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%

Кроме перечисленных выше газов в атмосфере находится много веществ в твердом и в жидком состоянии. Так, в атмосферу поступают различные виды пыли (в результате промышленной деятельности человека, при сдувании верхнего слоя почвы ветром), а при вулканических извержениях, кроме того, водяной пар и сернистый газ. В атмосферу переносится с растительного покрова бесчисленное количество пыльцы, спор и семян. В атмосфере встречаются также различные микроорганизмы. Все эти примеси ветер переносит на тысячи километров. Вместе с брызгами морской воды в атмосферу поступают кристаллики солей.

Вулкан Кракатау при извержении, происшедшем в 1883 г., выбросил в атмосферу дым и пепел. В районе извержения при заходе солнца наблюдалась зеленая вечерняя заря. Пепел, занесенный в атмосферу, оказывал значительное влияние на приход солнечной радиации на земную поверхность в северном полушарии в течение 1—3 лет. Есть доказательства того, что этот пепел несколько охладил атмосферу.

Различные газы и твердые частицы, попав в атмосферу, по-разному влияют на условия погоды. В частности, они поглощают часть лучистой энергии, приходящей к атмосфере извне. Кристаллики солей становятся ядрами конденсации и участвуют в процессах образования дождя и других видов осадков, т. к. водяной пар конденсируется на кристалликах солей и на других твердых частицах, взвешенных в воздухе.

Чтобы несколько упростить рассмотрение вопроса, атмосферу подразделяют на три главных слоя. Расслоение атмосферы — в первую очередь результат неодинакового изменения температуры воздуха с высотой. Нижние два слоя сравнительно однородны по составу. По этой причине обычно говорят, что они образуют гомосферу.

Тропосфера. Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Сам этот термин означает „сфера поворота" и связан с характеристиками турбулентности данного слоя. Все перемены погоды и климата являются результатом физических процессов, происходящих именно в этом слое. В XVIII веке, поскольку изучение атмосферы ограничивалось только этим слоем, считалось, будто обнаруженное в нем уменьшение температуры воздуха с высотой присуще и всей остальной атмосфере.

Различные превращения энергии происходят в первую очередь именно в тропосфере. Вследствие непрерывного соприкосновения воздуха с земной поверхностью, а также поступления в него энергии из космоса, он приходит в движение. Верхняя граница этого слоя располагается там, где уменьшение температуры с высотой сменяется ее возрастанием,— примерно на высоте 15—16 км над экватором и 7—8 км над полюсами. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплющена над полюсами и разбухает над экватором. Однако этот эффект выражен в атмосфере значительно сильнее, чем в твердой оболочке Земли.

В направлении от поверхности Земли к верхней границе тропосферы температура воздуха понижается. Над экватором минимальная температура воздуха составляет около —62°С, а над полюсами около —45°С. Однако в зависимости от пункта измерений температура может быть несколько иной. Так, над островом Ява на верхней границе тропосферы температура воздуха падает до рекордно низкого значения —95°С.

Верхняя граница тропосферы называется тропопаузой. В умеренных широтах более 75% массы атмосферы лежит ниже тропопаузы. В тропиках же в пределах тропосферы находится около 90% массы атмосферы.

Тропопауза была открыта в 1899 г., когда в вертикальном профиле температуры на некоторой высоте был обнаружен ее минимум, а затем температура незначительно повышалась. Начало этого повышения означает переход к следующему слою атмосферы — к стратосфере.

Стратосфера. Термин стратосфера означает „сфера слоя" и отражает прежнее представление о единственности слоя, лежащего выше тропосферы. Стратосфера простирается до высоты около 50 км над земной поверхностью. Особенностью ее является, в частности, резкое повышение температуры воздуха по сравнению с исключительно низкими значениями ее в тропопаузе. В умеренных широтах температура в стратосфере повышается примерно до —40°С. Это повышение температуры объясняют реакцией образования озона — одной из главных химических реакций, происходящих в атмосфере.

Озон представляет собой особую форму кислорода. В отличие от обычной двухатомной молекулы кислорода (О2). озон состоит из трехатомных его молекул (Оз). Появляется он в результате взаимодействия обычного кислорода с лучистой энергией, поступающей в верхние слои атмосферы.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км, но в целом слой озона представляет собой сильно растянутую по высоте оболочку, охватывающую почти всю стратосферу. В озоносфере ультрафиолетовые лучи чаще и сильнее всего взаимодействуют с атмосферным кислородом. Лучистая энергия вызывает распад обычных двухатомных молекул кислорода на отдельные атомы. В свою очередь атомы кислорода часто снова присоединяются к двухатомным молекулам и образуют молекулы озона. Таким же образом отдельные атомы кислорода соединяются в двухатомные молекулы. Интенсивность образования озона оказывается достаточной для того, чтобы в стратосфере существовал слой высокой его концентрации.

Взаимодействие кислорода с ультрафиолетовыми лучами — один из благоприятных процессов в земной атмосфере, способствующих поддержанию жизни на Земле. Поглощение озоном этой энергии препятствует излишнему поступлению ее на земную поверхность, где создается именно такой уровень энергии, который пригоден для существования земных форм жизни. Возможно, в прошлом на Землю поступало большее количество энергии, чем теперь, что и оказывало влияние на возникновение первичных форм жизни на нашей планете. Но современные живые организмы не выдержали бы поступления от Солнца более значительного количества ультрафиолетовой радиации.

Озоносфера поглощает часть лучистой энергии, проходщей через атмосферу. В результате этого в озоносфере устанавливается вертикальный градиент температуры воздуха примерно 0,62°С на 100 м, т. е, температура повышается с высотой вплоть до верхнего предела стратосферы — стратопаузы (50 км).

На высотах от 50 до 80 км располагается слой атмосферы, называемый мезосферой. Слово „мезосфера" означает „промежуточная сфера", здесь температура воздуха продолжает понижаться с высотой.

Выше мезосферы, в слое, называемом термосферой, температура снова растет с высотой примерно до 1000°С, а затем очень быстро падает до —96°С. Однако падает не беспредельно, потом температура снова увеличивается.

Ионосфера. Можно считать, что ионосфера начинается с высоты около 80 км над поверхностью Земли.

Расчленение атмосферы на отдельные слои довольно легко заметить по особенностям изменения температуры с высотой в каждом слое.

В отличие от упомянутых ранее слоев, ионосфера выделена не. по температурному признаку. Главная особенность ионосферы — высокая степень ионизации атмосферных газов. Эта ионизация вызвана поглощением солнечной энергии атомами различных газов. Ультрафиолетовые и другие солнечные лучи, несущие кванты высокой энергии, поступая в атмосферу, ионизируют атомы азота и кислорода — от атомов отрываются электроны, находящиеся на внешних орбитах. Теряя электроны, атом приобретает положительный заряд. Если же к атому присоединяется электрон, то атом заряжается отрицательно. Таким образом, ионосфера является областью, имеющей электрическую природу, благодаря которой становятся возможными многие виды радиосвязи.

Ионосферу делят на несколько слоев, обозначая их буквами D, Е, F1 и F2 Эти слои имеют и особые названия. Разделение на слои вызвано несколькими причинами, среди которых самая важная—неодинаковое влияние слоев на прохождение радиоволн. Самый нижний слой, D, в основном поглощает радиоволны и тем самым препятствует дальнейшему их распространению.

Лучше всего изученный слой Е расположен на высоте примерно 100 км над земной поверхностью. Его называют также слоем Кеннелли — Хевисайда по именам американского и английского ученых, которые одновременно и независимо друг от друга обнаружили его. Слой Е, подобно гигантскому зеркалу, отражает радиоволны. Благодаря этому слою длинные радиоволны проходят более далекие расстояния, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись только прямолинейно, не отражаясь от слоя Е

Аналогичные свойства имеет и слой F. Его называют также слоем Эпплтона. Вместе со слоем Кеннелли—Хевисайда он отражаем радиоволны к наземным радиостанциями Такое отражение может происходить под различными углами. Слой Эпплтона расположен на высоте около 240 км.

Самая внешняя область атмосферы часто называется экзосферой.

Этот термин указывает на существование окраины космоса вблизи Земли. Определить, где именно кончается атмосфера и начинается космос, трудно, поскольку с высотой плотность атмосферных газов уменьшается постепенно и сама атмосфера плавно превращается почти в вакуум, в котором встречаются лишь отдельные молекулы. С удалением от земной поверхности атмосферные газы испытывают все меньшее притяжение планеты и с некоторой высоты стремятся покинуть поле земного тяготения. Уже на высоте примерно 320 км плотность атмосферы настолько мала, что молекулы,, не сталкиваясь друг с другом, могут проходить путь более 1 км. Самая внешняя часть атмосферы служит как бы ее верхней границей, которая располагается на высотах от 480 до 960 км.

Мы остановимся в первую очередь на явлениях, происходящих в тропосфере. В этом слое источником энергии атмосферных движений служит поглощенная солнечная радиация. Чтобы яснее представить себе это, рассмотрим, каким образом атмосфера реагирует на изменения прихода этой радиации. Атмосферу можно рассматривать как гигантскую тепловую машину, которую в действие приводит лучистая энергия (радиация), излучаемая Солнцем и достигающая Земли. Поскольку разные участки Земли нагреваются неодинаково, между ними возникают, перепады атмосферного давления. Эти перепады давления заставляют воздух перемещаться из одних районов в другие и тем самым служат причиной возникновения ветра, шквалов и в конечном счете всей циркуляции атмосферы на нашей планете.

Известно, что любой газ как физическое тело не имеет формы, если он не заключен в сосуд. Газ представляет собой в высшей степени подвижную и легко сжимаемую среду, ограниченную стенками сосуда, в котором он находится. В атмосфере он всегда находится под давлением молекул воздуха, содержащегося в вышележащих слоях.

Молекулы газа непрерывно движутся под действием тепла, подводимого к газу. Движущиеся молекулы газа сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, в котором находятся. Поведение молекул воздуха обычно описывают законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака.

Атмосфера реагирует на изменения температуры, давления и объема совершенно так же, как и все другие газы. Поэтому метеорологи изучают атмосферу, используя общие газовые законы, известные из физики.

Атмосферу и все содержащиеся в ней примеси удерживает вблизи Земли сила тяжести. Земное тяготение обусловливает вес воздуха, т. е. создает атмосферное давление на поверхности планеты. Это давление испытывает каждый квадратный сантиметр земной поверхности, общая площадь которой составляет 510 миллионов кв км. Так как полный вес атмосферы равен примерно 5 000 000 000 миллионов тонн, то она действует на каждый квадратный сантиметр земной поверхности с силою около 1 кг.

Плотность воздуха на уровне моря составляет округленно 1,3 кг/м3, с высотой она, как и давление, быстро уменьшается.

Воздух представляет собой легко сжимаемую и, как правило, химически устойчивую среду. Вследствие определенного веса молекул и сжимаемости газовой среды большинство молекул, образующих атмосферу, находится в нижнем слое, равном нескольким километрам. Поэтому не меньше половины общей массы атмосферы располагается на высотах до 6 км, хотя в целом она и простирается до высоты нескольких тысяч километров. Вес газовых молекул, находящихся в вертикальном столбе атмосферы, как бы прижимает большинство наземных предметов к земной поверхности. Однако, несмотря на то, что выше 6 км число газовых молекул сравнительно с нижними слоями уменьшается, все же и здесь их еще тоже находится довольно много.