А как обстоит дело с воздушной оболочкой Земли? Имеет ли воздух в нижних слоях атмосферы такие же свойства, как на высотах, скажем, 500 или 1000 км? Присуще ли слоистое строение и воздушной оболочке Земли?
Когда мы в безоблачный день смотрим вверх, то видим, что небесный свод как бы затянут синей или голубой пеленой. Создается впечатление, будто вся атмосфера состоит из однородной массы воздуха.
Таким образом, непосредственные наши впечатления не позволяют сделать вывод о слоистом строении атмосферы. Однако косвенные методы исследования, как, например, наблюдения за распространением звука и радиоволн, а также измерения метеорологических величин с аэростатов и самолетов, показали, что в действительности атмосфера, как и земной шар, тоже имеет слоистое строение. При этом говорят о расчленении атмосферы на сферы.
Сведения о слоистом строении атмосферы получены сравнительно недавно. В XVII и XVIII вв., основываясь на принципах открытого Лейбницем дифференциального исчисления, мир со всеми происходящими в нем процессами считали непрерывным, а распределение материи в нем представляли всюду равномерным и гармоническим. Однако на примере земного шара мы уже видели, что распределение материи в действительности может быть и скачкообразным. Скачки же между различными сферами в атмосфере имеют очень важное значение для развития погодных процессов.
В настоящее время утвердилось представление о том, что атмосфера расчленяется по вертикали на четыре основные сферы[11]. В действительности же строение атмосферы значительно сложнее, чем это будет описано ниже.
Нижним «этажом» атмосферы является тропосфера, в которой и происходят основные погодные процессы. В полярных областях тропосфера имеет высоту около 8 км, а в тропических широтах — до 17 км. Характерным свойством тропосферы является уменьшение температуры воздуха с высотой. Над Центральной Европой оно составляет в среднем около 0,65° при подъеме на каждые 100 м. Весь водяной пар атмосферы почти целиком сосредоточен в тропосфере, так что только здесь образуются облака и выпадают осадки. Радиационный режим и движение воздуха в тропосфере в конечном счете обусловливают комплекс атмосферных явлений, который мы называем погодой. На верхней границе тропосферы, где температура воздуха изменяется от —35 до —90°, находится резко выраженный переходный слой, особенно отчетливо проявляющийся в скачке температуры, влажности и ветра. Этот слой называется тропопаузой.
Второй «этаж» атмосферы образует стратосфера. В этом слое температура воздуха увеличивается с высотой[12]. В стратосфере тоже расположена нагревательная поверхность (кроме земной). Ею является слой озона, или озоносфера. Если земная поверхность играет роль нагревателя нижних слоев атмосферы благодаря своему свойству поглощать солнечную радиацию и превращать ее в тепло, то в стратосфере происходят совершенно иные процессы. Здесь ультрафиолетовые лучи взаимодействуют с кислородом высоких слоев атмосферы, что приводит к образованию озона (О3). При этом выделяется тепло, которое и способствует нагреванию верхней стратосферы. Стратосфера также принимает большое участие в формировании погоды у земной поверхности.
С высоты примерно 80 км начинается третий «этаж» атмосферы — ионосфера[13]. Это сильно ионизированный слой атмосферы. Ионом в физике называется молекула или атом, которые обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом. В поле конденсатора ионы движутся в направлении к полюсам (электродам), имеющим знаки, противоположные знакам заряда ионов, т. е. положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательно заряженные — к положительному. Воздух, в котором имеются ионы, приобретает электропроводность.
В ионосфере образование ионов вызывается тем, что ультрафиолетовая радиация Солнца выбивает отдельные электроны из оболочек атомов атмосферных газов. Ионосфера не является однородным слоем, в котором ионы распределены равномерно. Наоборот, в зависимости от времени суток и сезона в ней образуется несколько различных слоев повышенной ионизации, получивших название слоев D, Eb Е2, F1 и F2. По имени открывших их ученых слои Е называются также слоями Хивисайда, а слои F — слоями Эпльтона. Область наибольшей концентрации ионов зимой располагается в слое Е на высоте 100 км, а в слое F — на высоте около 150 км над уровнем моря. Летом эти области перемещаются на высоты 120 и 350 км соответственно.
12
По современным данным, температура в стратосфере сначала почти не меняется с высотой, а затем медленно повышается.
13
Эти сведения устарели. В современной метеорологии вертикальное расчленение атмосферы на сферы производится по единому признаку, а именно по характеру изменения температуры воздуха с высотой, расчленение ионосферы — по характеру ионизации слоев. В 1962 г. Всемирная метеорологическая организация установила следующие названия слоев атмосферы: тропосфера (в среднем до высоты 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км), термосфера (от 80–85 км примерно до 800 км), экзосфера (выше 800 км). Таким образом, сильно ионизированный слой атмосферы — ионосфера — в основном лежит в области термосферы.
Ниже мы стремились повсюду, где это имело значение для смысла изложения, привести терминологию автора в соответствие с указанными здесь названиями слоев.