Происхождение, распространение, состав

Весь земной шар окутывает невидимым слоем атмосфера — его воздушная оболочка. Ответить со всей определенностью на вопрос, как она появилась, пока не представляется возможным. Имеются лишь гипотезы, но дело будущего установить, какая из них верна, а может быть, найдется новое, отличное от них решение. Время существования атмосферы и точных наблюдений над ней совершенно несопоставимы. Возраст воздушной оболочки составляет несколько миллиардов лет, период ее изучения — около 200 лет.

Исследуя состав земной атмосферы, ученые определили, что ее состав отличается от вероятного состава атмосферы, окружающей другие планеты Солнечной системы. Работа в этой области еще только начинается. Так, сведения об атмосфере Венеры получены с помощью советских и американских автоматических станций. Проводятся наблюдения над атмосферой Сатурна. Эти исследования позволили установить, что атмосферы планет земной группы типично окислительные, в них мало (или вовсе отсутствует) водорода и много углекислого газа (в атмосфере Венеры углекислого газа 93–97 %).

Химический состав земной атмосферы с течением времени меняется под влиянием поверхности земной коры, биологических факторов и ультрафиолетовой солнечной радиации. В соответствии с теорией образования Земли академика О. Ю. Шмидта, частицы гигантского облака космической пыли, из которого образовалась Земля, выделили постепенно основные газы — атмосферу. Позднее легкие газы улетучились. Считают, что в современную эпоху газы попадают в атмосферу главным образом при извержении вулканов. А затем вновь возвращаются на земную поверхность. Как в прошлом, так и теперь продолжается сложный процесс формирования атмосферы планеты. А влияние деятельности людей на состав атмосферы с каждым годом увеличивается.

Человек всегда стремился понять явления природы, оградить себя от опасных, определить полезные. Не случайно земляне обожествляли солнце, луну, гром и молнию, ветры и моря. С незапамятных времен сохранились сведения о погоде, смене ветров, радуге, муссонах, о пыльных бурях. Но уже в глубокой древности ученым приходилось несколько ограничивать власть божественной силы. Так, Пифагор говорил, что «бог поступает всегда по правилам геометрии». В первых записях древних по метеорологии был отмечен годовой цикл погоды. Более четырех веков до нашей эры в греческих городах на всеобщее обозрение выставлялись календари погоды (их называли паранегамами, от греческого слова прикреплять) с описаниями наблюдений предшествующих лет. В них говорилось о ветрах, бурях, дождях, грозах и туманах. Сохранились сведения, дающие возможность составить представление о погоде того времени. По отдельным данным (прилет и отлет домашней ласточки или цветение персика) можно установить, что климат был теплее настоящего.

Первой книгой об атмосферных явлениях была «Метеорология» Аристотеля. Труд великого ученого состоял из четырех частей: в первой описывались явления, происходящие в верхних слоях атмосферы, во второй — моря, в третьей — бури и вихри, а четвертая посвящалась «Теории четырех стихий». Следовательно, уже тогда были известны многие метеорологические явления и делались попытки установить взаимосвязь океанов и атмосферы. Впервые «Метеорология» была переведена на итальянский язык в 1474 г. До 1600 г. вышло 135 ее изданий с различными комментариями. Средние века оставили нам летописи, также упоминавшие о явлениях погоды.

В период Великих географических открытий было доказано, что наша планета имеет форму шара и климат на ней весьма разнообразен. Мореплавание потребовало развития астрономии, оптики, навигации. В XVII в. были изобретены термометр, барометр и многие другие приборы. История создания термометра до сих пор еще во многом неясна. Высказывается предположение, что над изобретением термометра работали одновременно несколько ученых. Однако пальма первенства принадлежит Г. Галилею. Два с половиной столетия ушло на унификацию наблюдений температуры воздуха, да и сейчас эта работа еще не закончена.

Аристотель ввел ошибочное представление об абсолютной легкости воздуха, которое укрепилось необыкновенно прочно. Галилей же изучал давление воздуха. Он вычислил высоту медного столба, уравновешивающего давление воздуха, хотя сам еще пользовался термином «сила пустоты». Так приблизилось время появления барометра. Его изобрели ученики Галилея — Торичелли и Вивиани. Примерно в середине XVII столетия появились барометры с надписями: «дождь», «сильный дождь», «буря» (со стороны низкого давления), «ясно», «очень ясно», «очень сухо» (со стороны высокого). Эти надписи существуют на барометрах и в наши дни.

В XIX в. возникла одна из ветвей метеорологии — синоптическая. В 1816–1820 гг. Брандео в Германии составил первые синоптические карты для Европы. В 1842 г. Лумис сделал их в США. Для первых карт были использованы наблюдения 36 станций, из которых три находились в России (сейчас в нашей стране 10 тыс. метеорологических станций).

Постепенное совершенствование и анализ синоптических карт позволили сделать многие фундаментальные выводы о движении и свойствах воздушных масс. Пришло время оформления их в самостоятельную дисциплину с конкретной практической задачей — предсказание погоды. Этому способствовало изобретение телеграфа, который стал использоваться для быстрейшей связи отдаленных: районов с центральными учреждениями в случае приближения бурь, а также организации всей метеорологической службы.

14 ноября 1854 г. на Черном море произошла жесточайшая буря. Стоявший в это время в Балаклавской бухте англо-французский флот был уничтожен. Это трагическое событие привело к организации во Франции регулярной службы, которую возглавил известный астроном У. Леверье. Через три месяца после балаклавской бури вышла первая опытная карта, для которой были использованы наблюдения 13 метеорологических станций Франции. В последующие годы стали поступать наблюдения и из других стран, составляться и публиковаться карты, организовалась служба штормовых предупреждений.

В 1872 г. возникла служба погоды и в России. В Главную физическую обсерваторию в Петербурге по телеграфу передавались сведения с 60 русских и зарубежных станций, штормовые предупреждения ограничивались лишь акваторией Балтийского моря и озер.

В течение нескольких десятилетий синоптический прогноз был, в сущности, прогнозом изменений поля давления атмосферы. Считалось, что горизонтальное распределение давления это и есть условия погоды. Но температура воздуха, осадки, облачность связаны не только с давлением. В атмосфере все значительно сложней. Необходима была перестройка самого метода синоптической метеорологии, его научных основ и прогностических возможностей. В 1915 г. в России возникло Военно-метеорологическое управление и Главная авиаметеорологическая станция. Да и сама метеорологическая наука уже была подготовлена к перестройке.

Развитие аэрологических наблюдений в конце XIX в., т. е. исследование верхних слоев атмосферы, привело к тому, что произошел поворот к изучению процессов в трех измерениях. Существенную роль в этом сыграли и успехи динамической метеорологии, в особенности учение о циркуляции атмосферы и об энергии атмосферных движений (В. Бьеркнес и М. Маргулес). Благодаря радиосвязи был установлен международный обмен метеорологическими сводками. Синоптические карты начали составляться для всего северного полушария, а затем и для Земного шара. Если во время первой мировой войны было несколько десятков станций, то к 40-м годам их насчитывалось уже тысячи. Сами передаваемые наблюдения стали подробнее, охватили большое число элементов. Радио стало основным средством информации о будущей погоде. Таким образом, крупнейший технический переворот в средствах связи привел к перевороту в синоптической метеорологии. Метеорологическая наука за 20 лет (1920–1940 гг.) сделала больше, чем за всю свою предшествующую историю.

Значительное развитие получила служба погоды в нашей стране. В 1930 г. был организован Центральный институт погоды, республиканские и областные центры службы погоды, синоптическая служба в аэропортах гражданской и военной авиации.

Изобретение радиозонда сделало возможным появление высотных карт погоды и вертикальных разрезов. В нашей стране они систематически составляются с 1937 г. С помощью этих карт были открыты и исследованы струйные течения — узкие, но исключительно сильные потоки в верхней атмосфере и тропосфере. В 1945 г. первые полеты самолетов в тропических циклонах положили начало их подробному исследованию.

Одновременно с синоптическим разрабатывался гидродинамический метод прогноза погоды — в первую очередь прогноза поля давления. В 1939–1940 гг. были предложены новые приемы для предсказания поля давления и температуры, в частности перенос изобар и изотерм вдоль некоторых предвычисленных траекторий, позднее развитый и усовершенствованный. Теоретически изучена система волн, возникающих в общем западном воздушном потоке. Большой вклад в гидродинамический метод прогнозов внес советский ученый И. А. Кибель.

Еще в 1925 г. советский ученый А. А. Фридман предложил уравнение переноса вихря. Оно было широко использовано во многих странах — США, Германии, Англии и др. Когда спустя два с лишним десятилетия началось широкое применение электронно-вычислительной техники, стало возможным быстро решать сложные системы уравнений динамики атмосферы, учитывать в прогнозах многие добавочные физические факторы, например влияние орографии.

До сих пор мы говорили лишь о краткосрочных прогнозах погоды. Ведется также большая работа по созданию и применению методов долгосрочных прогнозов средствами гидродинамики. В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом развиваются идеи о влиянии солнечной активности на макропроцессы погоды. Общая тенденция исследований сейчас такова, что надо искать глубокие взаимозависимости между всеми геофизическими явлениями. Надо также учитывать и роль космических факторов.

Атмосфера испытывает постоянное воздействие сверху — космического пространства, снизу — земной поверхности, почвы, снежного покрова и, конечно, океанов, морей и других водоемов. Основной источник энергии атмосферы — солнечное излучение, постоянно идущее к Земле.

Физическое состояние атмосферы характеризуется величинами, называемыми метеорологическими элементами, — это температура, влажность, давление воздуха, ветер (его направление и скорость), осадки, дальность видимости, оптические, электрические явления. Сочетание нескольких метеорологических элементов порождает грозу, метель, туман, смерч, полярные сияния и др. Изучать атмосферные явления, находить их взаимосвязи призвана метеорология. В наш век дифференциации наук и метеорология разделилась на ряд отдельных отраслей, Одна из них — физика атмосферы, в которой основное внимание уделено физическому механизму атмосферных процессов и явлений. Конкретно физика атмосферы изучает термодинамические процессы, состав, строение, образование облаков, туманов и др.

Разработкой методов предсказания погоды занимается синоптическая метеорология. Динамическая (теоретическая) метеорология, широко используя математический аппарат, применяет теоретический метод исследования. Наука о климате — климатология. Физика свободной атмосферы — аэрология — изучает верхние слои атмосферы (до высот в несколько десятков километров). В последние годы возникает новая наука — аэрономия. Она обязана своим происхождением тем наблюдениям, которые производятся с помощью геофизических и метеорологических ракет, искусственных спутников Земли, пилотируемых и автоматических кораблей и межпланетных станций. Здесь речь идет уже о высотах в несколько сотен и тысяч километров. Эта наука рождается на наших глазах вместе с развитием космических исследований, и путь ее еще только начинается, хотя можно предположить, что он будет стремительным, захватывающе интересным и принесет новые открытия.

Практические требования общества породили ряд важных прикладных отраслей метеорологии — таких, как авиационная метеорология, агрометеорология, биометеорология (влияние атмосферных процессов на человека и другие живые организмы), ядерная метеорология (изучение естественной и искусственной радиоактивности, распространение в атмосфере радиоактивных примесей, влияние ядерных взрывов). Радиометеорология, активно развивающаяся в последнее время, изучает распространение радиоволн в атмосфере. Можно было бы назвать еще несколько прикладных аспектов метеорологии: лесную (связанную с лесными пожарами), транспортную, строительную и др.

Что же представляет собой атмосфера — предмет изучения столь многих паук, использующих различные методы и подходы? Прежде всего, о высоте атмосферы. Ее четкой верхней границы не существует, она плавно переходит в межпланетное пространство. Плотность составляющих атмосферу газов приближается к плотности его газов. Условно принято, что граница проходит на высоте 1000–1200 км, где еще иногда наблюдаются полярные сияния. Невозможно пока точно установить глубину (или высоту) проникновения атмосферы в космос. Наблюдения спутников над изменением плотности воздуха показывают, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды с высот 2–3 тыс. км. Косвенные данные позволяют полагать, что внешняя часть атмосферы проникает в сильно разреженную, с температурой около 100 тыс. °С солнечную атмосферу и взаимодействуют с ней. Следы атмосферы обнаружены автоматическими межпланетными станциями на высоте более 20 тыс. км. Ученые полагают, что земная атмосфера переходит в солнечную на высоте 60—100 тыс. км. Существует явление, называемое ускользанием атмосферы. Оно состоит в том, что молекулы и атомы газов, находящиеся в постоянном движении, поднимаясь высоко вверх, реже сталкиваются друг с другом (их становится все меньше в единице объема) и могут уйти в межпланетное пространство.

Масса земной атмосферы равна приблизительно 5,27 * 10¹⁸ кг. Основная ее часть сосредоточена в относительно тонком приземном слое.

Все метеорологические элементы меняются в пространстве и наиболее сильно — по вертикали. Например, температура воздуха изменяется по вертикали в несколько сотен раз больше, чем по горизонтали. Атмосферу можно разделить на ряд слоев, или сфер. В 1962 г. Всемирная метеорологическая организация, проанализировав все имеющиеся к этому времени данные, пришли к выводу, что по характеру распределения температуры выделяется пять сфер: тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км), термосфера (от 80–85 до 800 км), экзосфера (выше 800 км).

Название самого нижнего слоя атмосферы, начинающегося у земной поверхности, происходит от греческого слова «тропос», что означает «вращаться, перемешиваться». Высота тропосферы непостоянна и зависит от географической широты места, времени года, циркуляции. Граница атмосферы на одной и той же широте выше летом и ниже зимой. В умеренных широтах мощность атмосферы 9—12 км, близко к полюсам она меньше, порядка 8—10 км, к экватору больше — 16–18 км. Воздух в тропосфере движется не только в горизонтальном и вертикальном направлении, но и постоянно перемешивается, Именно в тропосфере образуются облака, так как здесь сосредоточена основная масса водяного пара, выпадают осадки и происходят другие метеорологические явления. С высотой в тропосфере убывает температура — на каждые 100 м более чем на полградуса. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура в уморенных широтах — 50–60°, над экватором — около 70°, над Северным полюсом зимой — 65°, летом 47°.

Тропосферу и стратосферу разделяет слой толщиной от нескольких метров до 1–2 км, который принято называть тропопаузой. В этой области образуются очень мощные узкие воздушные потоки со скоростями 150–300 км/ч, так называемые струйные течения. Лежащая выше стратосфера характеризуется вначале (до высоты 35 км) очень медленным ростом температуры, а затем значительно более быстрым, и на верхней границе достигает среднегодового значения около 0°. Здесь в зависимости от сезона и высоты колебания очень значительны. В стратосфере водяного пара уже почти нет, облака не образуются. И лишь очень редко на высоте 20–25 км возникают перламутровые облака. Долго считалось, что в отличие от тропосферы в стратосфере воздух не перемешивается, что это — весьма спокойная среда. Но радиометрические приборы и метеорологические ракеты принесли новые сведения — оказывается и здесь, в стратосфере, существует интенсивная циркуляция воздуха и вертикальные его перемещения.

Следующий за стратосферой слой — мезосфера — также отделен промежуточным — стратопаузой, который еще недостаточно полно изучен. В мезосфере температура с высотой падает до — 70–80°. Есть данные, что скорость ветра достигает здесь 150 м/с. Можно предполагать, что в мезосфере существуют интенсивные турбулентные движения. Выше находится промежуточный слой — мезопауза. В этой области наблюдаются серебристые облака. Ракетные наблюдения показывают, что на высоте 150 км температура равна примерно 220–240° К, на высоте 200 км 500°К, а на верхней границе термосферы превышает 1000°К (К — кинетическая температура газа (воздуха), определяемая движением его молекул и доступная для непосредственного измерения). В термосфере, расположенной над мезопаузой, температура с высотой возрастает.

Экзосфера — сфера рассеяния — представляет собой внешний слой, постепенно переходящий в межпланетное пространство. Температура здесь еще более повышается, предположительно она равна 2000 К, газы находятся в весьма разреженном состоянии, их частицы движутся с огромными скоростями, почти не сталкиваясь друг с другом.

Жизнь и деятельность человека развивается в самой нижней части атмосферы. Поэтому особенно важно знать, как взаимодействует атмосфера с земной поверхностью. С этой точки зрения атмосферу принято делить на нижний, пограничный слой, в пределах 1–1,5 км, и верхний, лежащий выше, называемый свободной атмосферой. В первом существуют суточные изменения метеорологических элементов, на движение воздуха влияет трение о земную поверхность. В этом слое может быть выделен еще один, самый нижний, высотой 50—100 м. Его называют приземным слоем, потоки тепла и водяного пара в нем мало изменяются с высотой.

В горизонтальном направлении атмосфера также неоднородна. Вся тропосфера делится на обширные объемы с относительно однородными условиями, узкими полосами, где метеорологические изменения весьма резки. Обширные объемы воздуха, перемещающиеся в одном из течений, называется воздушными массами. В зависимости от того, где формировалась та или иная воздушная масса, как долго находилась она над определенной подстилающей поверхностью, зависят ее свойства. Естественно, что одни свойства рождаются в воздухе, подстилаемом льдами Арктики, и совсем другие — в тропиках. Таким образом, возникла следующая классификация воздушных масс, основанная на географических особенностях их формирования.

1. Арктический воздух, образовавшийся над Полярным кругом, в Арктическом бассейне и над прилежащими частями материка (АВ).

2. Умеренный воздух, формирующийся в умеренных широтах (УВ).

3. Тропический воздух, образующийся в тропических и субтропических широтах (ТВ). Этот воздух формируется иногда в летнее время над континентами в южных районах умеренных широт.

4. Экваториальный воздух — воздух экваториальной зоны, иногда переходящий из одного полушария в другое (ЭВ).

Внутри одной и той же воздушной массы метеорологические элементы меняются мало, а при переходе из одной массы в другую — резко, скачком. Переходные зоны, где метеорологические элементы в горизонтальном направлении изменяются быстро, принято называть фронтом (иногда фронтальными зонами, или фронтальными поверхностями). Когда надвигается холодный воздух и клином подтекает под отступающий и вытесняемый вверх теплый воздух, фронт называется холодным. Когда надвигается теплый воздух и постепенно натекает на отступающий холодный, речь идет о теплом фронте.

Различают три главных фронта: арктический (между арктическим и умеренным воздухом), умеренных широт (между умеренным и тропическим), тропический (между тропическим и экваториальным воздухом).

Перемещения, изменения и взаимодействие воздушных масс и фронтов обусловливают изменение погоды, поэтому их изучение особенно важно при составлении прогнозов. Движение атмосферы различных масштабов и природы, физические явления и процессы, происходящие в атмосфере (излучение, нагревание и охлаждение, взаимные превращения пара, воды и льда), составляют сущность современной науки о воздушной оболочке Земли. Но воспроизвести все сложнейшие явления в заранее заданной обстановке невозможно. Поэтому в последние годы организуются крупномасштабные натурные эксперименты. В 1972–1974 гг. был проведен Международный тропический эксперимент по изучению динамики и энергетики тропической зоны планеты, использовались современные методы наблюдений атмосферы и океана.

В состав атмосферы входят различные группы веществ. Первая — главные постоянные газы: азот, кислород, аргон. Сюда может быть отнесен и водяной пар, хотя количество его непостоянно и заметно меняется от времени и места. Далее идут малые постоянные газы: углекислота, окись углерода, метан и др. Они химически устойчивы, но существуют в атмосфере в небольших количествах. Причисляют к данной группе озон атмосферы и нижней стратосферы — ненасыщенные и неустойчивые молекулы, малочисленные и химически очень активные, озон верхней атмосферы. В последнюю группу входят аэрозоли — твердые и жидкие частицы, плавающие в воздухе.

Азот воздуха составляет по объему 78,08 %. Он почти не участвует в поглощении энергии и превращениях вещества в атмосфере. Исключение представляют, пожалуй, лишь некоторые виды бактерий в почве, которые усваивают азот и выделяют в атмосферу очень небольшое количество его окиси. Преобладание азота в атмосфере объясняют его инертностью. Выделившийся в начальной стадии образования атмосферы он сохранился в ней в большем количестве, чем другие газы.

Вторая по объему (20,95 %) составная часть атмосферного воздуха — кислород. Он необходим для дыхания почти всех живых организмов, горения, участвует в реакциях со многими другими газами. Ракетные наблюдения показали, что на больших высотах (порядка 200 км) кислород должен преобладать над азотом. О кислороде в верхней атмосфере можно судить по спектрам в полярных сияниях. Здесь под действием проникающих в атмосферу протонов и электронов, испускаемых активными областями (например, вспышками на Солнце), светятся разреженные газы и больше всего атомарный кислород. Эти частицы, сталкиваясь, возбуждают атомы и молекулы, которые затем высвечиваются. Нижний край кислородных полярных сияний расположен на высоте около 100 км, а верхний — до 700 км. 8 марта 1970 г. в Москве наблюдалось большое полярное сияние, в котором видны были зеленое и красное свечения с фиолетовыми оттенками.

Аргон как тяжелый газ, по-видимому, в термосфере отсутствует. Аргон атмосферы пассивен.

Углекислый газ принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла. Средняя его концентрация по объему в 1973 г. составляла 0,0324 %. Надо заметить, что она непрерывно возрастает из-за сжигания топлива, лесных пожаров и обжига цемента. Так, за время с 1890 г. эти источники давали в год около 1,4 * 10⁹ т, а в 1971 г. уже почти 2 * 10¹⁰ т CO₂. Годовое увеличение углекислоты в атмосфере составляет только половину этой величины, а следовательно, другая половина должна поглощаться океаном. Но последний процесс идет медленно, и еще медленнее происходит передача углекислоты в глубинные слои, в которых уже растворено углекислоты в 50 раз больше, чем в атмосфере.

Углекислота энергично потребляется растениями как на земной поверхности, так и в океане. По оценкам некоторых ученых, из-за накопления углекислоты должно произойти повышение средней температуры воздуха приблизительно на 3 °C. Большее потепление (до 11°) должно охватить полярные страны и меньшее (до 2°) — тропические, в первую очередь в южном полушарии, где площадь поглощающей поверхности океана больше. Это, однако, процесс длительный.

В атмосфере есть также в небольшом количестве окись углерода, концентрация которой особенно велика в промышленных районах. Над океаном она меньше.

Водород находится в нижней атмосфере, куда попадает при промышленном загрязнении воздуха и извержении вулканов. В земной атмосфере очень мало водорода и сравнительно мало гелия, хотя он и выделяется при радиоактивном распаде. Приход и уход гелия уравновешивается поступлением его из земной коры и ускользанием вверх. Полагают, что водород, участвовавший в образовании нашей планеты, уже почти весь потерян.

Присутствие в атмосфере озона имеет очень большое значение — он защищает живые организмы от вредного, а порой и губительного влияния избытка ультрафиолетовых лучей Солнца.

В далекие геологические эпохи, когда в атмосфере Земли не было кислорода и озона, жизнь развивалась в океане, защищенном слоем воды. Водоросли понемногу выделяли кислород в атмосферу. В начале палеозойской эры его количество составляло сотую долю от современного, над земной поверхностью возник слой озона. Сотни миллионов лет на Земле преобладали лишь водоросли и грибы, затем начался бурный расцвет жизни на суше во всех ее формах. Защитная роль озона велика и в наши дни. Более 1 % солнечной энергии поглощается в верхней части озона, именно поэтому такой теплый воздух (выше 0°) наблюдается в слое 40–55 км. Озон химически активен, реагирует с другими малыми газами атмосферы.

Озон — сильно расслоенный в атмосфере газ. Высота, мощность и смешение его сильно зависят от динамических процессов атмосферы. Наблюдения над озоном дают возможность детально изучать циркуляцию атмосферы, движения фронтов.