. поднялась на высоту 212 км. 21 февраля 1958 г. другая советская ракета с научной аппаратурой общим весом 1520 кг — на 473 км.

Несмотря на ценные сведения, доставляемые ракета­ ми, они значительно уступают искусственным спутникам Земли. Ракеты дороги и действуют короткое время. Ис­ кусственные спутники, представляя собой научную лабо­ раторию, в течение всего своего полета регистрируют и передают по радио сведения о составе атмосферы, косми-

13

ческом излучении, напряжен­ ности магнитного поля Земли, корпускулярном излучении Солнца и т. п. на всем земном шаре на высоте своей орбиты.

Специальные метеорологи­ ческие спутники Земли типа

«Космос-122», «Космос-144», «Тайрос» и «Эсса» фотографи­ руют облака с высоты 300 км и более и тем самым регистри­ руют характер погоды одновре­ менно над обширными района-

Рис. 3. Третий искусственный ми Земли. Если одновременно спутник Земли. На различные высоты запустить

несколько метеорологических искусственных спутников, то это позволит многократно и на протяжении длительного промежутка времени полу­ чать данные об особенностях процессов в высоких слоях атмосферы.

Большие перспективы в изучении космического прост­ ранства открылись в связи с запуском космических ко­ раблей.

1961 г. ознаменовался новыми победами. После ряда успешных запусков искусственных спутников Земли 12 апреля 1961 г. первый космонавт мира Юрий Алек­ сеевич Гагарин совершил полет вокруг Земли на корабле-спутнике «Восток-1». Полет, продолжавшийся 108 минут, вызвал восхищение во всем мире. Этот день вошел в историю как день проникновения человека в космос.

В последующие годы советские и американские косми­ ческие корабли с космонавтами много раз совершали полеты вокруг Земли.

14

Обширная исследовательская работа, рассчитанная на ряд лет, началась 16 марта 1962 г. запуском спутника «Космос-1». Неутомимые труженики, спутники серии «Космос», число которых превысило 200, проводят на околоземных орбитах много месяцев. Осуществление программы «Космос» представляет исключительный на­ учный интерес, особенно если учесть значительный объем и длительность проводящихся исследований.

Важнейшим событием явился также запуск в январе и июле 1964 г. новых космических систем «Электрон», состоящих каждая из двух научных станций, выводимых одной ракетой-носителем на различные орбиты искус­ ственных спутников Земли. Успешное осуществление

Воздух у земной поверхности и в нижних слоях атмо­ сферы состоит из механической смеси газов, главным образом азота и кислорода. В составе воздуха есть так­ же немного углекислоты и встречаются следы некоторых редких газов. По объемному содержанию в сухом атмо­ сферном воздухе больше всего азота — 78%, затем кисло­ рода— 21%, аргона — 0,9%. Кроме того, в атмосфере всегда находятся другие газы и водяной пар, содержание которого колеблется в широких пределах. Больше всего водяного пара в жаркую, душную погоду, меньше всего при сильных морозах. Присутствие водяного пара изме­ няет процентное содержание газов, поэтому состав сухо­ го и влажного воздуха неодинаков.

Кислород поддерживает дыхание и горение. Азот, на­ против, не поддерживает жизненных процессов и почти

15

дукты разрушения гор­ ных пород, мельчайшие частицы почвы, продукты неполного сгорания, содержа­

щиеся в дыме, продукты животного и растительного про­ исхождения и пр.).

Многолетние наблюдения за интенсивностью солнеч­ ной радиации обнаружили заметное уменьшение про­ зрачности атмосферы в августе. Объясняется это тем, что Земля в своем движении вокруг Солнца проходит в августе через скопление метеоров, космической пыли и продуктов распавшейся в 1862 г. кометы.

Главным источником пыли в нижней части атмосфе­ ры являются продукты разрушения горных пород и час­ тицы почвы, поднимающиеся вверх под действием ветра и тепловой конвекции (переноса тепла восходящими по­ токами воздуха). В атмосфере накапливается немало и

и кислород, но только в молекулах озона их три (0 3). Озон образуется в атмосфере из кислорода под действи­ ем ультрафиолетовых лучей и при электрических разря­ дах. Его запах, несомненно, ощущал каждый из нас пос­ ле сильной грозы, когда воздух очень богат озоном.

Установлено, что основная часть озона находится не у поверхности Земли, а в более высоких слоях атмо­ сферы — от 15 до 50 км. Общее его количество невелико. Если собрать весь озон в один слой, толщина его при нормальном давлении составит всего около 3 мм.

Однако несмотря на такую незначительность озона, он задерживает значительное количество ультрафиоле­ товой солнечной радиации. Известно, что эти лучи очень важны для жизни человека: они усиливают жизнедея­ тельность организма, убивают вредные бактерии и пр. Но если бы ультрафиолетовые лучи доходили до Земли полностью, они оказали бы губительное действие на все живые организмы.

Строение атмосферы

Атмосфера разделяется на несколько слоев. В нача­ ле XX в. в строении атмосферы различали три слоя. Пер­ вый (нижний) слой называли тропосферой, второй — стратосферой и третий — ионосферой — до верхней гра­ ницы атмосферы. Строго говоря, атмосфера не имеет рез­ кой границы, а, постепенно разрежаясь, переходит в меж­ планетное пространство. Атмосфера неоднородна как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

В свете новых воззрений (по характеру изменения температуры с высотой) атмосферу делят на пять сле­ дующих сфер:

Тропосфера от поверхности Земли до высот —

8—17 км,

18

Стратосфера — от 8—17 до 50—55 км, Мезосфера — от 50—55 до 80 км, Термосфера — от 80 до 600—800 км, Экзосфера — выше 800 км.

Рассмотрим характерные особенности этих сфер бо­ лее подробно.

Т р о п о с ф е р а — наиболее хорошо изученный слой атмосферы. Мощность его в средних широтах достигает 9—12 км, уменьшаясь к полюсам до 8—9 км и возрастал к экватору до 16—17 км. В тропосфере заключена основ­ ная масса атмосферы. Здесь наиболее ярко сказываются самые разнообразные явления погоды.

Прежде всего в этом слое наблюдается непрерывное понижение температуры с высотой. Оно составляет в среднем 6° на каждые 1000 м. Это происходит потому, что воздух пропускает к поверхности Земли солнечные лучи, которые ее нагревают. От земной поверхности на­ греваются и прилегающие к Земле слои атмосферы.

Зимой поверхность Земли сильно охлаждается. Этому способствует снежный покров, отражающий большую часть солнечных лучей и вместе с тем излучающий тепло в более высокие слои атмосферы. По этой причине воз­ дух у поверхности Земли очень часто оказывается холод­ нее, чем вверху, т. е. образуется так называемая инвер­ сия температуры. Инверсии температуры часто наблюда­ ются и в ночное время суток.

В теплое время года поверхность Земли сильно и при­ том неравномерно нагревается солнечными лучами. От наиболее нагретых ее участков поднимаются воздушные струйки, вихри. На смену поднявшемуся притекает воз­ дух со стороны менее нагретых участков, в свою очередь замещаемый воздухом, опускающимся сверху. Возникает конвекция, которая вызывает перемешивание атмосферы