Общее количество лучистой энергии всех длин волн, поступающее в единицу времени на единичную площадку, находящуюся на верхней границе атмосферы и перпендикулярную к солнечным лучам, остается более или менее одинаковым и носит название солнечной постоянной. Это количество энергии составляет около 1,94 кал/(кв см в мин). Калорией называется количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5°С. Солнечная постоянная измеряется с помощью широко распространенных приборов, называемых пиргелиометрами. Такие измерения производят на вершинах гор в чистом воздухе, исключающем влияние загрязнений атмосферы, создаваемых промышленными дымами, пылью и пеплом, а также водяным паром и различными видами пыли. Точность подобных измерений значительно повысилась с появлением орбитальных искусственных спутников Земли. Доля от всего излучения Солнца, перехватываемая Землею, очень невелика. Она составляет всего около одной двухмиллиардной.

Атмосфера прозрачна для одних видов лучистой энергии, полупрозрачна для других и полностью непрозрачна для третьих. Это происходит из-за избирательного (селективного) пропускания или поглощения волн различной длины разными газами атмосферы. Кроме того, количество лучистой энергии, достигающей Земной поверхности, зависит от облачности, запыленности воздуха и его влажности, т. е. от количества содержащегося в нем водяного пара.

Лучистая энергия легко проходит, почти не задерживаясь, сквозь такие газы, как азот и кислород. Эти газы прозрачны для радиации. Однако другие газы атмосферы различным образом взаимодействуют с радиацией. Они уменьшают количество этой радиации, доходящее до земной поверхности. Характер влияния некоторых атмосферных примесей, например, водяного пара, а также их распределение в слоях, лежащих выше тропосферы, еще подлежит дальнейшему уточнению.

Действительное количество лучистой энергии, поступающей на земную поверхность, называется инсоляцией. Инсоляция зависит от интенсивности поглощения и отражения радиации в атмосфере и на земной поверхности.

Атмосфера поглощает приблизительно 20% поступающей на ее верхнюю границу солнечной радиации. Еще 34% радиации отражается от поверхности Земли, атмосферы, облаков и взвешенных в атмосфере примесей. Остальные 46% приходящей солнечной радиации поглощаются земной поверхностью.

Отражение падающей лучистой энергии от того или иного предмета называется альбедо. Альбедо всей Земли вместе с ее атмосферой составляет в среднем 34%.

Инсоляция зависит от нескольких факторов: солнечной постоянной, расстояния между Землей и Солнцем, наклона земной оси, а также от поглощения и отражения радиации в атмосфере.

Взаимодействие солнечной радиации с молекулами газов приводит к потере энергии, которая уже не сможет поступить на земную поверхность. Ультрафиолетовую часть спектра поглощают озон, углекислый газ, водяной пар и пыль.

Значительная часть лучистой энергии, поступающей в атмосферу, поглощается водяным паром.

Содержание водяного пара в воздухе связано с его температурой. При перемещении от экватора к полюсам влажность воздуха в общем уменьшается. В низких широтах влажность воздуха сравнительно велика – количество водяного пара достигает 4% (по объему). Для сравнения можно указать, что на полюсах оно составляет лишь 0,5%. Естественно, что высокая температура воздуха в пустынях тропических и умеренных широт очень редко позволяет водяному пару стать насыщенным. Поэтому и получается, что меньшее количество пара в воздухе полярных районов чаще приводит к образованию и выпадению осадков, чем более значительное количество пара в пустынях.

Поглощение и последующее собственное изучение радиации водяным паром и каплями воды, находящимися в воздухе, довольно интенсивны. Например, облака могут отражать до 75-80% радиации. Часть отраженной радиации распространяется в сторону земной поверхности и потому не является для нее потерянной. Кроме того, облака отражают к земной поверхности и сами излучают в том же направлении еще некоторое количество и длинноволновой радиации. В высоких широтах, где воздух сравнительно чистый и сухой, до поверхности Земли доходит более значительная доля солнечной радиации, поступившей на верхнюю границу атмосферы, чем в низких широтах, где воздух загрязненный и влажный.

Процессы образования облаков и закономерности их влияния на другие атмосферные процессы в настоящее время являются предметом все возрастающего числа исследований. Эти исследования особенно важны для получения более точного представления о том, каким образом различные облака поглощают, пропускают и сами излучают радиацию.

Пыль, взвешенная в атмосфере, кроме того, что отражает солнечную радиацию, вместе с водяным паром образует важное «хранилище» лучистой энергии. Энергия, улавливаемая взвешенными примесями, и особенно энергия, поглощенная водяным паром и пылью, приводит к повышению температуры окружающего воздуха.

Полная энергия, полученная Землей из внешнего пространства, т.е. главным образом от Солнца, точно равна энергии, отданной всем земным шаром в космос. Несмотря на то, что за сравнительно короткие отрезки времени в отдельных районах количество полученной и отданной лучистой энергии может быть разным, все же за более длительные периоды общий баланс энергии остается удивительно постоянным. Энергия, излучаемая земной поверхностью, поступает в атмосферу, а солнечная радиация, не дошедшая до поверхности Земли, тоже расходуется на развитие конвективных и адвективных движений воздуха.

Суммарное воздействие процессов переноса лучистой энергии в атмосфере создает в ней наблюдаемое распределение температуры с высотой: в нижних слоях атмосферы при подъеме на каждые 100 м она уменьшается на 0,6°С. Такое уменьшение ее носит название нормального вертикального градиента температуры и имеет место в устойчивых воздушных массах.

Температура воздуха в среднем уменьшается и с увеличением широты мета наблюдений: обычно вблизи земной поверхности примерно на 1/1000 нормального вертикального градиента температуры, т.е. на сравнительно очень малую величину. Наконец, температура очень заметно изменяется в зависимости от характера поверхности, над которой ее измеряют.

Мы знаем теперь, что в нижних слоях атмосферы температура изменяется на 6,5°С/км. Это происходит не в результате восходящих движений воздуха в атмосфере, а связано только с тем, что земная поверхность поглощает солнечную радиацию и сама служит источником излучения.

Когда воздух совершает восходящие движения, возникает динамическое уменьшение его температуры, связанное с различием атмосферного давления на разных высотах. При этом поднимающийся воздух не отдает свое тепло в окружающее пространство: уменьшение его температуры – следствие только расширения, т.е. увеличения расстояний между молекулами и соответственно менее частых их столкновений.

Поднимающийся объем воздуха расширяется, так как уменьшается давление окружающих его масс воздуха. При расширении воздух охлаждается – тепло переходит в кинетическую энергию, т. е. энергию движения. Опускающийся воздух, наоборот, испытывает увеличивающееся давление и в результате этого сжимается — происходит его нагревание, так как теперь кинетическая энергия переходит в тепло.

Изменяется температура в поднимающемся или опускающемся воздухе не беспредельно, а лишь до тех пор, пока не станет одинаковой с температурой окружающей его воздушной среды. После этого его движение затухает и воздух становится устойчивым.

Изменение температуры воздуха с высотой в той или иной воздушной массе при определенных условиях может стать причиной неустойчивости этой массы. Мы уже знаем, что перемещение воздуха является результатом различия температуры соседних его порций. Если плотность некоторого объема воздуха меньше плотности окружающей среды, объем „всплывает" подобно куску пробки в воде. Такое состояние воздуха называется неустойчивым.

Если же плотность данного объема воздуха больше, чем плотность окружающей среды, объем опускается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. При этом ранее устойчивый воздух становится „безразличным", т. е. перестает подниматься, но и не опускается.

Особое положение возникает, когда образуется инверсия. Инверсией называют возрастание температуры воздуха с высотой. Инверсия образуется, например, при быстром охлаждении почвы путем излучения радиации. Прилегающие к ней слои атмосферы выхолаживаются путем теплопроводности, причем самые нижние слои сильнее, чем вышележащие. В конечном счете непосредственно над земной поверхностью лежит слой холодного воздуха, а над ним более теплый. То есть температура воздуха вместо того, чтобы падать с высотой на 0,6°С/100 м, оказывается наверху выше, чем непосредственно вблизи поверхности. Это делает воздух очень устойчивым, в нем с большим трудом могут возникнуть вертикальные перемещения.

Инверсионное состояние атмосферы очень устойчиво. Вообще же устойчивое состояние атмосферы имеет место во всех случаях, когда вертикальный градиент температуры менее 1°С/100 м, т. е. когда он меньше сухоадиабатического градиента. Если при этом воздух поднимается, то он быстро охлаждается, становится тяжелым и вскоре снова опускается к земной поверхности. Если же воздух, расположенный выше, получает импульс, направленный вниз, то при адиабатическом опускании он быстро нагревается, становится легче окружающего воздуха и сразу же снова поднимается на свой исходный уровень. Таким образом, конвективные движения в устойчивом воздухе стремятся установить равновесное состояние.

Воздух с ненасыщенным водяным паром устойчив в том случае, когда вертикальный градиент его температуры меньше сухоадиабатического. Воздух же с насыщенным паром устойчив тогда, когда вертикальный градиент его температуры меньше влажноадиабатического градиента. В устойчивых воздушных массах конвекция не развивается.

Вертикальные градиенты температуры, создающие неустойчивое состояние воздуха, способствуют развитию в нем турбулентного перемешивания. Турбулентность в свою очередь сопровождается вертикальным перемешиванием объемов воздуха, иногда достигающим значительной интенсивности.

Роль восходящих движений воздуха может заметить каждый, кто проследит за парящим полетом птиц, когда птицы перемещаются, не двигая крыльями. Время от времени их внезапно подбрасывает вверх какая-то таинственная сила. Это делают восходящие струи теплого воздуха, которые называются термиками. Планеристы тоже, умело используя термики, могут перемещаться на сотни метров по вертикали без видимого участия каких-либо внешних сил.

Движения воздуха, которые приводят атмосферу в устойчивое состояние, оказывают значительное влияние на местные условия погоды. Поскольку устойчивые массы воздуха, вообще говоря, малоподвижны, их физические свойства, а следовательно и погода, подолгу остаются неизменными.

Устойчивые воздушные массы обычно создают довольно хорошую погоду в занятых ими районах, хотя при этом возможны туманы, а также значительное загрязнение атмосферы. Наоборот, неустойчивые воздушные массы, находясь в движении, постоянно меняют свои свойства. При этом нередко усиливается ветер, возникает турбулентность, водяной пар интенсивно конденсируется и развиваются дождевые облака.

Солнечная радиация так же, как в случае с земной атмосферой, дойдя до земной поверхности, начинает взаимодействовать с ней. Поверхность суши и водоемов излучает длинноволновую радиацию, которую поглощает, нагреваясь при этом, атмосфера. Образуется теплоизолятор, отделяющий Землю от космического пространства.

Таким образом, атмосфера двояко влияет на лучистую энергию: с одной стороны, довольно свободно пропускает ее к земной поверхности, с другой,— когда земная поверхность, излучая, сама теряет энергию,— улавливает часть этой энергии. Поэтому Земля теряет тепло не столь быстро, как, Например, Луна и другие небесные тела, обладающие лишь небольшой атмосферой или же вовсе ее лишенные.

Альбедо Земли как планеты значительно изменяется от одного ее участка к другому.

Облака довольно сильно отражают падающую на них лучистую энергию: их альбедо достигает 80%. Однако в среднем их отражательная способность близка к 55%. Песчаная поверхность без растительного покрова отражает около 30% приходящей к ней солнечной радиации. Тот же песок, но с растительностью отражает только 25% радиации. Альбедо лесистых районов составляет примерно 10%. Следовательно, наличие растительного покрова становится важным фактором в расчете потерь лучистой энергии путем отражения.

Если альбедо воды обычно величина незначительная (при самом высоком положении Солнца около 6%), то альбедо чистого снега и льда составляет до 80% приходящей радиации и больше. Но снег не только хорошо отражает коротковолновую радиацию, он еще хорошо задерживает длинноволновую радиацию, излучаемую Землей, и тем самым защищает поверхность суши от сильного выхолаживания. Установлено, что почва под снегом может не замерзать даже в тех случаях, когда на соседних участках, лишенных снежного покрова, она промерзает.

Тем самым в течение нескольких зимних месяцев снежный покров защищает от вымерзания посевы и живущие в почве микроорганизмы.

Нагревание различных составных частей почвы зависит также от ряда других факторов. Влажная почва нагревается медленнее, чем сухая, так как первая при этом теряет воду путем испарения, а уходящие от нее молекулы воды уносят с собой тепло. Вода имеет сравнительно большую удельную теплоемкость, т. ё. поглощает больше тепла, чем другие вещества. Охлаждение почвы путем испарения приводит к тому, что влажная почва постепенно теряет свое тепло, вследствие чего ее температура в период нагревания почвы солнечной радиацией повышается довольно медленно.

Кроме того, почва сравнительно плохо проводит тепло. Значительную часть приходящей радиации поглощает только самый верхний тонкий слой почвы, толщина которого всего несколько сантиметров. В более глубокие слои почвы поглощенное тепло проникает с большим трудом. Самые большие колебания температуры возможны только в нескольких первых сантиметрах почвы. Следует также отметить, что верхний слой почвы теряет тепло быстрее, чем верхний слой водоемов.

В воде легко развивается конвекция, в результате чего тепло быстро распространяется на значительную глубину. Солнечные лучи, падающие на поверхность воды под небольшим углом, отражаются от нее значительно сильнее, чем более отвесные лучи. Поэтому прямые солнечные лучи влияют на температуру водоема сильнее, да и проникают здесь на более значительную глубину, чем на суше. Известно, что в океанах некоторая часть солнечного света проникает до глубины примерно 600 м. Несколько верхних метров в водоеме испытывают более сильное влияние солнечной радиации, чем несколько верхних сантиметров в почве.

На температуру Земли смягчающее влияние оказывает так называемый парниковый эффект. Этот термин был введен в связи с тем очевидным сходством, которое имеется между ролью атмосферы и ролью стекол или защитной пленки, обеспечивающих сохранение тепла в парнике. Стекла парника и газы атмосферы действуют одинаковым образом — по крайней мере, раньше так считалось. В настоящее время установлено, что аналогия здесь не совсем полная, но термин „парниковый эффект" все же используется.

Коротковолновая радиация проникает через стекла внутрь парника. Почва и другие тела, находящиеся в парнике, поглощают эту радиацию. Затем они сами излучают длинноволновую радиацию, которая не пропускается стеклами парника. Этот процесс сохранения длинноволновой радиации позволяет температуре в парнике подняться значительно выше температуры наружного воздуха. В настоящее время считают, что в этом повышении температуры более важную роль играет тепловая циркуляция воздуха в замкнутом пространстве парника. Поэтому не совсем правильно считать, будто стекла в парнике действуют совершенно так же, как воздух, окружающий Землю.

Описываемый эффект не наблюдается у небесных тел, лишенных атмосферы. Рассмотрим, например, Луну. Известно, что Луна не имеет атмосферы. Температура ее поверхности на освещенной стороне составляет около 125°С, ночью же она становится заметно ниже,—125°С. Земля никогда не испытывает столь резких перепадов температуры. В любых районах Земли суточные колебания температуры гораздо меньше, чем на Луне, и редко превышают 15°С, хотя в тропических пустынях возможны и более значительные колебания.

Другой причиной сравнительно небольших суточных колебаний температуры на Земле является то, что некоторая часть солнечной радиации, поступающей в атмосферу, расходуется на реакции с молекулами атмосферных газов, поглощается водяным паром, пылью и другими примесями, взвешенными в атмосфере.

Земную поверхность нагревают те солнечные лучи, которые проходят через атмосферу без поглощения. Это главным образом лучи голубого, зеленого и желтого участков спектра. Именно эти сравнительно короткие волны легче всего проходят через атмосферу.

Длинноволновую же радиацию, которую излучает Земля, частично поглощает водяной пар, содержащийся в атмосфере, т. е. она не уходит немедленно в космос, как это происходит на Луне. Поэтому, когда на Земле имеет место дефицит прихода тепла, т. е. ночью и зимой, температура ее все же понижается не очень резко. В то же время днем и летом, хотя приход тепла и преобладает над расходом, температура на Земле не повышается столь сильно, как на Луне, ибо часть поступающей солнечной радиации поглощается атмосферой.

Однажды кто-то заметил, что "ученый хочет объяснить, а все остальное человечество хочет понять". Это замечание предлагалось даже считать простейшим определением научного подхода к природе. Но если в качестве общего для всех наук такое определение нельзя считать ни вполне удачным, ни достаточно полным, то к метеорологии оно подходит довольно хорошо. Метеорологи действительно преисполнены желания объяснить природу земной атмосферы и непрерывных ее изменений. Остальные же люди на Земле пользуются этими объяснениями в повседневной деятельности.

На протяжении тысячелетий люди полагали, что атмосфера, или, точнее, воздух,— единое и простейшее вещество. Оно считалось одним из немногих первичных веществ, именовавшихся элементами. Считалось, что вместе с огнем, водой и землей воздух образует все другие вещества в природе. Но благодаря успехам физики мы теперь знаем, что воздух представляет собой смесь газов, состоящую не только из отдельных химических элементов, но и из их соединений. Кроме того, в воздухе находится во взвешенном состоянии много различных твердых и жидких частиц. К их числу относятся, например, капли воды, водяной пар и кристаллы льда, которые могут одновременно содержаться, скажем, в одном и том же облаке. Газы, составляющие атмосферу, могут иметь и естественное происхождение, и искусственное — попадать в атмосферу при сжигании различных видов, ископаемого топлива. Наконец, в атмосферу выносится пыль при извержении вулканов, проникает пыль -из космоса.

Вещества эти поступают в атмосферу разными путями. Прежде чем приобрести современные свои свойства и состав, земная атмосфера прошла несколько промежуточных стадий развития. Метеорологи располагают убедительными доказательствами того, что древняя атмосфера весьма сильно отличалась от современной и что состав ее, начиная с самого ее возникновения, постепенно изменялся. Человечество непрерывно подвергается воздействию погодных условий. Лед и снег, шквалы, жара и мороз, солнечная радиация, приходящая на земную поверхность, в каждый момент нашего существования создают для нас различные дискомфортные ситуации или, наоборот, весьма благоприятные метеорологические условия. Метеорология в наши дни исследует причины возникновения различных изменений этих условий.

Существует несколько весьма разумных гипотез относительно состава и свойств первичной атмосферы Земли. Одна из первых гипотез была высказана Л. Пастером (1822—1895) во второй половине XIX века. Пастер предположил, что первичная атмосфера Земли не содержала кислорода и что первыми видами живых организмов на нашей планете были, вероятно, бактерии, у которых обмен веществ происходил без участия кислорода. Они носят название анаэробных. Многие виды анаэробных бактерий существуют и по сей день. Пас-тер также утверждал, что наличие кислорода в атмосфере могло бы воспрепятствовать развитию этих бактерий и таким образом затормозить появление жизни на нашей планете.

Что послужило толчком к возникновению атмосферы на Земле и какие газы входили в состав первичной атмосферы? На нашей планете сначала не было вообще никакой атмосферы. Возможно, молекулы газов под действием тепла планеты улетали в космос. По мере того как Земля приобретала все более определенную форму, начали появляться атмосферные газы, первоначально входившие в состав горных пород, находившихся как на поверхности, так я под поверхностью планеты.

На первичной Земле было много действующих вулканов. При извержении их выбрасывались водяной пар, пыль и множество газов, в том числе углекислый газ, азот, окись углерода, сернистые дымы.

Однако планета в это время оставалась еще настолько теплой, что конденсироваться газы не могли. По мере понижения температуры планеты в атмосфере появилась вода, не только газообразная, но и жидкая, а при дальнейшем охлаждении стали выпадать обильные дожди.

На еще горячей земной поверхности выпавший дождь закипал и в виде пара возвращался в атмосферу. Этот процесс ускорял и охлаждение земной поверхности. Значительная часть выпавшей воды быстро находила путь в начинавшие формироваться океаны. Вулканические извержения продолжали снабжать атмосферу водяным паром, которой в конечном счете пополнял запасы жидкой воды на планете. Значительная часть углекислого газа, легко растворяющегося в воде, вымывалась из атмосферы дождями и начинала принимать участие в биологических процессах, происходивших на Земле. С геохимической точки зрения из углекислого газа на Земле образовались все известняковые горные породы.

В 1920-х годах английский биолог-теоретик И. Хелден установил, что первичная атмосфера, по-видимому, содержала углекислый газ, водяной пар и аммиак (соединение азота). Эти вещества образовали основу для зарождения первых органических соединений в водоемах и морях первичной Земли. Энергию для химических реакций, объединяющих эти вещества в сложные молекулы, могли доставлять ультрафиолетовые солнечные лучи, интенсивно падавшие на еще недостаточно защищенную от них Землю.

Взгляды Хелдена были пересмотрены советским ученым А. И. Опариным, который считает, что состав первичной атмосферы был несколько иным. Он полагает, что основными газообразными составными частями первичной атмосферы были водород, водяной пар, аммиак и метан (соединение углерода, аналогичное болотному газу).

Многие исследователи высказывали другие соображения о соединениях, входивших в состав первичной атмосферы. Так, например, П. Абельсон считает, что первичная атмосфера была богата азотом, водородом и углекислым газом и что эти газы под действием ультрафиолетовых лучей вступали в реакции друг с другом, что и привело к возникновению первичных органических соединений.

Примерно 2,5—3 миллиарда лет назад под влиянием солнечной радиации и ее взаимодействия с газами атмосферы начали возникать органические вещества. В результате процессов, природа которых пока не выяснена, они образовали сложные клетки, ставшие основой первичных, а затем и более развитых форм жизни. Под воздействием некоторых ферментов, игравших роль катализаторов, в первичных органических клетках возник обмен веществ, который способствовал постепенному развитию более крупных органических соединений.

Кислород, один из главных газов, поддерживающих жизнь на Земле, в чистом виде начал поступать в атмосферу на сравнительно позднем этапе развития планеты. Хотя происхождение первоначальных запасов кислорода и остается еще неясным, все же существует предположение, что первичный кислород появился в результате взаимодействия солнечной радиации с молекулами воды, находившимися в атмосфере. Это взаимодействие приводило к расщеплению молекул воды на газообразные водород и кислород. Свободный кислород становился доступным для развивающихся живых организмов, которые нуждались в нем. Такую последовательность событий ставят под сомнение некоторые ученые, не разделяющие мнения как с количестве кислорода, образующегося при распаде молекул воды, так и о продолжительности периода, необходимого для накопления в атмосфере современного количества кислорода. Эти ученые считают более вероятным, что кислород образовался в результате обмена веществ в первичном растительном покрове Земли и стал побочным продуктом фотосинтеза. Когда такой фотосинтетический кислород накопился в атмосфере в значительном количестве, он вызвал большие изменения и в характере земной атмосферы и в живых организмах, населяющих нашу планету.

Таким образом, атмосфера не сразу приняла современное состояние, которое теперь хорошо изучено . Она состоит из 4 основных и нескольких второстепенных газов и, кроме того, содержит много различных переменных составных частей, называемых примесями. Количество примесей сильно зависит от характера земной поверхности в каждом конкретном месте, а также от числа и вида живущих там организмов. Человек, конечно, тоже участвует в формировании состава этих примесей.

К числу атмосферных примесей относятся, в частности, водяной пар, озон, перекись водорода, аммиак, сероводород, окись углерода, сернистый газ, пыль, различные соли и т. д. Легко видеть, что газовый состав современной атмосферы сильно отличается от газового состава первичной атмосферы и отражает многие особенности ее эволюции.

Газы атмосферы:

Азот - 78,084%

Кислород - 20,946 %

Аргон - 0,934 %

Углекислый газ - 0,033 %

Неон - 0,000018 %

Гелий - 0,00000524 %

Метан - 0,000002 %

Криптон -  0,0000114 %

Водород - 0,0000005 %

Окислы азота - 0,0000005 %

Ксенон - 0,000000087%