В настоящее время атмосферу принято делить по высоте на четыре слоя: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу.

Тропосфера — ближайший к поверхности земли слой атмосферы. Толщина этого слоя не одинакова: над экватором она доходит до 16—18 километров, а над полюсами 7—9. В тропосфере сосредоточено примерно 0,8 всей массы атмосферы и почти весь имеющийся в атмосфере водяной пар. Воздух в тропосфере постоянно перемешивается. Температура воздуха в этом слое понижается с высотой. В тропосфере происходит конденсация водяных паров. Здесь образуются туманы и облака, дожди и снегопады, грозы и метели, бури и ураганы, т. е. все те явления, которые определяют погоду. Естественно, что с практической точки зрения указанный слой представляет наибольший интерес. В тропосфере проведены многочисленные точные наблюдения над отдельными явлениями. Это — наиболее изученный слой атмосферы.

Над тропосферой расположен второй ярус атмосферы — стратосфера; она простирается примерно до высоты 40 километров.

В стратосфере температура почти постоянна по высоте или несколько повышается с высотой. В умеренных широтах температура в стратосфере в среднем равна 45—55 градусам ниже нуля.

Так как в стратосфере почти нет водяного пара, то в ней нет облаков тех видов, которые находятся в тропосфере. Лишь изредка там образуются упомянутые выше перламутровые и серебристые облака.

Стратосфера отделена от тропосферы переходным слоем толщиной 1—3 километра; его называют тропопаузой. Высота тропопаузы не постоянна и колеблется в некоторых пределах по временам года. Летом тропопауза расположена выше, чем зимой.

С развитием реактивной авиации изучение стратосферы приобрело большое практическое значение. Полеты в стратосфере имеют много преимуществ. Малая плотность воздуха позволяет значительно увеличивать скорость и дальность полетов самолетов. В стратосфере всегда безоблачно и ясно.

Выше стратосферы лежит мезосфера, в которой температура сначала возрастает с высотой до уровня 50—60 километров, а затем убывает.

Выше 80 километров расположена термосфера, температура в которой неуклонно возрастает с высотой. Расчеты и наблюдения показывают, что температура здесь может достигать нескольких сотен и даже тысяч градусов. Нужно, однако, иметь в виду, что понятие температуры в очень разреженной газовой среде, какую мы имеем в верхних слоях атмосферы, имеет несколько иное значение, чем обычное понятие температуры воздуха. Молекулы газов, входящих в состав атмосферного воздуха, на больших высотах находятся на большом расстоянии друг от друга. И хотя эти молекулы движутся очень быстро, любое тело, попавшее в такую сильно разреженную среду, не будет нагреваться при соприкосновении с окружающим воздухом, так как число частиц газов, ударяющихся об это тело и передающих ему свою энергию, слишком мало. Нагреваться тело в таких условиях будет лишь непосредственно от солнечных лучей.

Нагревание тела, находящегося в разреженной атмосфере, за счет поглощения им солнечного излучения, может быть очень большим. Так, при полетах советских стратостатов «СССР-1» и «Осоавиахим» температура воздуха в кабинах все время держалась без подогрева около +15 градусов, хотя температура наружного воздуха была ниже —40 градусов. Объясняется это тем, что кабина стратостата все время вращалась, поочередно подставляя под лучи Солнца разные стороны. Последние были окрашены в различные цвета — черный и белый; при этом черная часть стенок кабины поглощала больше солнечной энергии и сильно нагревалась, а белая нагревалась значительно меньше. При вращении кабины нагрев ее оставался постоянным на уровне 15 градусов тепла.

Известен случай, когда при полете стратостата швейцарского ученого Пикара в 1931 году поворачивающий кабину механизм отказал, и она оказалась повернутой к Солнцу все время одной стороной, окрашенной в черный цвет. В результате кабина так нагрелась, что температура внутри нее поднялась до 38 градусов тепла.

Состав воздуха в термосфере также несколько отличается от приземного. В результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца в термосфере молекулы азота и кислорода распадаются на атомы (диссоциируют), появляются так называемые атомарные кислород и азот.

Кроме того, в термосфере, под действием разнообразных видов излучения Солнца и звезд, происходит ионизация.

Вспомним строение атомов.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. В обычном, нормальном состоянии атома положительный заряд его ядра и отрицательный заряд электронов равны между собой и атом электрически нейтрален.

Но некоторые электроны в атоме непрочно связаны с ядром и поэтому в определенных условиях атомы и молекулы могут терять один или несколько электронов. В этом случае они превращаются в положительно заряженные частицы, а отделившийся электрон может присоединиться к какому-нибудь другому нейтральному атому (молекуле) и образовать отрицательно заряженную частицу.

Такие положительно и отрицательно заряженные частицы, атомы и молекулы, называют ионами, а процесс образования ионов называется ионизацией.

В результате ионизации в термосфере образуется несколько слоев, содержащих в значительном количестве ионизованные молекулы и атомы атмосферных газов, а также свободные электроны. Эти слои носят название ионосферы. Слои в ионосфере обозначают буквами латинского алфавита. Вначале были обнаружены два слоя: слой Е, расположенный на высоте около 100 километров, и слой F, который находится на высоте около 200 километров. Позднее было установлено, что слой F при некоторых условиях в свою очередь делится на два слоя: F1— на высоте около 180—200 километров и F2—на высоте 230—250 километров. Кроме того, ниже, в пределах стратосферы, на высоте 50—65 километров в дневные часы суток иногда возникает еще один слой — слой D. Последний не столько отражает радиоволны, сколько их поглощает.

Все эти слои, конечно, не имеют резко выраженных границ, они постепенно переходят один в другой.

Высоту ионизованных слоев определяли при помощи радиоволн. Направив вертикально вверх короткий радиосигнал, мы можем определить время, через которое он вернется обратно к земной поверхности после отражения от ионизованного слоя. Зная, что радиоволны распространяются со скоростью света, т. е. около 300 000 километров в секунду, можно подсчитать высоту слоя, от которого отразился посланный нами радиосигнал.

Представляя собой сильно разреженную газовую среду, содержащую большое число ионов и свободных электронов, ионосфера хорошо проводит электричество. Короткие радиоволны, достигая ионизованных слоев, отражаются от них и возвращаются к земле. Благодаря многократному отражению от ионизованных слоев и земной поверхности радиоволны пробегают огромные расстояния и могут огибать весь земной шар.

В ионосфере совершается много интересных явлений природы. Временами мы наблюдаем полярные сияния, свечение ночного неба, «падающие звезды»— метеоры.

Ученым удалось установить, что в спектре свечения ночного неба есть много линий и полос поглощения, характерных для различных газов. По этим линиям и полосам в высоких слоях атмосферы и были обнаружены атомарный кислород, натрий и атомарный азот. Оказалось, что спектр свечения ночного неба во многом сходен со спектром полярных сияний.

О строении высоких слоев атмосферы мы узнаем также из наблюдений за метеорами. В атмосферу Земли постоянно влетают твердые частицы из межпланетного пространства. Как правило, они очень малы. Влетая в земную атмосферу с огромной скоростью, частицы сталкиваются с молекулами воздуха, сильно разогреваются и начинают ярко светиться. Большинство частиц полностью «сгорает», распыляется в воздухе; лишь в отдельных, редких случаях, когда космический «гость» имеет большие размеры, он не успевает полностью «сгореть» при полете в атмосфере и достигает земной поверхности. На землю падает метеорит.

Метеор оставляет в атмосфере след, состоящий из раскаленных газов и пыли. Этот след сохраняется некоторое время и перемещается вместе с воздушным потоком. Наблюдая за ним, можно судить о скорости и направлении ветра на той высоте, где появился след метеора. Чаще всего метеоры становятся видимыми на высотах от 200 до 120 километров и потухают на высотах от 100 до 30 километров. Это говорит о том, что до высоты 200 километров атмосфера имеет еще достаточную плотность.

В последнее время за метеорами наблюдают при помощи радиолокационных станций. Метеорные частицы и их следы отражают очень короткие электромагнитные волны порядка 30 сантиметров и менее. С помощью особого электромагнитного прибора конструкции проф. Калашникова можно заметить появление самого маленького метеора в любую погоду.

Изучение следов метеоров в ионосфере показало, что в ней дуют постоянные сильные западные ветры.

Внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 километров, называется экзосферой, или сферой рассеяния. В этом слое газы настолько разрежены, что их частицы находятся на больших расстояниях друг от друга. Скорости движения газовых молекул в сфере рассеяния так велики, что молекулы начинают преодолевать земное притяжение и улетают в межпланетное пространство.

Таким образом, из сферы рассеяния хотя и медленно, но непрерывно идет утечка газов в мировое пространство. Больше всего рассеиваются частицы легких газов— водорода, гелия, неона. Верхнюю границу сферы рассеяния установить трудно, так как она постепенно переходит в межпланетное пространство.

Если говорить о распределении массы атмосферного воздуха по высоте применительно к указанным четырем слоям атмосферы, то оказывается, что около 4/5 всей массы атмосферы находится в тропосфере и около 1/5 — в стратосфере. В мезосфере находится не более 0,3%, а в термосфере — менее 0,05% всей массы атмосферы.

Таковы четыре яруса нашей атмосферы.

Рассмотренные нами характеристики различных слоев атмосферы не означают, что эти разные слои атмосферы совершенно изолированы друг от друга, что они существуют самостоятельно. Приведенное выше деление атмосферы на несколько слоев в достаточной степени условно.

Мы уже говорили о том, что основную роль в развитии атмосферных процессов на Земле играет Солнце. Однако вопрос о солнечной активности в изменении погоды еще мало изучен, главным образом из-за того, что до последнего времени не было точных инструментальных наблюдений над состоянием высоких слоев атмосферы. Сейчас этот пробел успешно заполняется наблюдениями при помощи ракет и искусственных спутников Земли. Однако и с помощью обычных, ранее применявшихся наблюдений наукой установлены некоторые особенности атмосферных процессов в связи с солнечной активностью. Такая связь, в частности, обнаружена при изучении солнечных пятен. Как известно, максимум пятен повторяется примерно через каждые 11 лет. Установлено, что периодичность в изменении количеств солнечных пятен обусловливает и периодичность некоторых явлений на Земле. Так, при увеличении числа пятен на Солнце, в тропиках, в зоне Азия — Австралия, наблюдается понижение давления воздуха, а в зоне Америки и восточной части Тихого океана — повышение. Известно также, что наводнения в долине Нила повторяются через 22 года, т. е. через два периода между очередными максимумами солнечных пятен.

Как уже говорилось, излучение Солнца вызывает образование ионизированных слоев в атмосфере Земли. Солнце является также источником различных электрически заряженных частиц — корпускул, выбрасываемых в межпланетное пространство. Наблюдения показывают, что приближение этих частиц к Земле вызывает в ее атмосфере целый ряд явлений. Возникают возмущения в магнитном поле Земли, появляются полярные сияния, нарушаются нормальные условия отражения радиоволи от ионосферных слоев.

Все виды солнечного излучения оказывают непосредственное влияние лишь на очень высокие слои атмосферы. Например, ультрафиолетовое излучение Солнца практически достигает поверхности Земли лишь в ничтожно малых количествах, поглощаясь по пути атмосферным воздухом и особенно входящим в его состав озоном. Корпускулярное излучение также проникает в земную атмосферу лишь до высот порядка 60— 70 километров над земной поверхностью.

Однако в последние годы снова обращено внимание на то, что целый ряд явлений, наблюдающихся в нижних слоях атмосферы, все же связан с изменением солнечной активности. Помимо уже приводившихся примеров, обращает на себя внимание то, что в периоды максимумов - солнечной активности температуры в тропических поясах Земли приблизительно на полградуса ниже, чем в периоды минимумов. Неоднократно обнаруживалась связь между солнечной активностью и числом гроз и т. д. Все это приводит к мысли, что в атмосфере Земли действует какой-то еще недостаточно исследованный механизм, обусловливающий связь изменений погоды на земном шаре с солнечной активностью.

В настоящее время есть предположение, что между верхними и нижними слоями атмосферы существует достаточно интенсивный обмен, в процессе которого энергия, поглощаемая верхними слоями атмосферы, переносится в ее нижние слои. Однако выяснить этот вопрос можно лишь путем подробных исследований атмосферы по вертикали до больших высот.

Все это свидетельствует о том, что явления, происходящие в атмосфере, нужно рассматривать в их взаимной связи друг с другом, в их зависимости друг от друга. Точно так же нельзя рассматривать атмосферу вне ее взаимодействия с Солнцем и земной поверхностью. Твердая, жидкая и воздушная оболочки Земли тесно связаны друг с другом.

Исследования последнего времени показывают, что атмосферу Земли трудно отделить от межпланетного пространства. На верхние слои атмосферы, несомненно, действуют процессы, происходящие в мировом пространстве.