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

в вертикальном направлении. Конвекция уничтожает ту­ маны и уменьшает запыленность нижнего слоя атмосфе­ ры. Поднимающийся ненасыщенный водяным паром воздух, попадая в более разреженные слои, расширя­ ется и при этом охлаждается на 1° за каждые 100 м подъема.

При той или иной температуре в воздухе может содер­ жаться лишь определенное количество водяного пара. Поэтому при подъеме и охлаждении воздуха почти всег­ да появляется излишек водяного пара (перенасыщение). Вследствие этого начинается сгущение (конденсация) избыточного водяного пара, образуются мельчайшие ка­ пельки воды и в результате возникает облако. Особенно сильно водяной пар конденсируется на частичках самой пыли и дыма, всегда имеющихся в достаточном количе­ стве. (Это так называемые ядра конденсации.) В холод­ ное время года избыток водяного пара превращается в ледяные кристаллы, снежинки, и в воздухе плавают ледя­ ные облака. Иногда водяной пар может сразу переходить в кристаллы, минуя жидкую фазу. Это явление называ­ ется сублимацией. Ледяные облака образуются и летом, но только на больших высотах, где температура воздуха много ниже 0°.

Облака возникают и при встрече воздушных масс—■ теплой и холодной. В этом случае теплый воздух, как бо­ лее легкий, скользит сверху по холодному. Так возника­ ют большие облачные скопления. Из них выпадают об­ ложные осадки в виде дождя и снега.

Летом в нагретом приземном слое воздуха обычно содержится много водяного пара. Если при этом воздух стратифицирован Неустойчиво, т. е. понижение темпера­ туры с высотой происходит быстро, то возникает мощная кучевая и кучево-дождевая облачность и выпадают обильные ливневые дожди. Зимой в средних и высоких

20

широтах, при низких значениях температуры воздуха, водяного пара в атмосфере сравнительно мало. В резуль­ тате слабого нагрева или охлаждения приземного слоя воздух приобретает устойчивую стратификацию, т. е. понижение температуры с высотой происходит медленно и даже наблюдается инверсия. В этом случае образуют­ ся облака слоистых форм и выпадают моросящие осад­ ки, а при наличии восходящих движений воздуха — об­ ложные осадки. В то же время в южных районах (ближе к тропикам), где прогревание приземного слоя воздуха происходит интенсивно, нередко образуются кучево-дож­ девые облака и ливневые осадки.

Тропосфера — это место постоянного формирования облаков, осадков и всех грозных явлений природы. Бла­ годаря непрерывному перемешиванию воздуха по гори­ зонтали и вертикали обеспечивается постоянство его со­ става на всех высотах.

у поверхности Земли на экваторе достигает +26°, а в полярных областях —24°. В то же время над экватором в верхней тропосфере температура равна —80—85°, а в полярных областях —58—60°. Преобладает горизонталь­ ный перенос воздуха. Скорость ветра, как правило, с вы­ сотой возрастает, достигая максимума на уровне верх­ ней границы тропосферы.

После сравнительно тонкого в 500—1000 м переход­ ного слоя, названного тропопаузой, мы вступаем во вто­

вершенно отсутствуют вертикальные перемещения возду­ ха, а горизонтальные скорости движения малы. Предпо­ лагали, что газы в стратосфере лежат слоями соответст­

21

венно их весу и плотности. Отсюда и произошло название «стратосфера» (стратум — в переводе с латинского — настил).

Однако дальнейшие исследования показали, что это далеко не так. Оказалось, что в стратосфере происходит постоянное перемешивание воздуха. Поэтому воздух стратосферы по составу мало отличается от воздуха тро­ посферы. Никакого покоя в стратосфере нет, и нередки там ураганные ветры.

Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблю­ дающееся в стратосфере и достигающее на высоте 50— 60 км около 10° выше нуля, прекращается и здесь начи­ нается третий слой атмосферы — м е з о с ф е р а . Выше этого уровня температура снова понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) составляет —80—90°. Вследствие этого здесь создается довольно сложная си­ стема воздушных течений. Зимой преобладают западные ветры, летом — восточные. Выше переходного слоя — мезопаузы — вновь начинается повышение температуры. На уровне 80 км летом в сумерки наблюдаются тонкие блестящие облака, внешне похожие на перистые. Они ярко освещены солнцем, находящимся за горизонтом. Эти облака названы серебристыми. Предполагается, что серебристые облака состоят из ледяных кристаллов. Роль ядер конденсации здесь, вероятно, играет космическая пыль. Наблюдения за облаками свидетельствуют об огромных скоростях ветра на больших высотах (сотни километров в час).

Т е р м о с ф е р а . Выше мезосферы расположена термо­ сфера, для которой характерно непрерывное повышение температуры с высотой. По данным, полученным с по­ мощью ракет, на уровне 150 км температура воздуха до­ стигает +250° и на верхней границе термосферы, на

22

уровне 700—800 км превышает +1000°. Однако для высо­ ких слоев атмосферы понятие «температура» приобретает особый смысл. Известно, что температура газа опреде­ ляется скоростью движения молекул, которые в плотной атмосфере часто сталкиваются между собой. Они погло­ щают лучистую энергию и мгновенно передают ее сосед­ ним молекулам. В термосфере очень высокие температу­ ры свидетельствуют лишь о том, что в крайне разрежен­ ной среде молекулы перемещаются с огромной скоростью. Измерить такую температуру обычным термометром невозможно.

Термосфера отличается сильной ионизацией, т. е. на­ личием в ней большого количества ионов. Концентрация их делает атмосферу способной проводить электрический ток. Образование ионов связано здесь с солнечными ультрафиолетовыми лучами, выбивающими из атомов га­ за электроны. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а выбитые электроны становятся свободными — от­ рицательными частицами. Большую роль играют здесь и космические лучи. На некоторых высотах ионизация воз­ растает, образуя как бы слои скопления ионов. Лучше всего выражены три таких слоя: слой Е на высоте 80—100 км, слой Е\ на высоте 150—180 км и слой на вы­ соте 250—400 км. Существование таких слоев сильно ска­ зывается на распространении радиоволн. При некоторых длинах волн вместо постепенного огибания зеленой по­ верхности они отражаются от указанных слоев, направ­ ляются к земле, снова отражаются и т. д. В силу этого создается слышимость радиосигналов на огромные рас­ стояния. Так, один из советских радиолюбителей держал длительную двустороннюю связь при маломощной аппа­ ратуре с антарктической экспедицией Бэрда на расстоя­ нии 20 тыс. км. Но бывает и так, что радиосвязь преры­ вается даже на близком расстоянии.

23

Самая верхняя часть атмосферы — э к з о с ф е р а — расположена выше 800 км. Она мало изучена. По теоре­ тическим расчетам и данным наблюдений температура в этой сфере с высотой продолжает возрастать предполо­ жительно до 2000°. В экзосфере газы настолько разре­ жены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростя­ ми, очень редко встречаются друг с другом.

При высоких температурах на условной границе атмо­ сферы скорости частиц газов достигают приблизительно 12 км/сек. При таких скоростях газы постепенно уходят из области действия земного притяжения в межпланет­ ное пространство. Однако это происходит в течение дли­ тельного времени. Например, частицы водорода с высоты 300 км удаляются в межпланетное пространство в тече­ ние нескольких лет. Более тяжелые газы уходят за пре­ делы земной атмосферы еще медленнее.

От атмосферы Земли — в межпланетное пространство

Многие люди думают, что межпланетное пространст­ во представляет собой некую абсолютную пустоту. В дей­ ствительности это не так. Межпланетное пространство заполнено материальной средой, правда, чрезвычайно разреженной. Всестороннее изучение природы материи, находящейся в самых высоких слоях атмосферы и меж­ планетном пространстве,— одна из актуальнейших задач современной астрономии и геофизики. Ведь через эти об­ ласти будут проходить трассы межпланетных полетов недалекого будущего. Понимать, какое влияние оказы­ вает Солнце на разнообразные земные явления, возмож­ но только после выяснения межпланетной газовой среды и свойств корпускулярных солнечных потоков. Исследо­ вания на советских космических ракетах с применением ловушек заряженных частиц показали, что в межпланет­

24

ном пространстве газ ионизирован. Он хорошо рассеива­ ет солнечный свет. Вокруг Земли были обнаружены об­ ласти с повышенным содержанием заряженных частиц, так называемые пояса радиации-— внутренний и внеш­ ний. Однако новые данные помогли установить, что меж­ ду внутренним и внешним поясами радиации также име­ ются заряженные частицы. Число их меняется в зависи­ мости от геомагнитной и солнечной активности. Иначе говоря, вместо поясов радиации существуют зоны радиа­ ции без четко выраженных границ.

Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полеты на космических кораблях. Поэтому перед полетом в космос определяется состояние и положение радиаци­ онных зон, а орбита космического корабля выбирается с таким расчетом, чтобы она проходила вне областей по­ вышенной радиации.

К. А. Тимирязев.— Солнечная радиация —■главный источ­ ник тепла для земного шара».

Общее количество этой энергии огромно. В каждую се­ кунду Земля получает от Солнца столько энергии, сколь­ ко выделилось бы при сжигании 3 млн. тбензина. У гра­ ниц атмосферы каждый квадратный сантиметр поверх­ ности, перпендикулярный к направлению солнечных лучей, получает за одну минуту приблизительно 2 малые калории; на поверхности Земли каждый квадратный сан­ тиметр усваивает в среднем 1,2 малой калории. И всетаки Земля за сутки приобретает больше тепла, чем дает все топливо, сжигаемое человечеством за 100 лет. По

25

(

сравнению с таким колоссальным количеством Прочие источники тепла можно считать незначительными.

Известно, что внутри земного шара есть очаги рас­ плавленной огненно-жидкой массы, но так как земная кора плохой проводник тепла, то внутреннее тепло спо­ собно повысить температуру на поверхности Земли лишь на 0,1°. Для океанов значение этого тепла еще меньше.

Вих глубинах преобладает температура около 0°. Вулканические извержения и лесные пожары могут

несколько повысить температуру на небольшом прост­ ранстве, но это явление временное и не играет скольконибудь заметной роли в тепловом балансе Земли.

Солнечная энергия порождает воздушные и морские течения, обеспечивает круговорот воды в атмосфере, про­ гревает земную поверхность. Тепло это, постепенно про­ никая вглубь, создает тот запас энергии, который необ­ ходим для всякой органической жизни. Дневное освеще­ ние и все разнообразие оптических явлений (голубой цвет неба, радуга и т. п.) создается солнечной энергией. Накопленная в виде каменного угля солнечная энергия позволяет человеку развивать промышленность, строить тепловые электростанции, фабрики, заводы. Реки и водо­ пады тоже представляют ее аккумулированный запас (белый уголь). Воздушные течения приводят в действие ветровые двигатели (голубой уголь). Наконец, в послед­ нее время строятся гелиоустановки, питаемые солнечной энергией при помощи зеркал (желтый уголь). Естествен­ но, что изучение солнечной радиации в современной ме­ теорологии крайне необходимо.

Солнечные лучи пересекают земную атмосферу под различными углами и, следовательно, проходят через разные толщи воздуха. По мере снижения солнца к го­ ризонту путь луча в атмосфере удлиняется, в результате солнечные лучи больше поглощаются атмосферой и энер­

26

гия их ослабевает. Независимо от поглощающего влия­ ния атмосферы на одну и ту же площадь земной поверх­ ности падает больше лучей в полдень, когда солнце вы­ соко, а меньше всего перед заходом солнца. Всем этим объясняется суточный и годовой ход температуры. По­ глощая лучистую энергию Солнца, поверхность Земли часть этой энергии теряет через излучение. Остальная часть расходуется на нагревание атмосферы, почвы и ис­ парение. Сама атмосфера также излучает тепловую энер­ гию как по направлению к земной поверхности, так и в мировое пространство.

Днем расход тепла Землей с избытком покрывается его притоком от Солнца, а в ночные часы расход усили­ вается. Ночное излучение бывает сильнее при ясной, сухой и тихой погоде; с увеличением количества водяного пара в атмосфере излучение уменьшается. Водяной пар играет как бы роль регулятора. С одной стороны, он ослабляет дневное нагревание земной поверхности, с другой — уменьшает ночное охлаждение. Облачный по­ кров также является своего рода покрывалом, ослабляю­ щим ночное излучение. Поэтому ночью особенно резкое охлаждение в пустынях, где воздух очень сух и нет облач­ ности. Например, в Сахаре ночью температура падает иной раз так сильно, что замерзает вода, в то время как днем стоит жара до 40° в тени. При этом почва охлажда­ ется на б—8° ниже температуры воздуха. Особенно силь­ но излучает поверхность чистого снега — разность в тем­ пературе между снегом и воздухом может быть 15°.

Весной и особенно осенью ночное охлаждение иногда приводит к заморозкам. Температура падает до 3—5° мороза и пагубно сказывается на растениях.

Днем тепло передается от земной поверхности нижним слоям атмосферы путем излучения, конвекции и переме­ шивания до высоты 1000—1500 м. Но на процесс пере­

27

дачи тепла затрачивается время, поэтому максимальная температура в приземном слое воздуха наступает не в полдень, а в 2—3 часа дня. Летом в ясную погоду почва нагревается так сильно, что ее температура может быть на 35—40° выше температуры воздуха.

Ночью поверхность Земли охлаждается от излучения тепла в мировое пространство. Это охлаждение переда­ ется воздушным слоям, непосредственно примыкающим к почве. Однако процесс охлаждения протекает медлен­ но и в небольшом слое, так как воздух является плохим проводником тепла. Кроме того, ночью ослабевает турбу­ лентное движение атмосферы, вызывающее перемешива­ ние воздуха. Поэтому понижение температуры лишь по­ степенно передается вверх и быстро ослабевает с высо­ той. Минимальная ночная температура на поверхности почвы и в приземном воздушном слое наступает почти одновременно.

Температура поверхности почвы влияет и на годовой ход температуры воздуха. Самым теплым месяцем в средних широтах северного полушария является июль, а самым холодным — январь.

Огромное количество солнечной энергии, поступаю­ щее на земную поверхность, до сих пор очень мало ис­ пользуется для технических целей, хотя вопрос этот да­ леко не нов. Еще 2000 лет назад римские жрецы демон­ стрировали перед народом «чудеса»: якобы сам собой зажигался священный огонь на алтаре богини Весты. Жрецы клали в фокусе металлического зеркала кусочек сухого дерева, который и загорался под действием сол­ нечных лучей. Для получения солнечной энергии и в на­ стоящее время используются параболические зеркала — так называемые солнечные машины.

Запасы солнечной энергии неисчерпаемы. Достаточно сказать, что, если бы удалось использовать только 1 %’

28

Рис. 5. Солнечная машина.

этой энергии, приходящейся на Сахару, человечество получило бы в свое распоряжение количество энергии, в десять раз превышающее потребность в ней населения всего земного шара.

Трудность использования солнечной энергии заклю­ чается в том, что она требует концентрации ее со значи­ тельной площади, так как на 1 кв. см падает не так уж много энергии. Поэтому гелиоустановки поневоле гро­ моздки. Кроме того, для их использования необходимы безоблачные дни, которых в умеренных широтах не­ много. Поэтому использование солнечной энергии в больших масштабах целесообразно лишь там, где число ясных дней в году превышает 200—250, например в Средней Азии и Закавказье.

В солнечной обсерватории на горе Вильсон в Ка­ лифорнии построена «солнечная кухня», в которой

29