Слово атмосфера происходит от греческих слов atmos, что означает водяной пар, и sphaira, что значит — сфера, шар. Теперь этим термином называют газовую оболочку, окружающую земной шар.
Воздух или вещество, составляющее атмосферу, является механической смесью различных газов. Проба чистого и сухого воздуха содержит около 78% (по объёму) азота, 21% кислорода и около 1% аргона. Кроме того, в ней содержится около 0,03% углекислоты.
Азот, кислород, аргон и углекислота составляют 99,99% сухого и чистого воздуха. Остающаяся 0,01% содержит следы газов: неона, криптона, гелия, озона, ксенона и водорода. Они находятся в воздухе в таких незначительных количествах, что не имеют практического значения при исследованиях явлений погоды.
Количество углекислоты не вполне постоянно. Она непрерывно поглощается растительностью и также непрерывно производится животными и образуется при сгорании топлива, вулканической деятельностью и при процессах разложения в почве. Хотя все эти процессы не всегда уравновешены между собой, количество углекислоты в атмосфере остаётся почти постоянным, так как океаны, растворяя избыток углекислоты, эффективно регулируют её количество.
Количество озона в нижних слоях атмосферы невелико. Оно достигает максимума на высотах между 10 и 25 км. Здесь количество его подвержено значительным колебаниям.
За исключением указанных изменений содержания углекислоты и озона, состав атмосферы очень постоянен как по распределению вдоль земной поверхности, так и при поднятии вверх, во всяком случае, до высот, достигнутых приборами.
Воздух содержит в себе также водяной пар, находящийся в нём в переменных количествах. Во многих отношениях водяной пар является самой важной составной частью атмосферы.
Количество водяного пара, находящегося в воздухе, всецело зависит от его температуры. Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара может в нём содержаться. Воздух считается насыщенным тогда, когда количество водяного пара достигает в нём возможного при этой температуре максимума. Если воздух охладится настолько, что его температура окажется ниже температуры насыщения его водяным паром, то происходит конденсация последнего, заключающаяся в превращении пузырьков водяного пара в водяные капельки, или—при температуре ниже нуля—в ледяные кристаллы.
Мелкие водяные капли и кристаллы поддерживаются в воздухе восходящими воздушными потоками. При особых условиях, которые будут описаны ниже, эти мельчайшие капли или ледяные кристаллы соединяются и образуют большие капли или хлопья снега. Если они достигают таких размеров, что восходящие потоки уже не могут удержать их в воздухе, то они падают вниз в виде дождя или снега.
Примеси
Кроме названных составных частей, воздух содержит в себе также переменное количество примесей. К их числу относятся: пыль, сажа, соль.
Главным источником пыли являются засушливые районы, например, пустыни и степи. Более крупные частицы, поднимаемые ветрами вверх, никогда не уносятся далеко от места своего происхождения, но мелкие частицы пыли уносятся далеко и рассеиваются по всей нижней части атмосферы. Воздушные массы, прошедшие над субтропическими континентами, обычно содержат значительное количество пыли. Полярные воздушные массы относительно чисты.
Промышленные районы, действующие вулканы и возникающие иногда лесные пожары представляют собой главные источники сажи. Если топливо сгорает при высокой температуре, то водород и кислород соединяются и дают водяной пару а углерод и кислород при соединении образуют углекислый газ; и тот и другой являются нормальными составными частями атмосферы.
Если же сгорание топлива происходит при низкой температуре, соединение углерода и кислорода затрудняется, не полностью сгоревшие частицы угля уносятся вверх поднимающимся воздухом и сгущаются в сажу.
Наблюдения обнаруживают, что в воздухе обычно содержится значительное количество соли. Под действием ветра брызги с — поверхности океанов уносятся вверх; здесь вода постепенно испаряется, и в воздухе в виде мельчайших частиц остаётся соль.
Частицы, загрязняющие воздух и тем самым приводящие к его помутнению, настолько мелки, что они не видимы простым глазом, но, вызванное ими, ухудшение видимости и изменение окраски отдалённых предметов хорошо заметно. Сквозь помутнение удалённые объекты, если они темны (горы), видны, как через тонкую вуаль светло-голубого цвета. Если же они белы (например, покрытые снегом горы или облака у горизонта), то вуаль приобретает желтоватую окраску. На некотором расстоянии, зависящем от степени помутнения, все детали исчезают, и объекты вырисовываются на фоне неба в виде силуэтов. Чем сильнее помутнение, тем короче расстояние, па котором исчезают все детали объекта.
Присутствие пыли в атмосфере влияет не только на видимость предметов: при отсутствии в воздухе пыли он был бы совершенно чист и в нём не происходило бы заметной конденсации водяного пара. Последняя происходит при охлаждении воздуха до температуры насыщения на определённых активных (гигроскопических) ядрах. Наиболее активными ядрами конденсации являются частицы соли из океанов и продукты горения. Наблюдения показывают, что такие частицы постоянно находятся в атмосфере в большом количестве.
Структура атмосферы
Воздух чрезвычайно подвижен и сжимаем. Хотя он очень лёгок, но всё же обладает определённым весом. При обычном давлении и температуре вес объёма воздуха, взятого у земной поверхности, составляет около 1/800 веса такого же объёма воды. 1 куб. метр воздуха весит около 1,3 килограмма.
Столб воздуха от земной поверхности до границы атмосферы оказывает на земную поверхность давление, эквивалентное весу столба воды высотой приблизительно в 10 м или весу столба ртути высотой всего в 76 см. Поэтому для измерения давления атмосферы применяются ртутные барометры.
Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Если измерить вес воздушного столба между двумя точками, находящимися на одной вертикали, то, зная температуру и давления в этих точках, можно вычислить разность высот между ними. При нормальном распределении температуры давление становится простой функцией высоты, и его соотношение позволило сконструировать для определения высоты специальные барометры—высотомеры (альтиметры), на шкале которых вместо давления прямо указана высота. Такие приборы теперь широко применяются в авиации.
Так как атмосферное давление равно весу воздушного столба, то с увеличением высоты оно должно постепенно уменьшаться и приближаться к нулю. Также будет меняться и плотность воздуха. Однако, атмосфера не имеет резкой верхней границы, она постепенно переходит в безвоздушное пространство.
Несмотря на то что атмосфера достигает больших высот, только её нижняя часть оказывает влияние на погоду. Наиболее высокие облака редко наблюдаются выше 10 км над земной поверхностью. 50% общего веса атмосферы и около 90% общего содержания влаги остаются в пределах нижних 5 км.
Стратификация атмосферы
Как выяснено, что температура воздуха уменьшается с высотой до 11 км, а затем остаётся постоянной. Величина убывания температуры с высотой называется вертикальным температурным градиентом. Нижняя часть атмосферы, характеризуемая значительной величиной температурного градиента, называется тропосферой. Более высокая часть атмосферы, отличающаяся почти полной неизменностью температуры, называется стратосферой. Переходный слой, отделяющий стратосферу от тропосферы, называется тропопаузой.
Высота тропопаузы над земной поверхностью зависит от широты места и времени года. Она также меняется в связи с характером погоды: над областями с низким давлением (циклонами) тропопауза, как правило, ниже, над областями с высоким давлением (антициклонами)— выше. На рис. 2 показана обычная высота тропопаузы и среднее распределение температуры в нижней части атмосферы. Следует отметить, что температура стратосферы от полюсов к экватору уменьшается.
Наибольшая высота, которой достигли метеорологические приборы, равна приблизительно 36 км. Непосредственные наблюдения, произведенные ниже 36 км, новейшие исследования радиации, метеоров, полярных сияний, распространения звука, радиоволн и т. п. позволяют сделать некоторые выводы о структуре верхних слоёв атмосферы. Наши современные знания о стратификации атмосферы можно коротко резюмировать следующим образом.
В тропосфере температура понижается с высотой приблизительно на 0,6 градуса на каждые 100 м. Тропосфера относительно неустойчива, в ней часто образуются вертикальные течения, приводящие к конденсации водяного пара и появлению облаков и осадков. Все обычные явления погоды развиваются внутри тропосферы и главным образом в её нижней половине.
Выше тропопаузы температура остаётся постоянной или даже растёт с высотой. Это установлено, по крайней мере, до тех высот, которые были достигнуты метеорологическими приборами. Над тропопаузой мы встречаем слой, особенно богатый озоном. Новейшие исследования Добсона (Dobson) и других обнаружили заметную связь между количеством озона над тропопаузой и погодой у земной поверхности. Стратосфера обычно безоблачна, хотя иногда, в связи с наличием озона, там наблюдается особый тип облаков (перламутровые облака). Пространство между тропопаузой и слоем озона всегда безоблачно; а так как воздух внутри этого слоя чрезвычайно устойчив, то в нижней стратосфере лётные условия больше всего приближаются к идеальным.
Статистические исследования показывают, что метеоры исчезают преимущественно на высоте от 80 до 40 километров над земной поверхностью. Этот факт вместе с результатами исследования звуковых волн, по видимому, указывает на то, что температура слоя между 40 и 80 км очень высока (60—70° С).
На высоте около 60 км находится слой, который имеет тенденцию поглощать радиоволны. Так как этот слой образуется под действием солнечных лучей, то ночью радиус слышимости радиостанций, особенно—коротковолновых, увеличивается.
Выше 80 км находится так называемая ионосфера. В нижней её части изредка встречаются светящиеся облака. Ионосфера характеризуется наличием нескольких электропроводящих слоёв, из которых наиболее важен слой Коннелли-Хевисайда (Kemielly-Heaviside), или £-слой. Он отражает радиоволны обратно к земной поверхности, и именно этим объясняется большой радиус действия радиостанций. Слой Кэннелли-Хевисайда очень отчётлив и в нормальных условиях находится между 90 и 130 км. Выше него лежит так называемый слой Аппльтона (Appleton) или F-слой. Он выражен слабее, и высота его непостоянна; иногда он распадается на несколько расплывчатых слоёв.
Полярные сияния и родственные им явления часто наблюдаются в нижней части ионосферы. Новейшие измерения Штермера (Stormer) показали, что полярные сияния встречаются до 1200 км над земной поверхностью. Это свидетельствует о наличии атмосферы в измеримых количествах даже на таких больших высотах.