Атмосфера

Земная поверхность окружена газовой, воздушной оболочкой— атмосферой, принимающей участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь.

Воздух, в отличие от воды, сжимаем. Поэтому с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20 км. По присутствие воздуха — чем выше, тем все более разреженного — обнаруживается до очень больших высот.

Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах до 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной. Из наблюдений с помощью ракет можно заключить, что атмосфера простирается, при все убывающей плотности, до высот более 20 тыс. км. Но космические ракеты, а также некоторые спутники с очень растянутой траекторией полета уже неоднократно пронизывали атмосферу и выходили в межпланетное пространство.

Высшие слои. Аэрономия

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 10—20 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Но и высшие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на сотни и тысячи километров, в последнее время изучаются все более интенсивно и успешно, особенно с помощью геофизических ракет и спутников.

В этих слоях при поглощении ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения происходят фотохимические реакции разложения газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому указанные слои сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью. В них наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающее так называемый ночной свет неба; в них происходят также сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения всех этих процессов своеобразны; само их исследование мало связано с изучением атмосферы у земной поверхности и в нижних слоях, но тесно связано с изучением земного магнетизма. Поэтому с недавних пор принято выделять учение о физических (и химических) процессах в высших слоях атмосферы в особую научную дисциплину, получившую название аэрономии. Эта наука уже не является частью метеорологии, а стоит рядом с нею.

Связи атмосферы с Солнцем и земной поверхностью

1.    Атмосферные процессы связаны с влияниями, идущими как сверху, из космоса, так и снизу, от земной поверхности. Источником энергии атмосферных процессов в основном является солнечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из мирового пространства. Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. Но солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, а уже между земной поверхностью и атмосферой происходит оживленный обмен тепла, а также и воды. Строение земной поверхности, ее рельеф имеют значение и для движений воздуха. С влияниями земной поверхности (нагревание, запыле-ние) в определенной степени связаны и оптические свойства атмосферы, и ее электрическое состояние.

Наличие атмосферы является, в свою очередь, важным фактором для разнообразных физических процессов, развертывающихся на земной поверхности — в почве и верхних слоях водоемов (например, ветровая эрозия, морские течения и ветровое волнение, установление и сход снежного покрова и многое другое), а также для жизни на Земле.

2.    В составе солнечной радиации есть наиболее коротковолновая ультрафиолетовая радиация, энергия которой невелика, но которая производит сильнейшее фотохимическое действие на высшие слои атмосферы (см. параграф 3). Сильно влияет на высшие слои атмосферы и корпускулярная радиация Солнца, т. е. потоки заряженных элементарных частиц, выбрасываемых Солнцем. Ультрафиолетовая и корпускулярная радиация значительно меняется во времени в зависимости от солнечной активности, т. е. от физических процессов, происходящих на Солнце и приводящих, между прочим, к изменению числа солнечных пятен. В связи с этим меняется состояние высших слоев атмосферы, содержание в них озона, их ионизация, электропроводность и пр., что, в свою очередь, сказывается и на состоянии нижних слоев, а стало быть, на погоде и климате. Механизм воздействия верхней атмосферы на нижние слои еще неясен.