Строение атмосферы Земли. Цвет неба

Итак, что же такое атмосфера? По сути, это газовая оболочка, которую планета удерживает вокруг себя силой своей гравитации. Если посмотреть на наши планеты-соседки, то мы увидим, насколько они разные. У Марса и Венеры атмосфера состоит почти целиком из углекислого газа. Гиганты вроде Юпитера и Сатурна окутаны облаками из гелия, водорода, метана и аммиака. А вот у Меркурия атмосферы практически нет, он совсем голый.

Наша земная атмосфера — это особая смесь газов. В основном она состоит из азота, его здесь примерно 78 %, и кислорода, которого около 21 %. Казалось бы, всего один процент остаётся на всё остальное, но именно в этом проценте кроется жизнь. Водяной пар и углекислый газ, которых вместе меньше 0,01 %, абсолютно необходимы для существования всего живого. И хотя масса всей атмосферы колоссальна — 5,3 ∙ 10¹⁸ кг, — это всё равно в миллион раз меньше массы самой Земли.

Мы, по сути, живём на дне огромного воздушного океана, даже не замечая этого. И несмотря на кажущуюся «ветреность» и призрачность этого океана, он надёжно защищает нас от смертоносных космических лучей, от леденящего холода (вакуума), от потоков мелких метеоритов, которые сгорают, не долетая до поверхности. В конце концов, атмосфера создаёт необходимое для жизни давление и даёт нам кислород для дыхания. Если бы не было атмосферы, то земные пейзажи мало чем отличались бы от лунных — безжизненных и унылых, испещрённых метеоритными кратерами. Если бы не было атмосферы, то мы не слышали бы звуков, не видели бы синего неба и разноцветной радуги, не любовались бы полётами птиц.

Кажется, что устроена атмосфера просто: внизу давление высокое, наверху — низкое, и там, где давление падает почти до нуля, она и заканчивается. Но на самом деле всё гораздо сложнее и интереснее. Давайте поднимемся вверх и посмотрим, из каких слоёв она состоит.

Самый нижний слой, наш дом, — это тропосфера. Её толщина — от 8 км до 18 км. Даже когда вы летите в самолёте, вы остаётесь в её пределах. Вся погода рождается именно здесь: дожди, грозы, ураганы и облака — всё это дело рук тропосферы. В ней содержится 80 % всей массы воздуха. Именно про температуру тропосферы говорится в прогнозе погоды. На поверхности Земли она колеблется примерно от –70 °C до +50 °C.

Выше, на высоте от 8 до 50 километров, раскинулась стратосфера. Здесь живут оставшиеся 20 % атмосферного воздуха.

Подняться сюда можно было на огромных воздушных шарах — стратостатах, наполненных гелием. А смельчаков, делавших это в прошлом веке, звали стратонавтами и заслужено считали героями. Для них это был настоящий подвиг, ведь здесь, на границе с тропосферой, уже невозможно дышать без кислородной маски, воздух так разрежён, что человек должен находиться в скафандре, небо становится фиолетовым, а ветер дует со скоростью 300 км/ч.

Именно в стратосфере находится знаменитый озоновый слой. Он тонкий, всего 5 километров. И, если бы весь озон опустить на уровень моря и «сгустить» до атмосферного давления, получился бы слой толщиной всего в несколько миллиметров. Но этот щит жизненно важен, он поглощает опасное ультрафиолетовое излучение Солнца.

Ещё выше, на высоте от 50 до 80 километров, находится мезосфера. Для жизни эта среда уже неотличима от космоса: воздух здесь невероятно разрежён, его плотность в 200 раз меньше, чем у поверхности. Здесь на чёрном небе сияют звёзды и ослепительно белое Солнце. А температура опускается ниже –75 °C. Выжить в этой пустоте невозможно. Однако для прилетающих из космоса небесных тел это не совсем пустота. Ведь именно здесь сгорает большинство метеоров, которые мы видим, как «падающие звёзды».

За мезосферой начинается самая протяжённая часть — термосфера. Она простирается от 90 до 800 километров над Землёй. Воздух здесь ещё более разрежён, но температура неожиданно быстро и разрывно возрастает — от –73 °С до 2000 °С в зависимости от активности Солнца. Нагревается она за счёт ультрафиолетового излучения Солнца. Однако «горячей» её можно назвать лишь условно. Из-за того, что частиц газа так мало, их высокая скорость не означает привычного нам тепла — обжечься здесь невозможно. Именно в термосфере летают космические станции и спутники: ниже — слишком плотный воздух будет их тормозить, а выше — начинается опасная зона космической радиации.

Наконец, самая верхняя, условная граница — экзосфера. Она начинается выше 1000 километров. Здесь частицы газов движутся с такими большими скоростями, что уже не могут вернуться обратно на Землю, а улетают в космос. Для Земли они потеряны.

Возникает закономерный вопрос: а не улетучится ли вся наша атмосфера в космос со временем, как это произошло с Марсом? Давайте посчитаем. Вторая космическая скорость для Земли — 11,2 км/с. Это та скорость, которую должно развить тело, чтобы покинуть сферу притяжения Земли и покинуть её орбиту.

Средняя скорость движения молекул газа зависит от его температуры и массы:

Например, при температуре в 300 К скорость молекулы водорода составляет около 1,1 км/с, гелия — 0,8 км/с, а у более тяжёлых азота и кислорода — всего 0,3 км/с. Как видим, все эти скорости меньше второй космической.

Хотя, если честно, газы всё-таки улетучиваются в открытый космос, поскольку скорости отдельных молекул различаются. И среди них, конечно же, есть небольшой процент молекул, которые всё же преодолевают земное притяжение и улетают.

Легче всего это сделать самым лёгким газам — водороду и гелию. Например, каждую секунду Земля теряет около 1 кг водорода. Но природа мудра: гелий постоянно образуется в недрах Земли при распаде радиоактивных элементов земной коры — урана, тория и прочих. Причём этот источник даёт около 5 ∙ 10⁶ кг гелия в год. А водород выделяется из молекул воды под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы. Поскольку в 9 кг воды содержится 1 кг водорода, понятно, что запасов воды на Земле вполне достаточно для пополнения атмосферы водородом.  Так что в обозримом будущем наш воздушный океан никуда не денется.

Атмосфера — это ещё и главный регулятор тепла на планете. Очень важно, чтобы баланс между полученной от Солнца энергией и отданной обратно в космос был нулевым. Ведь если баланс будет хотя бы чуть-чуть отличаться в ту или иную сторону, это закончится катастрофой: или всё сгорит, или всё замёрзнет.

Посмотрим, как перераспределяется в атмосфере Земли энергия, поступающая от Солнца. Примем полную энергию солнечного излучения за 100 %.

Из ста процентов энергии Солнца экзосфера и термосфера поглощают 1 % дальнего ультрафиолета. Молекулы озонового слоя в стратосфере поглотят ещё 3 % энергии ближнего ультрафиолета. А водяной пар в тропосфере — 4 % инфракрасного излучения. Таким образом, до поверхности доходит 92 % солнечной энергии. Почти половина её, 45 %, рассеивается облаками в основном синей видимой части спектра. А 47 % достигают Земли в виде прямых солнечных лучей. Из них 7 % отражаются обратно, а остальные 40 % — идут на нагрев суши и океанов.

В итоге на нагрев планеты идёт 65 % солнечной энергии. Земля излучает это тепло обратно в космос в виде инфракрасных лучей. Если бы не было атмосферы, средняя температура на поверхности была бы –16 °С. Но у нас она +15 °С. В чём же секрет? Всё дело в парниковом эффекте — явлении нагрева поверхности Земли и прилегающего к поверхности слоя атмосферы. Молекулы углекислого газа и водяного пара, которых в воздухе совсем немного, оказались непрозрачными для инфракрасного излучения.

Они, как одеяло, задерживают тепло у поверхности, не давая ему уйти в космос. Именно поэтому нам так комфортно жить на Земле.

Ну а теперь давайте посмотрим на детские рисунки. На них, как правило, небо имеет голубой цвет, а солнце — жёлтый. Так мы воспринимаем внешний мир, не задумываясь, почему же небо в ясный день голубое, а не зелёное, например.

Всё дело в том, как атмосфера рассеивает солнечный свет. Согласно закону Рэлея, мелкие частицы и молекулы газов рассеивают короткие волны (синие и фиолетовые) гораздо лучше, чем длинные (красные и оранжевые). Интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвёртой степени:

Возьмём для примера красный свет с длиной волны 650 нм и фиолетовый — 440 нм. Разница в длине волны кажется небольшой, всего в полтора раза. Но если возвести это отношение в четвёртую степень, получится, что фиолетовый свет рассеивается почти в пять раз интенсивнее красного! Поэтому-то атмосфера и кажется нам голубой. А почему же не фиолетовой? Во-первых, интенсивность фиолетового излучения в солнечном спектре значительно меньше, чем синего. А во-вторых, наши глаза гораздо чувствительнее к синему и голубому цветам, чем к фиолетовому.

Почему же на закате и на рассвете Солнце, освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашены в красные, оранжевые и жёлтые тона? Когда Солнце находится низко над горизонтом, свет проходит в атмосфере путь, более длинный, чем днём, когда Солнце высоко над горизонтом, ведь луч идёт по касательной к земной поверхности. В результате вся коротковолновая, синяя и зелёная, часть спектра успевает рассеяться. А до наших глаз доходят в основном длинные, красные и оранжевые волны. Поэтому мы и видим такие красивые багряные закаты.

А вот если атмосфера загрязнена, например, выбросами угольных электростанций или действующего вулкана, то рассеяние происходит интенсивно и днём. И мы можем видеть жёлтое небо и красное солнце даже в полдень.

Интересно, что на других планетах небо другого цвета. На Марсе, где атмосфера очень разрежена и состоит из углекислого газа с примесью пыли, небо не голубое, а желтовато-коричневое. А во время заката марсианское небо и вовсе становится розоватым с голубой каймой вокруг солнца.

Ночью же, когда наша сторона Земли повёрнута от Солнца, солнечным лучам не за что зацепиться в атмосфере. Рассеивать нечего, и мы видим чёрное, космическое небо, усыпанное звёздами. Именно такое небо и видят космонавты на орбите постоянно — ослепительно яркое белое Солнце на фоне абсолютно чёрной бездны, что нам на Земле кажется странным и невозможным, ведь мы всегда видим звёздное небо со дна воздушного океана.

Ну а если небо затянуто облаками, то свет от Солнца до нас доходит, многократно преломившись и отразившись в каплях воды. Поскольку размер капель много больше длины световой волны, все цвета спектра рассеиваются примерно одинаково. И в результате мы видим ровный белый свет. Когда пасмурно, облачность очень плотная, а высота облаков велика, то значительная часть света поглощается, и небо кажется нам серым.