Атмосфера

Атмосфера, в широком смысле, название всякого газообразного вещества, занимающего известное пространство, в котором происходят какие-либо явления. Поэтому говорят: атмосфера озона, атмосфера кислорода и т. д. В более узком смысле название атмосферы дают газообразной оболочке небесных тел, а в том числе и земли. Такая ли атмосфера на остальных планетах, на солнце и на луне, как и на земле, до сих пор неизвестно. Атмосфера  земли со всех сторон облегает земной шар в виде газообразного слоя, который кверху постепенно разрежается; она состоит из атмосферного воздуха, водяных паров и атмосферной пыли. Высоту и верхнюю границу атмосферы точно определить невозможно, потому что воздух непрерывно разрежается по мере удаления от земли, и, с увеличением высоты — в арифметической прогрессии, давление атмосферы уменьшается в геометрической прогрессии, т. е. чем выше, тем медленнее. Относительно верхних слоев атмосферы возможны два воззрения: 1) атмосфера земли, постепенно разрежаясь, на известной высоте имеет свой предел, и  тогда действительно можно говорить о высоте и верхней границе атмосферы, и 2) междупланетное пространство выполнено веществом в состоянии крайнего разрежения, и это вещество у поверхности планет уплотняется, образуя более или менее мощные слои атмосферы, и вопрос в том, на какой высоте встречается известная плотность воздуха или давление атмосферы. На уровне моря давление атмосферы в среднем равняется весу слоя ртути толщиной в 760 миллиметров или 10 333 килограмм (630 пудам) на каждый квадратный метр. Вес всей атмосферы земли равен 52∙10¹⁴ тонн, но вес земного шара приблизительно в 100 000 раз больше веса атмосферы. Вес каждого кубического метра воздуха при давлении 760 мм  равен 1293 граммам. Исходя из законов Мариотта и Гей-Люссака, выводится формула, выражающая изменение давления с высотой; она дает возможность, зная температуру, влажность, барометрическое давление внизу, а также закон уменьшения температуры и влажности с высотой, вычислять давление атмосферы для любой высоты. Так, например, на высоте 10 км  давление атмосферы равно 199,2 мм, 20 км — 42,2 мм, 50 км —0,32 мм, 100 км — 0,02 мм. По этой же формуле легко вычислить, что до высоты 5 ½  км находится половина всей массы атмосферы, а выше 18 ½  км  только 1/10  массы атмосферы. Толщину атмосферы непосредственно определяли разными способами, но они дают высоту лишь тех слоев, которые настолько плотны, что могут играть ту или другую роль. Поэтому результаты расходятся. Наибольшая высота облаков составляет 13 км, следовательно толщина атмосферы не менее 13-ти км. Слои атмосферы, деятельные в явлении сумерок  и зари, наблюдаются на высоте от 60—80 км, следовательно, на этой высоте настолько плотны, что могут еще рассеивать некоторое, достаточное для глаза человека, количество света. Так называемые серебристые облака, которые наблюдались в 1886—87 гг., находились в атмосфере на высоте 84 км. Загорание метеоритов в атмосфере земли («падающие звезды») наблюдается на высотах до 300 км.

Бёдикер во время лунного затмения 28 января 1888 г. нашел, что уменьшение лучеиспускания началось за 3 минуты до вступления луны в тень земли, — что указывает на существование земной атмосферы толщиной не менее 300 км.

Северное сияние наблюдалось на высотах от 58 до 227 км, если принять во внимание более точные определения. Собирая в одно целое вышеизложенные данные, мы приходим к заключению, что для разных явлений наблюдается толщина атмосферы различно, даже до 300 км.

Из физических свойств атмосферы рассмотрим поглощение и теплопроводность. Атмосфера  земли обладает избирательной поглощательной способностью относительно света и тепла; она поглощает солнечные лучи определенной длины волны, и на месте их в спектре солнца являются темные линии, холодные линии и холодные полосы. Сильнее всего поглощается фиолетовый конец спектра (больше половины), а лучи из красного конца и темного инфракрасного атмосферы мало задерживаются (не более 1/10). В процессе поглощения тепловой солнечной энергии весьма важную роль играет водяной пар, а также углекислота и атмосферная пыль. С другой стороны атмосфера есть мутная среда, обусловливающая собой рассеяние солнечной энергии, вследствие чего атмосфера является для нас как бы оболочкой, излучающей свет и тепло. Рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны, и поэтому фиолетовые лучи рассеиваются атмосферой сильнее желтых и красных.

Избирательным поглощением и рассеиванием в атмосфере, где мельчайшие частицы образуют мутную среду, объясняется голубой цвет неба и цветовые явления при восходе и закате солнца.

Теплопроводность атмосферы имеет важное значение в метеорологии. Газы принадлежат к дурным проводникам тепла и отличаются малой теплоемкостью. Лучи, исходящие из тел сравнительно низкой температуры (поверхность земли), сильно поглощаются атмосферой, в этом отношении атмосфера образует как бы оболочку, предохраняющую земную поверхность от сильных охлаждений, и, по своим свойствам, сходна с действием стеклянных окон, которыми покрывают оранжереи и парники: они хорошо пропускают солнечную анергию и задерживают темную радиацию. Поэтому температура на поверхности земли выше, чем в мировом пространстве, где она составляет около —150°С. В атмосфере температура понижается с высотой обыкновенно от 0,4° до 0,7° на каждые 100 метров. Над средней Европой на высоте 3 км  температура ниже 0°, на высоте 6 км  она составляет —22°, 8 км —36°; 10 км —50°. Начиная с высоты 10 км  годовые колебания температуры весьма незначительны, и сама температура с высотой не падает (изотермический слой), а несколько выше заметно даже небольшое повышение ее (слой инверсии). На высоте 29 километров температура была —63°. Самая низкая температура атмосферы (—85,6°) наблюдалась на высоте 15 км.

Атмосферный воздух состоит из  механической смеси азота, кислорода, аргона и других химических элементов и соединений. По закону Дальтона каждый газ распространяется так, как если бы ему был предоставлен весь объем. Поэтому главные составные части атмосферы, основные газы — азот, кислород и аргон, отличаются значительным постоянством состава, не считая, конечно, случайных местных влияний. До 1774 г. атмосферный воздух считался простым телом, одним из четырех элементов того времени (огонь, вода, земля и воздух). В 1774 г, Пристлей и Шееле открыли кислород, причем Шееле нашел, что воздух состоит из двух отдельных газов: из кислорода и из какого-то другого газообразного тела, получившего впоследствии название азота. В том же 1774 г. Бергман открыл в атмосфере присутствие углекислоты, которую принимал за простое тело, как и Гельмонт, открывший углекислоту (под названием Gas sylvestre) еще в 1664 г. В конце XVIII и в начале XIX столетия химики определяли разными эвдиометрическими способами только количество кислорода в воздухе, предполагая, что только он важен для жизни человека и животных. В 1774 г. Шееле нашел в воздухе 5/16 кислорода по объему, в 1780 г. Вольта 20,8%, к в 1790 г. Де Марти 21%. В настоящее время нормальным количеством кислорода считают 21,00% по объему воздуха, освобожденного от водяных паров, атмосферной пыли и прочих примесей. Процентное содержание кислорода с высотой почти не изменяется: Буссенго нашел, что с увеличением высоты атмосферы количество кислорода уменьшается, но результаты Гей-Люссака и Леви приводят к выводу, что процентное содержание кислорода на всех высотах почти одинаково, что и подтверждается анализами последнего времени. Пробы воздуха, принесенные автоматическим прибором Кальете, поднятым на шаре-зонде 18 февраля 1897 г. до высоты 15 000 метров, дали 20,79% кислорода (теоретически предполагался меньший %). Анализы Буссенго, Дюма, Леви, Браве, Мартинса, Бруннера и др. в Париже, на Немецком море, в Южной Америке, на Атлантическом океане, в Швейцарии, Дании, в пределах точности наблюдений, свидетельствуют о постоянстве содержания кислорода (следовательно и азота) в атмосфере в разных местностях. Оно также не меняется с временами года, но днем и ночью замечается небольшая разность, а именно, ночью содержание кислорода на 0,1% меньше, чем днем. Далее, было замечено, что во время антициклона воздух содержит больше кислорода, чем при циклонах, и объяснил и это нисходящими и восходящими течениями атмосферы. Впрочем, причины изменений содержания кислорода в атмосфере весьма сложны и должны быть связаны с целым рядом процессов и факторов, как физической, так и органической жизни вашей планеты. В одном месте могут преобладать процессы окисления над процессами восстановления кислорода, в другом месте — наоборот, а то и другое изменяет процентное отношение кислорода в атмосфере.

Главную массу атмосферы составляет азот, а именно, в сухом и чистом воздухе 78% по объему или 75 ½ % по весу. До недавнего времени (1894) количество азота принималось равным 79% по объему и 77% по весу. Лорд Рели и профессор Ремси при абсолютных определениях атомных весов химических элементов обратили внимание на некоторые аномалии при определении атомного веса азота в зависимости от источника его и нашли, что эти аномалии обусловлены примесями к азоту из атмосферы новых, до той поры химии неизвестных, газообразных элементов в атмосфере: аргона, неона, криптона, ксенона и гелия. Отличительным свойством этих новых «благородных» газов является отсутствие химического сродства к какому бы то ни было химическому элементу. В настоящее время принимают, что чистый и сухой атмосферный воздух имеет следующий состав:

При повышении температуры из жидкого атмосферного воздуха выделяются сперва элементы с низкими точками кипения, как водород и неон; из главных составных частей (азот и кислород) азот имеет более низкую точку кипения, и поэтому из жидкого воздуха сперва испаряется азот, а затем кислород. Понятно, что жидкий воздух содержит больше кислорода (около 50%), чем газообразный. Вышеупомянутые газы в атмосфере находятся не в химических соединениях, а в простом лишь смешении. Кроме них атмосфера содержит еще 0,03% углекислоты (СО₂, плотность 22,01, точка кипения —80° или 193° абсолютной температуры), небольшое количество аммиака (NH₃), азотной кислоты (NHО₃), озона (аллотропическое состояние кислорода), перекиси водорода, воды во всех трех агрегатных состояниях, всякого рода атмосферной пыли, бактерий, плесневых грибков и проч., не говоря о случайных и местных примесях.

Количество углекислоты по наблюдениям Бергмана в 1774 г. оказалось очень значительным, но его способы определений оказались неточными. При каждом боле совершенном способе наблюдений получалось и новое число для процентного содержания углекислоты в атмосфере, и всегда менее предыдущего. Так, например, нашли: Гелер — 10%, Шееле (1782) — 6%, Пристлей (1783) — 2%, Гиртаннер (1801) — 1%, Паррот — 0,5%, Гумбольдт — от 0,5 до 1,8%, Томсон—0,1%, Дальтон — 0,05%, Соссюр — от 0,04 до 0,07%, Буссенго и Леви — 0,04%, а по новейшим определениям — в среднем 0,03%. Содержание углекислоты подвержено значительным колебаниям в зависимости от времени года и суток, высоты над уровнем моря, разных географических и метеорологических условий, растительности и пр. Посреди суши суточные и годовые колебания объясняются жизнедеятельностью зеленых растений под действием солнечных лучей, разлагающих углекислоту воздуха на углерод и кислород, причем растения усваивают углерод, а кислород выделяется и распространяется в атмосфере, чем и объясняются колебания не только углекислоты, но также кислорода в атмосфере. Кроме того углекислота расходуется морями и океанами, воды которых поглощают около 83% всей вновь образующейся углекислоты. По наблюдениям обсерватории Монсури в Париже, летом и днем углекислоты в атмосфере меньше, чем зимой и ночью. С апреля по сентябрь днем количество углекислоты в 100 куб. метрах воздуха на 1,4 литра меньше, чем ночью. На острове Гаити наблюдали днем 27,0 литров, а ночью 29,2 литров в 100 куб. метрах воздуха. Посреди океана суточные колебания количества углекислоты имеют обратный характер; максимум днем, минимум ночью, что объясняется влиянием температуры на выделение газа из морской воды. Углекислота совершает в атмосфере круговорот; в одном месте она выделяется или образуется, а в другом месте потребляется и поглощается. Она является результатом разнообразных процессов, совершающихся на земной поверхности и в атмосфере, каковы; вулканические извержения, выделение углекислоты из почвы, гниение, горение, различные химические процессы, процессы дыхания людей и животных. Взаимодействием этих процессов поддерживается то равновесие, которое выражается современным средним содержащем углекислоты, а колебания содержания этого газа в атмосфере зависят от места и времени прихода и расхода. В городах, в закрытых помещениях при скоплении людей или животных, количество углекислоты поразительно возрастает, как видно, например, из опыта профессора Вериго в одной из гимназий в Одессе. Он нашел в классе после первого урока 33, а после 3-го урока 63 литра углекислоты в 100 куб. метрах воздуха. Углекислота, как и водяной пар и атмосферная пыль, сильно влияет на теплопрозрачность атмосферы. В прежние геологические эпохи, когда атмосфера получала избыток углекислоты или значительно очищалась от нее при выделении кислорода, происходили значительные изменения климата, а также в животном и растительном мире, так как кислород и углекислота активные газы атмосферы и постоянно участвуют во всех процессах в жизни нашей планеты.

Постоянство состава атмосферы с высотой изменяется, и в верхних слоях состав атмосферы до последнего времени предполагался по теоретическим соображениям следующий (в %% по объему):

На высоте 100 км атмосфера состоит из водорода (99 ½ %) и ½ % гелия.

В атмосфере заключается некоторая доля аммиака (NH₃) и азотная и азотистая кислоты. Обыкновенно определяют количество азота, входящего в эти химические соединения, которые выпадают из атмосферы дождем, преимущественно в начале дождя. В течение года в обсерватории Монсури на десятину выпадает более 10 килограммов аммиачного азота и 4 килограмма азота в азотной и азотистой кислотах. Наблюдения в Англии и Шотландии показывают, что в  городах выпадает с дождем больше аммиака и кислот азота, чем в деревнях.

В атмосфере находится очень небольшое количество сильно окисляющихся веществ, озона и перекиси водорода, которые образуются при электрических разрядах. Еще Шенбейн  в Базеле в 1840 г. нашел, что воздух после грозы содержит 2—3 миллиграмма озона в 100 куб. метрах, исследования московского профессора Шене показали, что из упомянутых окислителей зимой преобладает озон, а летом перекись водорода. В городах озона меньше, чем в деревнях и горах. В жидком состоянии озон синего цвета; его точка кипения—125°, или абсолютная температура 148°. Плотность озона в 1 ½  раза больше плотности кислорода. Так как озон и кислород после сжижения имеют синий цвет, то этим некоторые геофизики объясняют голубой цвет неба, — взгляд, впрочем, неправильный.

Частицы морской воды уносятся воздушными течениями на значительные расстояния; на пути они испаряются, оставляя в атмосфере различные вещества, которые были в них растворены. Таким образом, может быть объяснено присутствие в атмосфере брома, иода, хлористого натрия и т. д.

В атмосфере всегда находится вода в твердом, жидком и парообразном состоянии; она составляет наиболее подвижную и неустойчивую составную часть земной атмосферы Она находится непрерывно в стадии преобразования, то в стадии таяния и испарения, то в стадии замерзания, сгущения и оседания. Количество воды в атмосфере постоянно изменяется в весьма широких пределах. В твердом состоянии она встречается в виде ледяных кристаллов, снега, града, крупы, ледяного дождя и тумана, перистых облаков до высоты 13 км; в жидком состоянии она образует капли разных размеров, из которых самые мелкие плавают в атмосфере в виде тумана или облаков, а более крупные выпадают в виде дождя. В парообразном состоянии вода имеется в атмосфере везде и всегда, только в разных количествах в зависимости от температуры воздуха, направления ветров, распределения суши и морей, изобарических  систем и пр. Температура воздуха самый важный фактор влажности, но она определяет только высший предел количества водяных паров, насыщающих воздух. В одном кубическом метре воздуха может быть водяных паров: 50,6 граммов при 40°С; 30,0 г  при 30°С; 17,1 г  при 20°; 9,3 г  при 10°С; 4,8 г  при 0°; 2,4 г  при —10°; 1,1 г  при —20°; 0,5 г  при —30°; 0,2 г  при —40°. Так  как температура воздуха уменьшается с высотой, то и количество водяных паров должно уменьшиться. До высоты 2000 метров находится 1/2 всех водяных паров, а выше 6000 метров только 1/10. Водяной пар не может распространяться по вертикальному направлению, по закону диффузии Дальтона и образовать самостоятельную атмосферу, как другие составные части атмосферы, например азот и кислород, потому что температура кладет известные пределы для распространения подобной атмосферы.

Важную роль в физической жизни атмосферы играет атмосферная пыль, постоянно взвешенная в атмосфере и образующая своего рода постоянную пылевую атмосферу. Она образуется из мелких обломков, неорганических и органических, поднятых ветром и восходящими токами, вулканической пыли, организованных тел (бактерии, плесень) и пыли космического происхождения. Число частиц огромное, особенно в замкнутых помещениях. Наблюдения с аппаратом Айткина дали следующие результаты. Число пылинок в каждом кубическом сантиметре воздуха составляло: 32 000 после дождя, а  после сухой погоды — 130 000; в комнате с двумя газовыми рожками, на высоте 1,2 метра, над полом — 1 860 000, вблизи потолка — 5 420 000; в воздухе над пламенем буизеновской горелки — 30 миллионов пылинок в каждом куб. сантиметре. Морской и горный воздух беден пылью, и поэтому мало пылинок на море, на большой высоте в горах, при нисходящих токах и при ветрах, дующих с океана. На горе Риги нашли в каждом кубическом сантиметре при ветре, дующем с гор, от 421 до 1 305 пылинок, а при ветре, дующем из населенных мест, от 1 092 до 5 755. В Париже нашли на башне Эйфеля от 220 до 104 000, а внизу от 160 000 до 210 000 пылинок. Дождь и снег промывают воздух, и после них количество пылинок немного меньше. После вулканических извержений, обширных пожаров, бурь в степях и пустынях присутствие большого количества пыли в атмосфере изменяет ее прозрачность, рассеивающую способность, интенсивность дневных нагреваний и ночных охлаждений в  нижних слоях атмосферы. Атмосферной пыли, в недавнее время, приписывали особенно важную роль при сгущении водяных паров в атмосфере, т. е. при образовании тумана, облаков и осадков, и была высказана мысль, что без атмосферной пыли нет осадков. Предполагали, что микроскопические пылинки безусловно необходимы для образования дождя: каждая пылинка является ядром, около которого происходит сгущение паров. Хотя это крайнее воззрение не подтвердилось, тем не менее, отсутствие пыли в атмосфере значительно задерживает процесс сгущения водяных паров.

Кроме атмосферной пыли, органической и неорганической, в атмосфере находятся бактерии и плесневые грибки. На площади St. Gorvais в Париже в каждом куб. метре воздуха нашли в вредном выводе 7 290 бактерий и 2 165 плесневых грибков; в июле нашли 11 540 бактерий и 2 740 плесневых грибков, а в феврале — 3 425 бактерий и 1 730 плесневых грибков. Их число быстро уменьшается при переходе к океанам и к полярным странам. См. также ветер, испарение, гидрометеорологические облака.

Э. Лейст.