НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ
БИБЛИОТЕКА
И.В. БЕЛЯКОВ

Атмосфера
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ВЫПУСК 78
М. В. БЕЛЯКОВ
АТМОСФЕРА
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ
ДОПОЛНЕННОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1960
16-2-1
ВВЕДЕНИЕ
В этой небольшой книге рассказывается о воздушной
оболочке Земли — атмосфере*). Без воздуха наша
планета была бы мертва, нема и бесплодна.
Каждый живой организм дышит. Человек вдыхает и
выдыхает в сутки примерно 13 кубических метров воз-
духа. Из воздуха, наполняющего легкие человека или
животного, в кровь поступает кислород, а из крови в воз-
дух выделяется углекислый газ. Этот газообмен — важ-
нейший жизненный процесс.
Дышат и растения. Днем, при солнечном свете, ра-
стения поглощают углекислоту и выделяют кислород.
Ночью, в темноте, они, наоборот, поглощают кислород и
выделяют углекислый газ.
Кислородом воздуха, растворенного в воде, дышат
обитатели морей и рек.
Человек и животные не могут пробыть в безвоздуш-
ной среде и нескольких минут.
Если бы Земля не имела атмосферы, на ней царила бы
полная тишина; ведь звук — это колебание частиц
воздуха.
Небо вместо голубого было бы черным. Голубой цвет
неба объясняется тем, что солнечный свет рассеивается
частицами воздуха; при этом более всего рассеиваются
лучи голубые и синие.
Светло было бы только там, куда попадали бы пря-
мые солнечные лучи. Достаточно было бы сделать шаг
*) Это слово происходит от двух греческих слов: «атмос» — пар,
воздух, и «сфайра» — шар, сфера.
3
с освещенной поверхности, чтобы оказаться в непрогляд-
ной тьме.
Освещенная часть Земли раскалялась бы под паля-
щими лучами ослепительно яркого Солнца до темпера-
туры выше кипения воды, а ночью стояли бы сильнейшие
морозы. Воздушная оболочка — это как бы одежда на-
шей планеты: днем она защищает нас от обжигающих
лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное
за день.
Атмосфера Земли играет большую роль и в практи-
ческой деятельности человека. С давних пор люди исполь-
зуют энергию движения воздуха — силу ветра. Ветер
приводит в движение парусные суда, вращает крылья
ветродвигателей. В атмосфере совершаются полеты на
самолетах, планерах, аэростатах. Воздух и входящие в
его состав газы широко используются в технике.
Атмосфера — среда, в которой происходят все явле-
ния погоды, а погода в жизни людей имеет исключитель-
но большое значение. Нет, пожалуй, ни одной отрасли
деятельности человека, которая не зависела бы в той или
иной степени от условий погоды, т. е. от состояния атмо-
сферы. Люди с давних времен стремились к познанию
явлений, происходящих в атмосфере. Еще знаменитый
древнегреческий ученый Аристотель более 2000 лет назад
написал об атмосфере книгу под названием «Метеоро-
логия». Теперь метеорологией называют науку, которая
изучает воздушную оболочку Земли и физические про-
цессы, происходящие в ней.
Один из основных разделов метеорологии — климато-
логия. Климатология изучает многолетний режим по-
годы в том или ином месте земного шара, зависящий от
географических условий. Практической задачей клима-
тологии является характеристика обычных условий по-
годы, при которых протекает человеческая деятельность
в том или ином районе. Вторым основным разделом ме-
теорологии считается синоптическая метеорология; она
исследует общие процессы в атмосфере, развивающиеся
на больших пространствах и влияющие на погоду. Синоп-
тическая*) метеорология разрабатывает методы пред-
сказания погоды. Изучением верхних слоев атмосферы
♦) Слово «синоптическая» происходит от греческого слова «си-
нопсис» — «обозрение».
4
занимается аэрология. Этот раздел метеорологии начал
развиваться лишь в последнее время, когда усовершен-
ствовалась техника исследования высоких слоев атмо-
сферы. В настоящее время для исследования верхних
слоев атмосферы применяются метеорологические раке-
ты, а также искусственные спутники Земли.
Процессы в атмосфере не происходят изолированно;
так, между атмосферой и земной поверхностью идет не-
прерывный обмен теплом и влагой, многие атмосферные
явления связаны с деятельностью Солнца и т. д. Поэто-
му метеорология тесно связана с другими естественными
науками.
Что же мы знаем в настоящее время о воздушной обо-
лочке нашей планеты? Познакомимся с ее строением и
свойствами.
СКОЛЬКО ВЕСИТ ВОЗДУХ
О том, что воздух имеет вес, в наше время, пожалуй,
знают все. Впервые это было установлено в XVII ве-
ке великим итальянским ученым Галилеем. Галилей ре-
шил посмотреть, не изменяется ли вес наполненной воз-
духом бутылки при нагревании. Проделав этот простой
Опыт, ученый увидел, что нагретая бутылка весит мень-
ше, чем холодная.
Галилей дал правильное объяснение этому явлению.
Очевидно, решил он, воздух имеет вес. При нагревании
бутылки находящийся в ней воздух расширился, часть
его вышла наружу, и вес нагретой бутылки уменьшился.
Так было опровергнуто прежнее, неправильное мне-
ние о невесомости воздуха.
Но если воздух имеет вес, он должен оказывать да-
вление на все предметы, находящиеся на Земле. Каково
же это давление? Чему оно равняется?
Этим вопросом занимался ученик Галилея Торри-
челли. Он проделал такой опыт. Взяв длинную, около
одного метра, запаянную с одного конца стеклянную
трубку, Торричелли наполнил ее ртутью и, перевернув,
опустил открытым концом в сосуд с ртутью (рис. 1). При
этом немного ртути вылилось из трубки в сосуд, но
большая ее часть осталась в трубке — на уровне около
76 сантиметров.
5
Что-то помешало всей ртути вылиться из трубки в со-
суд. Торричелли правильно предположил, что причиной
служит давление воздуха на поверхность ртути, налитой
в сосуд. Это давление уравновешивается весом ртути,
оставшейся в трубке.
Открытие Торричелли было подтверждено новыми
опытами, которые были проделаны по просьбе извест-
______ ного французского ученого Паскаля его
родственником Перье.
Город, в котором жил Перье, был распо-
ложен около горы. Перье решил проверить
давление воздуха на различной высоте.
. :	Опыт показал, что на вершине горы высота
столбика ртути в трубке меньше, чем внизу.
Для ученых стало ясно, что это явление
связано с давлением воздуха. Внизу, у по-
верхности земли, воздух давит с большей
силой, чем на вершине горы; слой всего ат-
0 мосферного воздуха, давящего на предметы,
-40 на Уровне вершины горы тоньше, чем на
уровне ее подножья.
_3д	Опытами Перье было окончательно до-
казано, что воздух имеет вес и давит на все
окружающие нас тела.
Теперь мы знаем, что вес одного кубиче-
_70 ского метра воздуха у земной поверхности
равен 1,293 килограмма. На высоте 12 кило-
метров этот вес уменьшается до 319 грам-
ШиЯ мов’ а на высоте 40 километров кубический
--------- метр воздуха весит всего 4 грамма. У по-
Рис. 1. Опыт верхности земли, где воздух наиболее пло-
Торричелли. тен и тяжел, он в 770 раз легче воды. Это
значит, что воздух, содержащийся в литро-
вой бутылке, весит примерно столько же, сколько весит
вода в наперстке.
Наглядно убедиться в давлении воздуха можно на
очень простом опыте. Налейте в стакан с ровными края-
ми воды до самого верха, покройте его листом бумаги
и, придерживая лист рукой, быстро переверните стакан.
Теперь вы можете отнять от бумаги руку, вода из ста-
кана не выльется. Лист бумаги как бы прилипнет к ста-
кану. Это объясняется тем, что воздух давит на бумагу
и крепко прижимает ее к краям стакана. Давление воды
6
в стакане на бумажный лист меньше, чем давление на-
ружного воздуха.
Наглядно показывает давление воздуха и. следующий
пример. Положите на стол лист газеты так, чтобы край
его совпадал с краем стола, а под этот лист, в его сере-
дине,— обычную деревянную чертежную линейку (при-
мерно на 2/3 ее длины). Если теперь вы ударите по концу
линейки, то вы увидите, что лист почти не тронется с ме-
ста, а линейка при сильном ударе может даже перело-
миться. Причина здесь та же: воздух, давящий на лист
газеты, прижимает его к столу так, что удар по линейке
должен преодолеть не только вес самого листа, но и вес
давящего на лист воздуха.
Давление воздуха измеряется с помощью особых при-
боров — барометров *). Первым таким прибором была, по
существу, трубка Торричелли. Если позади нее поставить
шкалу, разделенную на миллиметры, то давление воз-
духа можно измерять по высоте ртутного столба в труб-
ке, или, как говорят, «в миллиметрах ртутного столба»
(в мм рт. ст.). Этот прибор получил название ртутного
барометра.
В настоящее время в метеорологии величину давле-
ния воздуха обычно выражают не высотой ртутного
столба, а в особых единицах давления — миллибарах.
Один миллибар (сокращённо мб) примерно равен
тому давлению, которое оказывает тело весом 1 грамм
на поверхность в один квадратный сантиметр. Миллибар
равен приблизительно 0,75 мм рт. ст.
Часто атмосферное давление измеряют с помощью
так называемого барометра-анероида — полой металли-
ческой коробки, из которой выкачан воздух. В зависи-
мости от величины давления наружный воздух сжимает
стенки коробки то с большей, то с меньшей силой. С по-
мощью рычажков это передается стрелке, которая и по-
казывает на шкале величину атмосферного давления.
Существует и такой прибор, который непрерывно
автоматически записывает на бумажной ленте измене-
ния давления воздуха; его называют барографом.
В физике единицей давления является так называе-
мая физическая атмосфера. Это — давление воздуха на
♦) Слово барометр происходит от двух греческих слов — «ба-
рос»— тяжесть и «метрео» — измеряю.
7
широте 45 градусов, на уровне моря при 0 градусов
Цельсия. Для такого давления высота столбика ртути с
площадью поперечного сечения в 1 квадратный санти-
метр составляет 760 миллиметров. Такое давление при-
нято считать нормальным атмосферным давлением.
Отсюда мы можем узнать величину атмосферного
давления на каждый квадратный сантиметр поверхности
Земли. Давление воздуха на один квадратный сантиметр
земной поверхности будет равно весу столбика ртути с
площадью поперечного сечения в 1 квадратный санти-
метр и высотой в 760 миллиметров. Этот вес равен
1,033 килограмма.
Если теперь мы рассчитаем, какое давление воздуха
испытывает поверхность человеческого тела, то получен-
ные цифры покажутся неправдоподобно большими.
Поверхность тела человека среднего роста равна при-
мерно 15 000 квадратных сантиметров. Следовательно,
она должна испытывать давление в 15 500 килограммов,
т. е. более 15 тонн. На ладонь человека, площадь кото-
рой равна примерно 150 квадратным сантиметрам, воз-
дух давит с силой 150 килограммов, а это вес двух взрос-
лых человек.
Мы не ощущаем такого огромного давления потому,
что давление воздуха внутри нашего тела равно атмо-
сферному и тем самым оно уравновешивает внешнее дав-
ление. Организм человека и животных приспособлен к
такому давлению воздуха.
Если наружное давление воздуха понижается более
чем вдвое, воздух, находящийся внутри тела человека
или животного, начинает его раздувать. Кожа при этом
может трескаться и кровоточить. Человек испытывает
головокружение и часто теряет сознание. Вот почему на
современных высотных самолетах кабины летчика и пас-
сажиров делаются непроницаемыми для воздуха; в них
искусственно поддерживается давление, близкое к дав-
лению у поверхности Земли.
На высоте 15 километров наибольшая разность давле-
ний снаружи и внутри кабины достигает 0,91 килограмма
на квадратный сантиметр. А это значит, что, например,
дверца кабины высотой 1,5 метра, шириной 60 санти-
метров, т. е. площадью в 9000 квадратных сантиметров,
будет испытывать давление 0,91 X 9000 = 8190 килограм-
мов, т. е. больше 8 тонн. При такой нагрузке двери и окна
8
кабины должны быть сделаны из особо прочных ма-
териалов.
Мы можем подсчитать и вес всей земной атмосферы.
Поверхность Земли равна 510 миллионам квадратных
километров. Каждый квадратный километр испытывает
давление в 10 130 000 тонн. Значит, вся атмосфера весит
более 5 квадриллионов (5 000 000 000 000 000) тонн.
Кстати, это не так уж много по сравнению со всей мас-
сой Земли, всего одна ее миллионная часть.
Так как нижние слои воздуха значительно плотнее
верхних (на нижние слои давят верхние), то основная
часть веса атмосферы сосредоточена внизу, ближе к зем-
ной поверхности. До высоты 5 километров расположена
половина веса всей атмосферы, а выше 15 километров
остается всего 0,1 ее веса (рис. 2).
ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Ц то такое воздух? Из чего он состоит?
* В древности воздух считали одним из элемен-
тов, т. е. тех простых веществ, из которых состоят все
окружающие нас тела. Древнегреческий ученый Анакси-
2 М. В Беляков
9
мен даже учил, что из воздуха создан весь мир. Только
в XVIII веке было установлено, что атмосферный воз-
дух— это довольно сложная смесь различных газообраз-
ных веществ.
В основном воздух состоит из азота, кислорода и ар-
гона. Больше всего в воздухе азота; его содержится (по
объему) 78,08%, а затем идет кислород — 20,95% и
аргон — 0,93%. На долю этих трех газов приходится бо-
лее 99,9% всего объема воздуха. Оставшуюся часть со-
ставляют углекислый газ, водород, неон, гелий, озон,
криптон и ксенон. Помимо этого, в атмосфере всегда
присутствует водяной пар. Количество его непостоянно
и колеблется от 0 до 4% по объему. Водяной пар играет
большую роль в атмосферных явлениях, так как его сгу-
щение дает начало облакам и осадкам. Превращения во-
дяного пара сопровождаются поглощением или выделе-
нием больших количеств тепла.
Кроме того, в воздухе всегда находятся различные
примеси в виде твердых и жидких частичек.
Вначале определение состава воздуха производилось
лишь у земной поверхности и на небольшой высоте.
Каков состав воздуха высоко над землей, ученые не зна-
ли, но предполагали, что газы располагаются в атмо-
сфере в зависимости от их веса или плотности. Думали,
что более тяжелые — азот и кислород — лежат ниже, а
более легкие — гелий и водород — выше.
Одно из первых исследований состава воздуха на
большой высоте было проведено в нашей стране при по-
лете стратостата «СССР-1» 30 сентября 1933 года. Стра-
тостат представлял собой огромный воздушный, шар,
к которому была подвешена герметически закрытая
кабина. В кабине поместились три воздухоплавателя —
Прокофьев, Годунов и Бирнбаум. Стратостат поднялся
на рекордную для того времени высоту в 19 кило-
метров.
Во время полета были взяты пробы воздуха на различ-
ных высотах. Анализ полученного воздуха дал неожидан-
ные результаты. Оказалось, что процентное отношение
газов, входящих в состав воздуха, до высоты 18 кило-
метров не меняется; оно остается таким же, как и у зем-
ной поверхности.
Позднее в разных местах земного шара ученые неодно-
кратно брали пробы воздуха с этих и других высот и
10
убедились в том, что состав воздуха действительно
остается неизменным до очень больших высот.
Достоверные сведения о составе более высоких слоев
атмосферы получают с помощью ракет. Метеорологи
запускают в атмосферу ракеты, приспособленные для
взятия проб воздуха (и для других наблюдений). Теперь
ракеты поднимаются уже «на сотни километров над зем-
лей. В феврале 1958 года мощная советская одноступен-
чатая ракета с научной аппаратурой, общим весом
1520 килограммов, поднялась на высоту 473 километра.
Ракетные исследования показали, что и на очень
больших высотах состав воздуха почти не изменяется.
Только начиная с 85 километров в нем несколько пони-
жается доля наиболее тяжелого газа аргона, по сравне-
нию -с долей кислорода и азота.
О составе воздуха на больших высотах мы узнаем
также при помощи других, косвенных способов, напри-
мер с помощью особого способа исследования — спект-
рального анализа.
В XVII веке великий английский ученый Ньютон
открыл, что белый свет — это свет сложный. Поставив на
пути солнечных лучей стеклянную призму, он увидел не-
обычайную картину: пучок белых лучей, пройдя через
призму, превратился в радужную полоску. Края ее были
красного и фиолетового цветов. Между ними можно бы-
ло выделить оранжевый, желтый, зеленый, голубой и си-
ний цвета.
Эта многоцветная полоса получила название спект-
ра. Кстати, для запоминания порядка расположения
цветов в спектре можно использовать фразу: «Каждый
охотник желает знать, где сидит фазан». Нетрудно ви-
деть, что каждое слово этой фразы начинается с той же
буквы, что, и название соответствующего цвета.
Ньютон обнаружил только часть спектра. Позднее за
фиолетовыми и красными лучами были найдены другие,
не видимые простым глазом. Лучи, которые следуют
после фиолетовых, были названы ультрафиолетовыми,
а лучи, расположенные за красными,— инфракрасными.
Дальнейшие исследования спектров привели ученых
к интересному и важному открытию. Оказалось, что
спектр, получающийся от свечения раскаленных твердых
тел, отличается от спектра, который дают раскаленные
светящиеся газы или пары. Спектр света, идущего от
2*
1.1
раскаленных твердых тел,— сплошной, он похож на раду-
гу. А спектр света раскаленных газов (паров) состоит из
отдельных тонких цветных линий на темном фоне, при-
чем для каждого газообразного вещества расположение
этих линий различно. Например, спектр паров натрия
дает одну желтую линию, а водород четыре, из которых
одна красная, одна синяя и две фиолетовые. Такие
спектры спутать трудно!
Это было открытие большой важности. Изучая спект-
ры различных веществ, ученые стали узнавать их хими-
ческий состав.
При тщательном исследовании солнечного спектра
выяснилось, что в нем на фоне радужной полоски замет-
но еще много тонких темных линий. Ученые поняли, что
эти темные линии появляются не случайно, что-то задер-
живает часть световых лучей, не пропускает их.
Где же потерялись, например, красные лучи, если в
красной части спектра мы находим много темных линий?
Оказалось, что если на пути красных лучей встре-
чается вещество, которое само испускает такие же крас-
ные лучи, то оно задерживает, поглощает их, и в спектре
мы видим темные линии.
Подобные спектры называют спектрами поглощения,
а сами линии — линиями поглощения*).
Изучение спектров поглощения позволило определить
химический состав Солнца и звезд: темные линии погло-
щения рассказывают ученым о том, какие химические
элементы находятся на пути следования лучей света —
во внешних оболочках Солнца и звезд.
Таким же путем исследуется и состав высоких слоев
атмосферы.
Новый метод исследования и был назван спектраль-
ным анализом. Честь его создания принадлежит немец-
ким ученым Кирхгофу и Бунзену.
В высоких слоях атмосферы — от 100 до 1100 кило-
метров над землей — временами наблюдается интересное
природное> явление — полярное сияние (рис. 3). Поляр-
ное сияние — это свечение разреженного воздуха. Такое
свечение возбуждается электрически заряженными части-
цами, поток которых идет от Солнца. Частицы, выбра-
*) Подробнее о спектрах и спектральном анализе см. в брошю-
ре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: С. Г. Суво-
ров, О чем говорит луч света.
12
сываемые из недр Солнца, с огромной скоростью влетают
в земную атмосферу и вызывают полярные сияния*).
Исследование спектров полярных сияний показало, что
Рис. 3, Полярное сияние.
и на тех высотах, где происходит это интересное природ-
ное явление,— воздух в основном состоит из азота и
кислорода.
Чем же объяснить постоянство состава атмосферы?
♦) О полярных сияниях см. в брошюре «Научно-популярной
библиотеки» Гостехиздата: Н. Г. Новикова, «Необыкновенные»
небесные явления,
13
Объясняется это-, надо думать, только одним — тем,
что воздух все время перемешивается. Воздушный океан
никогда не знает покоя.
Доказательством того, что газы в атмосфере переме-
шиваются, может служить, в частности, и присутствие на
большой высоте натрия, который попадает в атмосферу
при испарении воды океанов и морей. В 1936 году совет-
скими учеными этот химический элемент был обнаружен
на высоте 82 километров. Важной составной частью воз-
духа является водяной пар. Поступает он в атмосферу
за счет испарения воды с поверхностей морей и океанов,
озер и рек, влажной почвы и растений.
В отличие от остальных составных частей воздуха,
водяной пар в атмосфере может переходить в жидкое или
твердое состояние. Об этих превращениях водяного пара
в атмосфере мы расскажем дальше. А сейчас отметим
только, что количество водяного пара с высотой очень
быстро убывает. Почти вся вода сосредоточена в нижнем
слое атмосферы. Исследования показали, что в самых
верхних слоях атмосферы водяной пар отсутствует.
Особый интерес представляет газ озон. «Озон» значит
по-гречески «сильно пахнущий». Резкий запах озона
обнаруживается у поверхности земли при грозовых раз-
рядах. Озон — это видоизменение атмосферного кисло-
рода. В молекулах атмосферного кислорода содержится
по два атома, а молекула озона состоит из трех атомов
кислорода. Озон образуется под действием ультрафиоле-
тового излучения Солнца (главным образом на высоте
от 5 до 50 километров). При этом молекулы кислорода
(О2) распадаются на атомы (О) и затем отдельные
атомы присоединяются к молекулам (О2) и образуют
трехатомные молекулы озона (Оз). В очень небольших
количествах озон образуется и в нижних слоях атмосфе-
ры, где при грозовых разрядах также происходит распад
и восстановление молекул кислорода, но количество его
здесь не постоянно и очень мало. На больших высотах,
где образование озона происходит под действием непре-
рывного ультрафиолетового излучения Солнца, его коли-
чество увеличивается. Оно достигает максимума на высо-
те 20—25 километров и делается практически незамет-
ным на высоте 55—60 километров.
Общее количество озона в атмосфере невелико. Если
бы можно было собрать его в один слой при нормальном
14
атмосферном давлении и температуре 0°, то толщина
этого слоя составила бы всего 2—3 миллиметра.
Несмотря на столь малое количество, озон играет
очень большую роль в регулировании температуры в
атмосфере и для жизни на Земле. Дело в том, что он
очень сильно поглощает ультрафиолетовое излучение
Солнца. Благодаря озону ультрафиолетовые лучи Солнца
попадают на земную поверхность в ничтожном коли-
честве, а эти лучи оказывают сильное влияние на живые
организмы. В умеренных количествах они вызывают пиг-
ментацию кожи человека (загар) и убивают некоторые
виды бактерий, а когда их много, то они задерживают
рост растений и оказываются вредными для живых ор-
ганизмов.
Если бы озон вдруг исчез из атмосферы, жизнь в со-
временных формах на Земле не могла бы существовать,
так как лучи Солнца совершенно изменили бы все биоло-
гические процессы.
Кроме названных выше газов, в атмосфере, как уже
упоминалось, всегда имеется большое количество приме-
сей в виде мельчайших твердых и жидких частичек, как
бы плавающих в воздухе. Чаще они так малы, что про-
стым глазом их не видно. Более крупные частицы мы ви-
дим, например, в луче солнечного света, проникающего
через небольшие отверстия в темную комнату. Эти ча-
стички по своему происхождению весьма разнообразны.
Они рождаются повсюду. Разрушаются и выветриваются
скалы и почва, тучи пыли поднимаются к небу. Над ши-
рокими просторами морей носятся бесчисленные частич-
ки морской соли. В атмосфере городов всегда находится
много бактерий (в горах и над океанами их значительно
меньше). Сильно засоряют атмосферу частицы дыма при
сжигания угля и нефти в промышленных районах. В про-
мышленных центрах Англии, сжигающей в год около
180 миллионов тонн угля, ежегодно оседает на каждый
квадратный метр поверхности около 1,2—1,4 килограмма
сажи и пыли. В довоенные годы убыток, приносимый
дымом в одном только Лондоне (расходы на усиленное
освещение, порча одежды, зданий и пр.), оценивался в
77 миллионов рублей в год.
При извержении вулканов количество пыли и пепла
бывает так велико, что затмевает солнечный свет. Так
было, например, в 1883 году при извержении вулкана
15.
Кракатау в Индонезии. Вулкан выбросил в воздух огром-
ное количество пепла и пара. Пепел поднялся на высоту
до 32 километров, сильно засорив атмосферу.
Пыль поступает в атмосферу также из межпланетного
пространства и от разрушения попадающих в атмосферу
метеорных тел. Это — так называемая космическая и
метеорная пыль.
Любопытно отметить, что, хотя пыли в атмосфере от-
носительно меньше над морями и океанами, чем над су-
шей, сами моря и океаны также являются поставщиками
твердых частиц в атмосферу. Происходит это потому, что
при волнении на море ветер поднимает в воздух мелкие
брызги и пену морских волн. Водяные капельки при этом
испаряются, оставляя в воздухе громадное количество
мельчайших частиц морской соли.
Понятно, что пыли больше всего у земной поверхно-
сти. Чем выше, тем пыли меньше. Подсчет показывает,
что в среднем число пылинок в одном кубическом метре
воздуха на высоте от 100 до 6000 метров уменьшается
в среднем с 45 000 до 20.
Некоторые частицы атмосферной пыли оказывают
влияние на погоду. Они играют роль ядер, на которые
осаждаются молекулы водяного пара, образуя облака
и туманы. Такие частицы называются ядрами конденса-
ции. Лучше всего конденсируются молекулы водяного
пара на частицах, попадающих в воздух при сгорании
угля, гниении органических веществ и т. д.
ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА
Выясним прежде всего, что такое температура. Из фи-
зики мы знаем, что температура — это величина,
характеризующая тепловое состояние тела. Качествен-
ной мерой температуры является наше ощущение тепла;
количественным измерителем, правда, в некоторой сте-
пени произвольным, может служить любой термометр.
От чего же зависит температура?
Как известно, все окружающие нас тела состоят из
мельчайших частиц вещества — атомов и молекул. Эти
частицы никогда не находятся в покое. Характер их дви-
жения различен у твердых, жидких и газообразных тел.
От скорости движения атомов и молекул и зависит тем-
пература тела.
16
В газах частицы не связаны друг с другом; они но-
сятся в самых различных направлениях и на «каждом
шагу» сталкиваются друг с другом, меняют свое направ-
ление, разлетаются, снова сталкиваются. Ско-рости дви-
жения у отдельных частиц газа могут несколько отли-
чаться, но каждой температуре газа соответствует ка-
кая-то определенная средняя скорость движения его
частиц. Чем больше средняя скорость движения частиц,
тем выше температура газа*).
Таким образом, можно считать, что температура газа
является непосредственной мерой средней скорости дви-
жения его молекул.
Все сказанное выше позволяет объяснить и возмож-
ность возникновения очень высоких температур. Повы-
шая температуру газа, мы повышаем скорость движения
его частиц, а поскольку пределы повышения скорости
очень велики, то и температура может увеличиваться до
очень больших значений.
С другой стороны, при охлаждении газа можно до-
стичь такой температуры, при которой скорость тепло-
вого движения молекул упадет до нуля. Это наступает
при температуре в 273,23 градуса ниже обычного нуля.
Обычно для измерения температуры служит неслож-
ный прибор — термометр. Это — стеклянная трубка с не-
большим расширением на конце, наполненная ртутью
или подкрашенным спиртом. При нагревании жидкость
в трубке расширяется и поднимается вверх по трубке.
Если трубку наложить на шкалу (линейку с делениями),
то можно, измерять температуру в градусах. Темпера-
туру тающего льда условились принимать за нуль гра-
дусов, а температуру кипящей воды— за 100 градусов.
Шкала, рассчитанная таким образом (разделенная на
100 делений от 0 до 100), называется шкалой Цельсия.
Основным источником тепла на Земле служит Солнце.
Подсчитано, что на каждый квадратный метр земной
поверхности ежеминутно падает в среднем 14—18 боль-
ших калорий**) тепла.
Количество тепла, получаемого Землей от Солнца,
поистине прандиозно. За одни сутки поверхность зем-
*) Подробнее см. брошюру «Научно-популярной библиотеки»
Гостехиздат: проф. Б. Б. Кудрявцев, Движение молекул.
**) Большая калория — это количество тепла, необходимое для
нагревания 1 килограмма воды на 1 градус Цельсия.
3 М. В. Беляков
17
ного шара получает от Солнца больше тепла, чем могло
бы дать все топливо, сожженное человечеством за
1000 лет (при нынешнем годовом расходе).
Солнечная энергия является источником всей жизни
на Земле. В той или иной форме мы постоянно исполь-
зуем энергию Солнца. Например, энергия каменного
угля — это, по существу, солнечная энергия. Ведь
уголь — это залежи похороненных в земных пластах
древних растений, росших на Земле миллионы лет назад.
А растения могут жить и развиваться только под луча-
ми Солнца *).
Энергия, излучаемая Солнцем в мировое простран-
ство, огромна. Но на Землю, находящуюся от Солнца на
расстоянии около 150 миллионов километров, падает
лишь незначительная часть этой энергии. Установлено,
что количество лучистой энергии в калориях, приходящее
в одну минуту на один квадратный сантиметр поверх-
ности, расположенной перпендикулярно солнечным лу-
чам на границе атмосферы, равно 1,97 калории. Эта ве-
личина носит название солнечной постоянной.
Что же происходит на Земле с энергией, излучаемой
Солнцем? Как при этом нагревается земная атмосфера?
Длительными наблюдениями и исследованиями уста-
новлено, что поступающее на Землю тепло солнечных
лучей распределяется на несколько тепловых потоков.
42% тепла отражается от Земли и уходит назад, в ми-
ровое пространство, в виде отраженных солнечных лу-
чей. Из них 38% отражается атмосферой и 4% земной
поверхностью. Остальные 58% поглощаются: 14%—ат-
мосферой и 44%—почвой. Все полученное тепло почва
отдает обратно, причем 5,6% тратится на нагревание
воздуха, а 18,4%—на испарение влаги. В результате
атмосфера, кроме 14% тепла, которые она поглотила в
виде прямых солнечных лучей, получает еще 5,6% за
счет нагревания от земной поверхности и 18,4% за счет
превращения в жидкость испарившейся воды (т. е. за счет
выделения скрытой теплоты при конденсации водяного
пара).
Всем известно, что температура воздуха у поверхно-
сти земли не остается постоянной. Она колеблется как
*) См. об этом брошюру в серии «Научно-просветительная биб-
лиотека» Гостехиздата: Г. А. Аристов, Солнце.
18
в течение суток, так и в течение года. Чем это
объясняется?
Наша планета, Земля, обращается вокруг Солнца.
Один полный оборот она совершает за один год. При
этом в различное время года разные места земного шара
освещаются солнечными лучами неодинаково. Полгода
к Солнцу наклонено северное полушарие Земли (рис. 4);
в это время оно получает больше тепла, чем южное, и в
Рис. 4. Положение Земли по отношению к солнечным лучам
в день летнего солнцестояния.
северном полушарии стоит лето, а в южном — зима.
В следующие полгода (рис. 5) к Солнцу наклонено юж-
ное полушарие, которое теперь получает больше тепла,
чем северное, и в этот период в северном полушарии
стоит зима, а в южном — лето.
Земля шарообразна. Поэтому количество тепла, по-
ступающее от Солнца, различно для разных мест на зем-
ном шаре. В зоне экватора солнечные лучи падают на
земную поверхность почти отвесно. Ближе к полюсам
они падают под меньшим углом, как бы скользя по по-
верхности земли (рис. 6). Ясно, что одно и то же количе-
ство солнечных лучей распределяется по большей поверх-
ности, падая под углом, чем при отвесном падении.
Этим и объясняется жаркий климат в экваториальных
областях Земли и холодный — в полярных.
3*
19
Земной шар вращается вокруг своей оси. В течение
суток одно и то же место на земном шаре находится в
разных положениях относительно Солнца. В полдень
Рис. 5. Положение Земли по отношению к солнечным лучам
в день зимнего солнцестояния.
Солнце стоит у нас почти над головой, утром и вечером
лежит у самого горизонта, а ночью уходит под горизонт.
Рис. 6. Освещение Солнцем экваториальной зоны и полярных
районов Земли.
Утром и вечером солнечным лучам приходится прохо-
дить гораздо больший путь в атмосфере, чем в полдень.
Подсчитано, что длина пути солнечных лучей сквозь
атмосферу, при восходе и заходе Солнца в 35 раз длин-
нее, чем днем, когда Солнце стоит прямо над головой.
20
Так как часть энергии Солнца поглощается земной
атмосферой, понятно, что утром и вечером будет холод-
нее, чем в полдень.
На температуру воздуха в разных местах земного
шара влияет и то обстоятельство, что поглощение тепла
земной поверхностью зависит от ее характера. Неровная
поверхность нагревается сильнее, чем гладкая. Суша на-
гревается скорее, чем вода, и быстрее охлаждается.
Вспаханное поле нагревается сильнее, чем покрытый
травой луг, песок нагревается сильнее, чем почва, покры-
тая кустарником.
Кроме того, температура воздуха в разных местах
земного шара в большой степени определяется приносом
тепла морскими и воздушными течениями. Так, извест-
ное теплое морское течение Гольфстрим, выходящее из
Мексиканского залива с температурой воды выше
+ 28 градусов, приносит в северные моря такой запас
тепла, что, например, Баренцево море летом очищается
от льда до Шпицбергена. Благодаря этому течению кли-
мат северо-западной Европы гораздо теплее, чем в лю-
бом другом месте земного шара под теми же широтами.
Так, у берегов Норвегии на острове Скомвэр средняя
температура воздуха в январе равна + 1,1 градуса.
В то же время в СССР в Усть-Цильме на реке Печоре,
на той же широте, средняя температура января равна
— 18 градусов.
Воздушные течения, постоянно существующие в ат-
мосфере, также сильно влияют на температуру воздуха.
В отдельных случаях проникающие с севера далеко на
юг массы холодного воздуха из Арктики резко понижают
температуру в центральных и южных областях Европей-
ской части Советского Союза. Например, в январе
1950 года холодный воздух, распространившийся из
Арктики, понизил температуру воздуха в Ростове до 32
и в Сочи до 16 градусов мороза. Иногда зимой в Евро-
пейской части СССР наступает, наоборот, резкое потепле-
ние; оно вызывается притоком теплых масс воздуха из
района Средиземного моря.
В результате всего этого температура воздуха на зем-
ном шаре распределяется не строго по широтам.
Что касается пределов, которых может достигать
температура воздуха, то их еще нельзя считать точно
установленными. Так, до недавного времени «полюсом
21
холода» считали город Верхоянск в Якутской АССР, где
была зарегистрирована температура в —68 градусов
(по Цельсию). Однако в дальнейшем было обнаружено,
что втой же Якутской АССР в поселке Оймякон наблю-
дались температуры до —70—71 градуса. А теперь на-
блюдениями советских метеорологов на станции «Во-
сток» в Антарктиде отмечено понижение температуры в
августе 1959 года до 87 градусов мороза. Наиболее высо-
кая температура, +58 градусов, наблюдалась в Африке,
близ города Триполи (Ливан) и в Южном Иране. Тем-
пература воздуха +56 градусов отмечалась в Долине
Смерти (США, штат Калифорния).
Отметим в связи с этим одну очень распространен-
ную ошибку. Вы часто слышите, а может быть, и гово-
рите сами: «сегодня на солнце температура такая-то».
Однако измерять температуру «на солнце», т. е. поме-
щать термометр прямо под солнечные лучи, нельзя. В
этом случае термометр будет нагреваться сам и покажет
температуру не воздуха, а ртути и стекла термометра.
Это можно легко проверить. Поставьте под солнечные
лучи разные термометры, и они покажут вам разную тем-
пературу, характерную для сорта стекла, из которого
сделаны трубки термометра, и величины каждого тер-
мометра.
Поэтому температуру воздуха всегда измеряют в тени.
Измерения температуры воздуха на разных высотах *)
показали, что на каждые 100 метров подъема температу-
ра понижается в среднем на 0,6 градуса. Однако эта зако-
номерность не распространяется на всю толщу атмосфе-
ры. В умеренных широтах непрерывное понижение тем-
пературы воздуха с высотой наблюдается только пример-
но до 11 —12 километров. На экваторе эта высота
возрастает до 15—18, а на полюсах понижается до 8—9.
Выше этих границ температура воздуха становится
почти постоянной до высоты 35 километров — здесь
держится мороз в 55 градусов. Дальше температура
воздуха начинает повышаться и к 50 километрам дости-
гает приблизительно + 70 градусов. Эта температура
сохраняется до высоты около 65 километров, после чего
снова падает. Затем следует новое повышение тем пера-
*) О^том, с помощью каких средств изучают различные слои ат-
мосферы, см. в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостех-
издата: В. К. Щукин, Штурм неба.
22
туры, и на высоте 120 километров она может достигать
+ 100 градусов.
Чем все это объясняется?
Повышение температуры на высотах между 35—
50 километрами объясняется присутствием в этом слое
озона; он, как мы уже говорили, поглощает ультрафио-
летовое излучение Солнца, которое и вызывает увели-
чение температуры в этом слое. Следующее повышение
температуры—в слое между 90 и 120 километрами,—
как предполагают, объясняется так называемой иони-
зацией воздуха, о которой мы будем говорить ниже.
Повышение температуры воздуха на высоте 40—
50 километров было подтверждено исследованиями со-
ветского ученого проф. В. И. Виткевича. Он изучал рас-
пространение звука при взрыве артиллерийских скла-
дов близ Москвы в 1920 году. Проверив слышимость
взрыва в различных пунктах вокруг Москвы, он обнару-
жил, что взрывы были слышны в двух зонах — одна
радиусом в 60 километров вокруг Москвы, а другая на-
чиная со 160 километров от Москвы. Между ними нахо-
дилась зона молчания, в которой звуки взрывов совсем
не были слышны. Было установлено, что звуковые коле-
бания, возникавшие при взрывах под Москвой, отража-
лись от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40—
50 километров, описывали дугу и возвращались на зем-
лю (рис. 7).
Из теории распространения звука известно, что та-
кое отражение звука в атмосфере может возникнуть
лишь при одном условии: слой атмосферы, отразивший
звук, должен быть более нагрет, чем нижние слои. Его
температура должна быть примерно +40--------1-50 гра-
дусов.
Существование в атмосфере Слоев, в которых сохра-
няется одна и та же температура воздуха (значительно
ниже 0 градусов), объясняется так называемым лучи-
стым равновесием.
Вот что это такое. Мы уже знаем, что воздух полу-
чает от земной поверхности тепло и излучает его во все
стороны. Если какой-либо объем воздуха поглощает
тепла больше, чем излучает, то воздух нагревается, если
меньше — охлаждается. Но если излучаемая и погло-
щаемая энергия оказываются равными, то температура
в данном объеме воздуха становится устойчивой, или, как
23
принято называть, равновесной. Этим и объясняется
сохранение постоянной температуры по высоте в неко-
Рис. 7, Зоны слышимости и молчания при взры-
ве в 1920 году под Москвой.
торых слоях атмосферы. Такие слои называются слоями
изотермии («изос» — равный, «терме» — теплота),
ВОДА В АТМОСФЕРЕ
В °Да поступает в атмосферу, испаряясь с поверхности
океанов и морей, рек и озер, увлажненной почвы,
лесов и лугов. Конечно, больше всего испарений идет
от поверхности океанов и морей, так как они занимают
около 71 процента всей поверхности земного шара.
В атмосфере постоянно находится около 10 000 мил-
лиардов тонн воды в виде пара. Это означает, что над
24
каждым гектаром земной поверхности в воздухе содер-
жится в среднем более 200 тонн воды.
При этом <в атмосфере происходит непрерывный кру-
говорот водяного пара. Испаряясь с поверхности земли
(с океанов и с материков), водяной пар распростра-
няется в атмосфере. Воздушные течения переносят его
на далекие расстояния. При конденсации водяного пара
возникают облака и осадки; в виде осадков вода вновь
возвращается на земную поверхность.
По расчетам советского ученого М. И. Львовича с по-
верхности океанов в течение года испаряется около
450 тысяч кубических километров воды*), т. е. слой воды
толщиной в среднем 1,24 метра. С материков за год
испаряется около 71 тысячи кубических километров
воды. Осадков на материки выпадает 107 тысяч кубиче-
ских километров, а над океанами — свыше 410.
По приближенным расчетам в атмосфере в виде во-
дяного пара находится в среднем зимой 13 080 кубиче-
ских километров воды, а летом— 14 540. Так как за год
осадков на земном шаре выпадает примерно в 40 раз
больше, нетрудно видеть, что круговорот воды в атмо-
сфере очень интенсивен. Если учесть при этом, что как
на испарение, так и на конденсацию влаги расходуется
большое количество тепловой энергии, становится оче-
видным исключительно большое значение круговорота
воды в процессах, совершающихся в атмосфере.
Содержание водяного пара в воздухе (влажность
воздуха) определяют с помощью специальных прибо-
ров— волосного гигрометра и психрометра. В волосном
гигрометре используется свойство волоса удлиняться
при увеличении влажности воздуха. Если воздух стано-
вится более сухим, волос, наоборот, укорачивается. Та-
ким образом, соединенный со стрелкой или с пером,
записывающим на бумажной ленте кривую влажности,
волос может показывать количество водяного пара в
воздухе.
Более точный прибор — психрометр. Он состоит из
двух ртутных термометров. Шарик с ртутью одного из
термометров обернут лентой из тонкой материи (обычно
батиста), а концы ленты опущены в воду.
♦) Один кубический километр воды равен по весу одному милли-
арду тонн.
4 М. В. Беляков
25
Вода из батиста, покрывающего резервуар термо-
метра, будет испаряться. Быстрота испарения зависит
от влажности воздуха. Чем суше воздух, тем испарение
протекает быстрее, чем влажность воздуха больше, тем
испарение идет медленнее.
Испарение воды может происходить лишь при затра-
те теплоты. Тепло поступает из двух источников: от ок-
ружающего воздуха и от резервуара с ртутью термо-
метра. Поскольку на процесс испарения идет часть
тепла от ртути, то температура ее понижается и смочен-
ный термометр охлаждается. Температуру воздуха по-
кажет только сухой термометр, показание же смочен-
ного термометра будет ниже, чем сухого. Чем быстрее
будет происходить испарение, тем больше тепла в еди-
ницу времени будет расходоваться ртутью смоченного
термометра, и показания.последнего станут ниже. Поэто-
му, чем суше воздух, тем больше разница в показаниях
сухого и смоченного термометров. При большой влаж-
ности разница невелика; когда же влажность достигнет
100%, то показания обоих термометров станут одинако-
выми.
Таким образом, по разности показаний сухого и смо-
ченного термометров можно судить о влажности воз-
духа. Расчеты производятся при помощи специальных
таблиц.
Известно, что любой газ при определенной темпера-
туре переходит в жидкое или твердое состояние. Так,
например, при температуре ниже 183 градусов кислород
превращается в жидкость. Однако в атмосферных усло-
виях сжижение газов, входящих в состав воздуха, не на-
блюдается, за исключением водяного пара. Находящий-
ся в воздухе водяной пар может превращаться как
в капли воды, так и в кристаллы льда. Происходит это
следующим образом.
Молекулы воды непрерывно движутся. При этом неко-
торые из них, находящиеся близко к поверхности воды,
отрываются от нее и поступают в воздух. Часть из мо-
лекул остается в воздухе в виде водяного пара, часть
возвращается обратно в воду.
Мы уже знаем, что с повышением температуры ско-
рость движения молекул возрастает; при этом количе-
ство частиц, поступающее в воздух, увеличивается. Дру-
гими словами, увеличивается испарение.
26
Однако оно не может происходить до бесконечности.
Наступает такой момент, когда количество испаряющих-
ся молекул становится равным количеству возвращаю-
щихся в воду. Это значит, что теперь пространство над
водой полностью насыщено водяным паром. Испарение
прекращается. Если теперь ввести в это пространство
немного водяного пара, то его молекулы начнут соеди-
няться в капли воды.
Вспомните белое облачко над кипящим чайником,—
по существу, его уже нельзя назвать водяным паром.
Это не пар, а скопление огромного количества очень мел-
ких капелек воды.
Водяной пар, насыщающий воздушное пространство,
называется насыщающим паром. Его количество зависит
от температуры, оно тем больше, чем выше температура
воздуха. При — 30 градусах для насыщения одного ку-
бического метра воздушного пространства достаточно
всего одного грамма водяного пара, а при +30 градусах
нужно уже 30 граммов.
Если при —5 градусах в одном кубическом метре
воздуха вместо трех граммов водяного пара окажется
пять граммов, то излишек водяного пара превратится
в жидкость. Такое явление наблюдается и при пониже-
нии температуры воздуха; при этом может образовать-
ся излишек водяного пара, который будет превращаться
в капли воды.
Конденсация водяного пара в воздухе может, одна-
ко, начаться только при одном важном условии: в воз-
духе должны находиться ядра конденсации, о кото-
рых мы говорили выше; на них оседает водяной пар.
Без этого конденсации не произойдет даже при боль-
шом излишке пара или при сильном охлаждении
воздуха.
Итак, в результате конденсации водяного пара в воз-
духе появляются мельчайшие капельки воды. Если кон-
денсация происходит вблизи земной поверхности, то
образуется туман. Если же конденсация происходит на
значительной высоте, то образуются облака.
Размеры капелек, из которых состоят туманы и об-
лака, очень малы, их диаметр не превышает 0,01 милли-
метра. Такие капельки легко держатся в воздухе даже
слабыми восходящими воздушными потоками и не осе-
дают на землю.
4*
27
Следует отметить, что, достигая высоты, где темпе-
ратура воздуха ниже 0 градусов, облачные капельки
замерзают не сразу, а могут длительное время находить-
ся в переохлажденном состоянии, т. е. оставаться жидки-
ми при температуре ниже точки замерзания. Установ-
лено, что вода в природе может находиться в жидком
состоянии даже при весьма низких температурах — до
—30, —40 градусов. Однако это состояние воды сохра-
няется только до первого сильного толчка или до введе-
ния в нее кристалла льда. При этом переохлажденные
Рис. 8. Различные формы снежинок.
капли воды немедленно кристаллизуются, превращаясь
в лед.
При отрицательных температурах водяной пар, нахо-
дящийся в воздухе, может превращаться не в капельки
воды, а в ледяные кристаллы. Сросшиеся кристаллики
льда образуют различные формы снежинок (рис. 8), а
снежинки слипаются в хлопья снега.
Нетрудно заметить, что все снежинки, несмотря на
их разнообразие, построены по типу шестигранников.
Все снежные звездочки обязательно шестилучевые.
В ясные ночи, когда земная поверхность сильно ох-
лаждается за счет излучения тепла, охлаждается и са-
мый нижний, прилегающий к земле, слой воздуха. Во-
дяной пар, находящийся в этом слое, конденсируется.
Возникают низкие приземные туманы, которые называ-
28
ются радиационными*). Они образуются чаще всего
в местах, где скапливается ночью холодный воздух,
в том числе над болотами, небольшими прудами, руслами
речек. Высота радиационных туманов невелика — не бо-
лее нескольких десятков метров. Возникают эти туманы
обычно перед восходом Солнца, при спокойном воздухе.
После восхода, когда земная поверхность нагревается,
они довольно быстро рассеиваются.
Другой вид туманов возникает, когда на охлажден-
ный участок земной поверхности натекает теплый влаж-
ный воздух. При этом нижние слои теплого воздуха ох-
лаждаются при соприкосновении с холодной земной
поверхностью, и водяной пар в них начинает конденсиро-
ваться. Такие туманы, носящие название адвективных,
могут занимать большие площади и держаться при зна-
чительном ветре. Высота этих туманов может достигать
нескольких сотен метров.
Каждый знает, как разнообразны бывают облака.
Нередко они создают на небе причудливые картины.
Но несмотря на все разнообразие и крайнюю изменчи-
вость форм облаков, их делят всего на несколько видов,
в зависимости от их внешней формы и высоты.
По внешнему виду облака делятся на три класса:
кучевообразные (кучевые, мощные кучевые и кучево-
дождевые), слоистообразные и волнистые, а по высоте —
на четыре класса: облака верхнего яруса (выше 6 ки-
лометров), среднего яруса (от 2 до 6 километров), ниж-
него яруса (ниже 2 километров) и мощные облака вер-
тикального развития, которые распространяются по
высоте на несколько ярусов (иногда от 1 до 8 кило-
метров).
Воздух в атмосфере находится в постоянном движе-
нии; воздушные потоки, по-разному насыщенные водя-
ным паром, поднимаются вверх, опускаются вниз, пере-
мещаются по горизонтали.
Над наиболее нагретыми участками земной поверх-
ности температура воздуха повышается, более теплая
его часть становится легче и, как бы всплывая, подни-
мается вверх. Возникает восходящий поток. На место
поднимающегося теплого воздуха притекает более тяже-
лый холодный воздух. Соприкасаясь с нагретой земной
*) «Радиация» означает излучение.
29
поверхностью, он также нагревается и поднимается
вверх. Попадая вверху в менее плотные слои, нагретый
воздух расширяется и в связи с этим снова охлаждает-
ся. Это охлаждение объясняется расходом тепла на ра-
боту, затрачиваемую на расширение воздуха. В резуль-
тате на некоторой высоте количество водяного пара
Рис. 9. Кучевые облака.
в воздухе окажется больше предела насыщения, и водя-
ной пар сконденсируется в мелкие водяные капельки.
Возникает облако.
Нагревающийся различно в зависимости от характе-
ра земной поверхности воздух поднимается не сразу на
большой площади. Поэтому и облака образуются не
сплошь, а отдельными кучками в виде белых скоплений,
похожих н'а вату или хлопок. Эти облака так и называ-
ются кучевыми (рис. 9). Образуются они обычно в теп-
лое время года днем, ближе к полудню или после полу-
дня, в часы наиболее сильного нагревания земной
поверхности. В это время восходящие потоки воздуха
достигают наибольшей интенсивности.
Кучевые облака образуются в среднем на высоте
800—1000 метров и распространяются вверх до двух ки-
за
лометров. Если нагревание земной поверхности усили-
вается, то кучевые облака могут разрастись и распро-
страниться вверх до трех-четырех километров. Возника-
ют мощные кучевые облака (рис. 10).
Вершина мощного кучевого облака может достигнуть
области низких температур, ниже 0 градусов, где пере-
Рис. 10. Мощные кучевые облака.
охлажденные капельки воды начнут замерзать и пре-
вращаться в ледяные кристаллы. В этом случае возни-
кают так называемые кучеводождевые (грозовые) обла-
ка (рис. И); ледяные кристаллы в таком облаке растут,
слипаются в снежинки и под действием силы тяжести
начинают опускаться вниз. Сильные восходящие потоки
воздуха внутри облака снова поднимают снежинки
вверх. Во время этого движения переохлажденные во^
дяные капельки присоединяются к снежинкам. Снежин-
ки увеличиваются, слипаются друг с другом и, наконец,
достигают такого веса, что преодолевают сопротивление
восходящего потока воздуха и падают вниз на землю.
В теплое время года, попадая в более теплый воздух,
31
эти снежинки тают и выпадают в виде капель воды.
В холодное время они выпадают в виде крупного снега
или белых непрозрачных зерен (так называемая крупа).
Из таких облаков выпадают сильные, но короткие
дожди — ливни с крупными каплями или сильный лив*
невый снег с крупными хлопьями.
Рис 11. Кучеводождевое облако.
Летом, особенно в жаркую погоду, бывает и так, что
в облаке образуются не крупинки, а целые куски льда
(рис. 12). При падении они немного оттаивают и дости-
гают поверхности земли в виде града. Наблюдался град
величиной с куриное яйцо и больше. Такой град может
принести большой вред сельскому хозяйству, выбивая
посевы.
Кучевообразные облака могут образовываться в ат-
мосфере и за счет вытеснения вверх более теплого
35
влажного воздуха при вторжении под него более холод-
ного воздуха.
Образование кучеводождевых облаков часто сопро-
вождается грозами. При этом в облаках скапливаются
большие количества положительного и отрицательного
электричества.
Рис. 12. Схема образования града в кучево-
дождевом облаке.
Как это происходит?
Ледяные кристаллики в верхней части облака элек-
тризуются, причем более мелкие получают отрицатель-
ный заряд, а более крупные — положительный. Крупные
кристаллы, опускаясь в нижнюю часть облака, тают и
превращаются в капли воды. Эти капли при движении
внутри облака под сильным действием восходящих и ни-
сходящих потоков разбиваются, при этом более крупные
части разбитых капель получают положительные заря-
1/j 5 М. В. Беляков
33
ды. В результате в грозовом облаке происходит разде-
ление зарядов электричества на отрицательный (в верх-
ней части облака) и положительный (в нижней части).
Образование таких зарядов и приводит к тому, что
между отдельными частями облака или между облака-
ми и земной поверхностью происходят электрические раз-
ряды, наблюдаемые нами в виде молний (рис. 13).
Вскоре после яркой вспышки молнии мы слышим
гром. Это — звуковые колебания воздуха. В том месте,
где проскакивает элек-
трическая искра (в ка-
нале молнии), происхо-
дит сильное нагревание
воздуха, доходящее до
нескольких тысяч гра-
дусов; благодаря это-
му здесь возникает по-
вышенное давление и
ударная волна. Послед-
няя и служит основной
причиной звуковых ко-
лебаний воздуха —
грома.
Исследования воз-
никновения молнии,
проведенные советски-
ми учеными, в частно-
сти И. С. Стекольнико-
вым, показали, что
молния состоит из ря-
да последовательных
разрядов. Сам про-
цесс развития молнии
имеет две стадии. Сна-
Рис. 13. Молния.
чала возникает ведущий, так называемый лидерный,
разряд, а затем главный разряд. Лидерный раз-
ряд идет от облака к земле со скоростью в 100—200 ки-
лометров в секунду. Как только он достигнет земли, по
проложенному им пути в обратном направлении, от
земли к облаку, проходит главный, очень яркий разряд
молнии, распространяющийся с огромной скоростью.
Этот процесс может повторяться до 30—40 раз. Так как
все это происходит в течение очень короткого времени,
34
наш глаз не различает промежутка между разрядами,
и все они сливаются в один разряд в виде молнии.
В природе иногда возникают шаровые молнии. Это —
светящийся шар, диаметром 10—20 сантиметров; дви-
жется он со сравнительно небольшой скоростью. Шаро-
вая молния может проникать внутрь здания через окна,
дымоходы и т. д. Иногда такая молния уходит без вся-
ких последствий, а иногда вызывает пожары и разру-
шения. Встречаясь с препятствиями, шаровая молния
часто взрывается с оглушительным треском.
Вот как описывает газета «Правда» один из случаев
появления шаровой молнии в Армении в июне 1959 г.:
«Вечером 3 июня, когда над Ереваном разразилась
сильная гроза, в квартире П. Атабекяна вдруг раздал-
ся страшный грохот. Пробив черепичную крышу и пото-
лок, на кровать свалилась шаровая молния. Она дости-
гала в поперечнике тридцати сантиметров. Запахло па-
леным: горело одеяло. Лопнули лампочки, вылетели
пробки счетчика и перегорел телевизор, сгорела электро-
проводка и, как впоследствии выяснилось, испортился
телефон. Покружившись по комнате, огненный шар про-
ник через открытую дверь на кухню, а затем вылетел
в окно. Шаровая молния ударилась во дврре о землю и
взорвалась. Сила взрыва была так велика, что стоявший
метрах в пятидесяти глинобитный домик рухнул. К сча-
стью, никто не пострадал».
Природа шаровой молнии еще полностью не выясне-
на. Есть предположение, что такая молния представляет
собой клубок сильно наэлектризованной смеси газов —
азота, кислорода, водорода, озона и окислов азота.
Так как удары молнии могут причинить значитель-
ный ущерб, для защиты от них применяются известные
всем громоотводы (вернее, «молниеотводы»), представ-
ляющие собой вертикальные металлические стержни,
соединенные с надежно заземленным проводником.
Еще один вид кучевообразных облаков — перистоку-
чевые (кучевообразные) облака (рис. 14). Это — облака
верхнего яруса. Они образуются, когда водяной пар кон-
денсируется на высоте более 6 километров. На высоте
около 6 километров и выше царит холод; водяной пар,
конденсируясь, переходит здесь не в капли воды, а в ле-
дяные кристаллы; из них и состоят перистокучевые обла-
ка. Эти облака имеют незначительные размеры.
i/2 5*
35
Рис. 14. Перистокучевые облака.
Рис. 15. Перистые облака.
В верхнем ярусе образуются также перистые обла-
ка— такие облака напоминают по своему виду перья
(рис. 15).
Слоистообразные облака отличаются тем, что обра-
зуют сплошную пелену, закрывающую весь небосвод
или большую часть его. Возникают такие облака, когда
более теплый воздух медленно натекает на массу более
Рис. 16. Перистослоистые облака.
холодного. Такое натекание наблюдается часто в холод-
ное время года. К слоистообразным облакам верхнего
яруса относятся перистослоистые облака (рис. 16) в ви-
де тонкой, почти прозрачной пелены. Эти облака часто
вызывают особые оптические явления в атмосфере —
гало и венцы — светлые круги вокруг Солнца и Луны*).
В среднем ярусе образуются высокослоистые облака
(рис. 17), состоящие из смеси снежинок с мелкими пере-
охлажденными каплями. Снежинки растут и выпадают
из облаков в виде слабого снега. Высокослоистые обла-
*) См. об этих явлениях в брошюре «Научно-популярной библио-
теки» Гостехиздата: Н. Г. Новикова, «Необыкновенные» небес-
ные явления.
37
ка закрывают серой пеленой все небо, но сквозь них
мутным пятном просвечивают Солнце и Луна.
Ниже двух километров возникают также слоисто-
дождевые облака, нижняя половина которых состоит из
капелек воды, а верхняя — из снежинок. Такое разно-
родное внутреннее строение слоистодождевых облаков
приводит к быстрому образованию осадков. В теплое
Рис. 17. Высокослоистые облака.
время года это — обложные дожди, выпадающие на
больших пространствах, а зимой — обложной снег. Эти
облака имеют вид однообразной плотной серой пелены,
сквозь которую не просвечивают ни Солнце, ни Луна.
Волнистые облака представляют собой расстилаю-
щийся слой, на котором видны валы и гряды, придаю-
щие облакам волнистый вид (рис. 18). Одной из основ-
ных причин образования волнистого вида облаков яз-
ляется перемещение друг относительно друга масс воз-
духа с разными плотностями. На поверхности соприко-
сновения этих масс воздуха образуются волны в силу
того же закона, по которому образуются волны на по-
верхности воды при ветре. Этот процесс приводит к тому,
что на гребне волны воздух несколько поднимается и
охлаждается, что вызывает усиление конденсации водя-
38
ного пара и уплотнение облачности. В долине волны, на-
оборот, воздух опускается и несколько нагревается. Это
влечет за собой разрежение или полное рассеивание
облачности. В результате облачность и принимает вол-
нистый вид.
В зависимости от высоты образования волнистые об-
лака делятся на слоистокучевые, образующиеся в слое
Рис. 18. Волнистые облака (слоистокучевые).
до двух километров над землей, высококучевые (рис. 19),
если они образуются в слое между 2 и 6 километрами,
и перистокучевые волнистые, если они образуются выше
6 километров.
К классу волнистых облаков относятся также слои-
стые облака, покрывающие часто большие пространства
ровной серой пеленой. Образуются они в самых нижних
слоях атмосферы — на высотах порядка 100—300 мет-
ров. Эти облака состоят из очень мелких капелек воды.
Иногда они представляют собой поднявшийся туман.
Все виды облаков, о которых мы говорили, образу-
ются в нижнем слое атмосферы, не выше 10—12 кило-
метров в умеренных широтах и 16—18 километров —
39
в экваториальной зоне. На высотах порядка 22—30 кило-
метров иногда образуются очень тонкие просвечивающие
облака, носящие название перламутровых. Нередко они
имеют яркую радужную окраску. Происхождение и
структура их еще до конца не выяснены. Предполагает-
ся, что они состоят из переохлажденных водяных капель
или кристаллов льда.
Рис. 19. Высококучевые облака.
На очень больших высотах наблюдаются так назы-
ваемые серебристые, или светящиеся, облака. Плотность
их настолько мала, что они не ослабляют проходящий
сквозь них свет звезд. Эти облака были открыты рус-
ским астрономом В. К. Цераским.
Поздним вечером, наблюдая небо, Цераский обратил
внимание на необычайные облака. «Отличаясь видом от
прочих,— писал он впоследствии,— они бросались в гла-
за прежде всего своим светом. Облака эти ярко блесте-
ли в ночном небе чистыми белыми серебристыми луча-
ми, иногда с легким голубоватым отливом, принимая
в непосредственной близости от горизонта золотистый
оттенок. Бывали случаи, что от них становилось светло,
40
стены зданий весьма заметно озарялись и неясно види-
мые предметы резко выступали».
Наблюдая эти облака, ученый пришел к выводу, что
они находятся очень высоко. Это предположение впо-
следствии подтвердилось. Вместе с астрономом А. А. Бе-
лопольским Цераский организовал наблюдение за этими
облаками из двух пунктов, находящихся на значитель-
ном расстоянии друг от друга. Определяя углы, под ко-
торыми эти облака были видны, и зная расстояние
между точками наблюдения, они вычислили высоту се-
ребристых облаков. Она оказалась равной 82 километрам.
С земли серебристые облака кажутся почти непо-
движными, но в действительности они передвигаются
с большой скоростью, достигающей часто более 100 мет-
ров в секунду.
Долгое время ученые не могли объяснить причину
появления этих облаков. Высказывались предположе-
ния, что они состоят из вулканической пыли или из про-
дуктов разрушения метеоритов. Однако это предположе-
ние не могло объяснить, почему серебристые облака дер-
жатся на такой большой высоте. Наиболее вероятная
гипотеза происхождения этих облаков была выдвинута
в 1951 году советскими учеными во главе с проф.
И. А. Хвостиковым. По этой гипотезе серебристые обла-
ка— обычные облака, состоящие из ледяных кристалли-
ков. Образуются они в слое атмосферы между 79 и
84 километрами. Температура этого слоя настолько низ-
ка, что в ней конденсируются даже ничтожные количе-
ства водяного пара, попадающие сюда. Ядрами конден-
сации в этом случае могут служить как космическая
пыль, так и частицы морской соли, попадающей туда с
поверхности земли.
Облачность играет большую роль в регулировании
температуры в нижних слоях атмосферы. Облака отра-
жают часть лучистой энергии Солнца, а также рассеи-
вают солнечное излучение. Кроме того, облака, особен-
но сплошные и густые, поглощают значительную часть
излучения земной поверхности и, таким образом, умень-
шают охлаждение ночью. Вот почему в облачную погоду
температура изменяется не так резко, как в ясную.
Сплошные облака, закрывая землю, затрудняют по-
леты на больших высотах. Летя сквозь облака, самолет
может обледенеть. При температуре ниже 0 градусов
41
переохлажденные капельки воды, сталкиваясь с само-
летом, мгновенно кристаллизуются и намерзают на его
поверхности. В мощных кучевых и кучеводождевых об-
лаках восходящие и нисходящие потоки воздуха сильно
«болтают» самолет. Опасны для самолета и грозовые
явления в облаках.
Все это заставляет тщательно изучать строение и
жизнь облаков.
Помимо образования туманов и облаков в атмосфе-
ре, конденсация водяного пара происходит на земной
поверхности в виде росы, инея, изморози, гололеда.
Роса — это довольно крупные капли воды, появляю-
щиеся на стеблях и листьях травы, на лежащих на земле
предметах при сильном охлаждении приземного слоя
воздуха. Водяной пар осаждается сначала в виде мел-
ких капелек, которые затем сливаются в более крупные.
Роса выпадает чаще всего в ясные ночи, при небольшом
ветре. Ветер приносит к охлажденным участкам земли
все новые потоки влажного воздуха.
Смачивая листья, роса играет не малую роль в жиз-
ни растений.
В холодное время года водяной пар превращается
уже не в капельки воды в виде росы, а в мелкие кри-
сталлики льда; образуется иней.
Иногда при сильных туманах и морозах водяной пар
в приземном слое воздуха превращается в ледяные кри-
сталлики, которые, осаждаясь на тонких ветвях и хвое
деревьев, образуют длинные осыпающиеся нити — из-
морозь. Она часто образуется также на телеграфных
столбах и проводах, на стенах домов, на мостовой.
Разбирая процесс образования облаков, мы уже по-
знакомились с тем, как из облаков выпадают осадки.
Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.
Атмосферными осадками или просто осадками назы-
ваются выпадающие из облаков частицы воды в жидком
или твердом состоянии. Чтобы выпасть из облака, кап-
ли воды или кристаллы льда (снежинки) должны до-
стичь такого веса, чтобы скорость их падения была боль-
ше, чем скорость восходящих движений воздуха.
Рост капель в облаках происходит по двум причи-
нам. Одна из них — это осаждение молекул водяного па-
ра на поверхности облачных капель, т. е. продолжение
процесса конденсации водяного пара. Вторая — это
42
слияние отдельных капелек друг с другом при их столк-
новениях (так называемая коагуляция). Мелкие капли
растут вначале очень быстро (за несколько секунд их
диаметр может увеличиться в 2—3 раза), но с увеличе-
нием размера рост их замедляется. Для образования
крупных дождевых капель в облаках требуется уже не-
сколько часов.
Укрупнение капель за счет их столкновений требует
слияния очень большого количества мелких капель.
Учитывая, что диаметр облачных капель обычно не пре-
вышает 0,01 миллиметра, подсчитано, что для образова-
ния крупной дождевой капли диаметром в один мил-»
лиметр требуется не менее миллиона мелких облачных
капель.
В облаках, состоящих из ледяных кристаллов (сне-
жинок), условия для выпадения осадков более благо-
приятны. Ледяные частицы и замерзшие капли растут
в размерах быстрее, чем водяные капли, и при столкно-
вениях превращаются в снежные хлопья с диаметром
в несколько сантиметров. Объясняется это тем, что уп-
ругость водяного пара над льдом меньше, чем над по-
верхностью воды, и рост ледяных кристаллов может
начаться при значительно меньшей влажности воздуха.
Все это приводит к тому, что если облако состоит из
снежинок, то даже при небольших его размерах из него
уже могут выпадать осадки в виде снега.
Особенно же благоприятные условия для выпаде-
ния осадков наблюдаются в смешанных облаках, кото-
рые состоят в верхней части из ледяных кристаллов, а
в нижней — из переохлажденных облачных капель. Как
уже говорилось, упругость водяного пара над поверхно-
стью частичек льда всегда меньше, чем над водой,
поэтому при попадании ледяных кристаллов в среду, со-
стоящую из переохлажденных водяных капель, начинает-
ся переход молекул водяного пара с капель на кристал-
лы. В результате ледяные кристаллы и снежинки, опу-
скаясь вниз, быстро увеличиваются в размерах. Поэтому
из таких облаков, как правило, всегда выпадают осадки.
Осадки измеряются толщиной слоя воды, который
мог бы образоваться, если бы дождь не впитывался
в почву, а оставался на поверхности земли. Эта толщи-
на измеряется в миллиметрах при помощи специального
прибора, называемого дождемером. Количество выпав-
43
шего снега измеряется также в миллиметрах — по тол-
щине слоя воды, который получается, когда весь выпав-
ший снег растает. Интенсивность осадков, т. е. количе-
ство их, выпадающее в единицу времени, измеряется
в миллиметрах в минуту; она может достигать 10 и
более миллиметров в минуту. Это, однако, редкие слу-
чаи, и наблюдаются они преимущественно в жарких
странах.
Вблизи экватора, где влажность воздуха особенно
велика, количество осадков достигает двух метров, а
в отдельных областях даже 3—4 метров в год. Наиболь-
шее количество осадков выпадает на Гавайских остро-
вах ( в Тихом океане) и в Индии (местечко Черрапунд-
жа). В этих местах в среднем за год слой дождевой во-
ды достигает 12, а в отдельные годы даже 15 метров.
Насколько это велико, можно видеть из такого приме-
ра— если в течение года количество выпавших дождей
составляет 12 метров, то это означает, что на каждый
гектар выпадает более 10 000 000 ведер воды. В то же
время на земном шаре есть области, где осадки выпада-
ют очень редко, иногда с перерывами в несколько лет.
Таковы пустыни в Чили и Перу (Южная Америка) и
пустыня Сахара (Африка).
Ливни наибольшей силы бывают в тропиках и в эк-
ваториальной зоне. Так, на Гавайских островах был ли-
вень, когда каждую минуту выпадал 21 миллиметр осад-
ков. В умеренных широтах интенсивность осадков зна-
чительно слабее.
В истории описано много больших, катастрофиче-
ских наводнений, вызванных ливнями.
Кто не знает библейской сказки о «всемирном пото-
пе», от которого будто бы во всем мире спаслись всего
несколько человек. Это, конечно, выдумка. Но оказы-
вается, основанием для этой выдумки послужил дейст-
вительный случай сильнейшего наводнения на больших
реках — Тигре и Евфрате в Месопотамии (территория
современного Ирака). Наводнение произошло около
5600 лет назад. При нем погибло и пострадало очень
много людей. Это наводнение и было позднее описано
в библии, но было сильно искажено, неправдоподобно
преувеличено.
Сильнейшие наводнения от ливней произошли в по-
следние годы в некоторых странах Европы и Америки.
44
Так, в ноябре 1951 года катастрофическое наводнение
было в Северной Италии.
«Уже несколько дней,— писала корреспондент «Прав-
ды» О. Чечеткина,— в Альпах и в провинции Лигурия на
севере Италии идут сильные грозы с проливными дож-
дями. Все реки и речушки, обычно мелководные, сейчас
превратились в бурные потоки и вышли из берегов. Река
По, самая большая из итальянских рек, прорвала в не-
скольких местах плотины и залила прилегающие к ней
равнины, превратив их в огромные водные пространства.
Поток воды с огромной силой несется по равнине, смы-
вая крестьянские дома, сады, виноградники. Вода зали-
ла сотни деревень, хуторов, города Ровиго, Мантуя, Па-
дуя, Комо окружены водой. Разлившаяся По подошла
к самым стенам Феррары. Сотни гектаров недавно за-
сеянных полей полностью находятся под водой.
Наводнение причинило огромные бедствия итальян-
скому народу. В одной только провинции Ровиго от на-
воднения пострадало 25 тысяч семей, что составляет
в общей сложности около двухсот тысяч человек. В боль-
шинстве— это батраки и бедные крестьяне.
Ветхие крестьянские дома не выдерживают напора
воды и рушатся. Сотни семей потеряли все — дом, скот,
имущество. Почти в каждом поселке имеются человече-
ские жертвы; тысячи людей с малолетними детьми и
стариками отрезаны в отдельных домах, вокруг которых
бушует вода. Уже четверо суток сидят они на крышах
без пищи, без теплой одежды, под страхом смерти».
Помощь населению затопленных районов организо-
вали итальянские коммунисты. Они возглавили спаса-
тельные бригады, создали комитеты помощи, пункты по
сбору средств пострадавшим. Большое количество про-
довольствия послал в те дни в Италию Советский Союз.
Очень часты сильные наводнения на американской
реке Миссисипи и ее притоке Миссури. В июле 1951 года
в долине реки Миссури в течение многих дней шли про-
ливные дожди. Уровень воды в Миссури и Миссисипи
поднялся необыкновенно высоко. Во многих местах Мис-
сури разлилась в ширину до восьми километров. Вода
размыла обветшалые плотины и хлынула на города и
поселки. Наводнение охватило территорию трех шта-
тов. В двух больших городах вода затопила все фабри-
ки, заводы, жилые дома.
45
Прошло меньше года, и в США разразилось еще
более катастрофическое наводнение. Оно охватило ог-
ромную территорию. Почти треть территории Соединен-
ных Штатов Америки была покрыта водой. Больше всех
пострадала снова долина реки Миссури, где лишилось
крова более 100 тысяч человек.
«Наводнение 1952 г.,— писала американская газета
«Дейли уоркер»,— является десятым за десять лет... Это
дело рук человека... Те средства, которые правительство
расходует на одну чудовищную атомную бомбу или на
пару гигантских линкоров, можно было бы использовать
для осуществления мероприятий по борьбе с наводне-
ниями, обеспечить район дешевой энергией и спасти лю-
дей от гибели».
Сильные наводнения наблюдались в различных стра-
нах в 1959 году. Так, по сообщению токийского радио,
в северной части самого южного острова Японии — Кю-
сю и в обширном районе Канто (центральная часть
главного острова Хонсю) в июле 1959 года прошли силь-
ные ливни, что вызвало разливы больших и особенно
малых рек.
В японской печати отмечается, что в последние годы
ливни и вызванные ими наводнения стали настоящим
бедствием для населения многих районов страны. По
данным статистики ущерб, причиняемый наводнениями,
ежегодно достигает в среднем 240 миллиардов иен.
«Другими словами,— заявил обозреватель токийского
радио,— 3,1 процента национального дохода уносится
водой».
Девятое в 1959 году наводнение пережила Аргенти-
на. Три дня — с 20 по 22 июля — здесь шли непрерывные
дожди. Много населенных пунктов было залито водой.
Из столицы, Буэнос-Айреса и его пригородов, было эва-
куировано сто тысяч человек, пострадавших от навод-
нения.
ВОЗДУШНЫЕ ТЕЧЕНИЯ
Окружающий нас воздух находится в постоянном
движении. В атмосфере ежедневно, ежечасно возника-
ют и замирают разнообразные воздушные потоки; над
землей постоянно движутся в различных направлениях
воздушные массы; одни из них несут с собой сухость
46
воздуха, другие — влагу, одни — прохладу, другие — вы-
сокую температуру. Когда одна воздушная масса сме-
няет другую, погода меняется.
Как же возникает в атмосфере движение воздуха?
Исследования показали, что основной причиной возник-
новения воздушных течений является неравномерное
распределение давления воздуха. Если на какой-то пло-
щади создается высокое давление, то избыток масс
Рис. 20. Схема возникновения воздушных потоков.
воздуха над ней начинает оттекать к областям с более
низким давлением. Такое движение воздуха и представ-
ляет собой ветер (рис. 20).
Почему давление воздуха различно в разных ме-
стах? Причиной этого является неравномерное распре-
деление температуры воздуха. Оно приводит к тому, что
в атмосфере по соседству оказываются потоки (столбы)
воздуха, нагретые по-разному. В более теплом потоке
(столбе) давление воздуха с высотой уменьшается
медленнее, чем в более холодном. В результате на неко-
торой высоте давление воздуха в более теплом потоке
окажется выше, чем в холодном, что вызовет перемеще-
ние воздуха из теплого потока в холодный. Давление
в столбе холодного воздуха повышается; увеличивается
давление и у его основания. В результате у поверхно-
сти земли начинается движение холодного воздуха в сто-
рону теплого.
47
Мы говорим — дует ветер.
Таким образом, в атмосфере воздушные массы пере-
мещаются от мест с высоким давлением туда, где атмо-
сферное давление ниже. И чем больше разность давлений
воздуха в каких-либо двух соседних областях, тем стре-
мительнее происходит движение воздушных потоков,
тем сильнее дует ветер.
По существу таков же характер циркуляции атмо-
сферы своего земного шара, так как на Земле всегда име-
ются постоянный очаг тепла (экваториальная зона) и
два постоянных очага холода (районы полюсов).
Ветер характеризуется направлением и скоростью
(силой). Направление ветра определяется той частью
горизонта, откуда он дует (например, северный ветер,
юго-западный и т. д.). Скорость ветра измеряют в мет-
рах в секунду. В практике силу ветра определяют так-
же баллами по специальной шкале:
Баллы	Скорость ветра в метрах в секунду	Название ветра	Действие ветра
0	0-0,5	Штиль	Дым поднимается отвесно
1	1-1,5	Тихий	Отклоняется дым из труб
2	2-3	Легкий	Шелестят листья деревьев
3	4-5	Слабый	Колышутся тонкие ветки деревьев
4	6-8	Умеренный	Качаются сучья деревьев; ветер поднимает пыль
5	9—10	Свежий	Качаются тонкие стволы деревьев; шумят верхушки деревьев; на воде появляются волны с ба- рашками
6	11—12	Сильный	Качаются толстые сучья деревьев
7	13—15	Крепкий	Заметно гудят телеграфные прово- да; качаются верхушки деревьев
8	16—18	Очень креп- кий	Ветер ломает тонкие ветки и су- хие сучья деревьев
9	19—21	Шторм	Ветер срывает черепицу с крыш и кирпичи с домовых труб
10	22—25	Сильный шторм	Значительные разрушения; дере- вья вырываются с корнем
11	26—29	Жестокий шторм	Большие разрушения (наблюдает- ся очень редко)
12	30 и более	Ураган	Очень большие разрушения (на- блюдается очень редко)
48
Для измерения скорости ветра и его направления слу-
жат различные приборы. Самый простой из них — всем
известный флюгер.
На высотах скорость и направление ветров опреде-
ляют путем наблюдения за полетом шаров-пилотов —
легких резиновых шаров, наполненных водородом. Под-
нимаясь вверх, такой шар одновременно уносится ветром.
Наблюдая за полетом шара в специальные угломерные
приборы — теодолиты, определяют скорость и направле-
ние перемещения шара-пилота на разных высотах отно-
сительно земли. Это и позволяет определять скорость и
направление ветра в разных слоях воздуха.
В движении находится вся атмосфера Земли — от эк-
ватора до полюсов.
На рисунке 21 мы приводим общую весьма упрощен-
ную схему движения воздушных потоков над землей.
У экватора атмосферное давление понижено. К тропи-
кам и субтропикам оно сильно повышается. Затем в уме-
ренных широтах давление воздуха снова понижается,
а дальше, к полюсам, опять растет. Благодаря этому над
землей существует несколько главных воздушных пото-
ков. При этом на их движение влияет суточное вращение
Земли. В результате этого вращения все движущиеся
тела в нашем, северном, полушарии отклоняются вправо
от своего первоначального направления. В южном полу-
шарии это отклонение происходит влево. Поэтому в эква-
ториальной области северного полушария дуют северо-
восточные ветры, а в южном полушарии — юго-восточные.
Такие постоянные ветры называются пассатами. В уме-
ренных широтах в северном полушарии преобладают
юго-западные и западные ветры, а в южном — северо-
западные и западные. За полярным кругом в северном
полушарии дуют северо-восточные ветры, а в южном —
юго-восточные.
Приведенная схема показывает лишь общий харак-
тер движения главных воздушных потоков над землей.
В действительности распределение ветров по земной по-
верхности значительно сложнее. В атмосфере наблюда-
ются самые разнообразные ветры — постоянные, дующие
неделями в одном направлении с одной скоростью, и не-
постоянные, меняющиеся чуть не каждый час, легкие,
едва заметные, и ураганные ветры, проносящиеся тысячи
километров, и ветры местные.
49
Приведенная выше схема движения воздушных пото<
ков над землей нарушается в первую очередь различным
нагреванием суши и воды. В теплое время года суша на-
гревается сильнее, чем вода, поэтому летом возникают
устойчивые воздушные потоки с океанов на материки.
В холодное время года, когда суша сильно остывает,
массы воздуха направляются с материков на океаны.
Рис. 21. Упрощенная схема общей циркуляции атмосферы.
Такие постоянные ветры носят название муссонов. Мус-
соны влияют на пассаты. В Индии и в Африке сильные
летние муссоны полностью разрушают северо-восточный
пассат. Зимой муссоны здесь совпадают с пассатами и
усиливают их.
В меньшем масштабе подобное явление мы наблю-
даем на берегах морей. Из-за разных температур суши
и воды здесь возникают периодические ветры — бризы.
Днем суша нагревается сильнее воды, воздух над ней на-
чинает подниматься вверх, а на его место притекает бо-
лее холодный воздух со стороны моря. Это — морской
50
бриз. Ночью суша охлаждается быстрее, чем вода, и хо-
лодный воздух над ней течет в сторону более теплой в
это время водной поверхности. Это — береговой бриз.
Постоянство общей циркуляции атмосферы наруша-
ется также возникновением над разными участками зем-
ной поверхности областей пониженного и повышенного
давления воздуха — циклонов и антициклонов*). Поэто-
му практически, в особенности на суше, в любом месте
могут наблюдаться самые различные ветры с некоторым
преобладанием в умеренных широтах северного полуша-
рия западных ветров, а в умеренных широтах южного по-
лушария — восточных ветров.
Скорость ветра у земли может значительно меняться:
бывает и полное безветрие и ветры ураганной скорости
до 50—60 метров в секунду.
А теперь — о ветрах и высоких слоях атмосферы. На-
блюдениями установлено, что с высотой средняя скорость
ветра постепенно увеличивается и в среднцх широтах до-
стигает максимума на высоте 10—11 километров.
За последнее время в результате длительных наблю-
дений над ветром в высоких слоях атмосферы установ-
лено, что примерно на высотах 9—12 километров сущест-
вует так называемое «струйное течение» воздуха. Это
течение имеет поперечные размеры 300—400 километров,
толщину 2—4 километра и вытягивается в длину на де-
сятки тысяч километров, иногда опоясывая весь земной
шар. В основном оно направлено с запада на восток, но
может сильно изгибаться вплоть до поворота на 90 гра-
дусов. Скорость ветра в «сердцевине» струйного течения
составляет, как правило, 60—80 метров в секунду, а ма-
ксимальные скорости могут приближаться к 200 метрам
в секунду (т. е. 720 километров в час).
О скорости и направлении ветра на больших высотах
можно судить по наблюдениям за движением серебри-
стых (светящихся) облаков, а также по движению метео-
ров. Эти наблюдения показывают, что в умеренных ши-
ротах в слое 30—80 километров наблюдаются восточные
ветры, а выше 80—90 километров преобладают западные
ветры. Над экваториальными и тропическими широтами
ветры распределяются несколько иначе. В экваториаль-
♦) Подробнее об этом см. в брошюре «Научно-просветительной
библиотеки» Гостехиздата: М. В. Беляков, Погода и ее пред-
видение.
51
ной зоне от поверхности земли до высоты 125 километ-
ров дуют восточные ветры. В тропической зоне — пасса-
ты, находящиеся у земной поверхности, распространяют-
ся вверх до высоты 2—4 километров; выше их сменяют
ветры противоположного направления — антипассаты.
Затем по мере увеличения высоты антипассаты перехо-
дят в общий западный поток, который с высоты 20 кило-
метров меняется на восточный.
Скорость ветра на высотах 82—85 километров очень
велика, она достигает 100—150 метров в секунду, а выше
100 километров иногда увеличивается до 200—250 метров
в -секунду, т. е. до 720—900 километров в час. Насколько
велика такая скорость, можно судить по тому, что у зем-
ли скорость ветра при самых сильных ураганах состав-
ляет, как уже говорилось, только 50—60 метров в секунду.
Воздушные течения играют большую роль в процес-
сах, совершающихся в атмосфере, и в практической дея-
тельности человека. Массы воздуха, притекающие с океа-
на на сушу, несут запасы влаги и тепла, смягчают кли-
мат. Перемещаясь из теплых мест в холодные, воздушные
потоки повышают температуру воздуха. Холодные север-
ные ветры вызывают сильное понижение температуры.
Ветры, несущие слишком много влаги, несут сильные и
продолжительные дожди. А кому неизвестны бури, воз-
никающие на морях и океанах, смерчи и ураганы, произ-
водящие подчас большие разрушения на суше...
Во многих научно-популярных книгах можно встре-
тить описание тропического урагана 1780 года, который
получил название «великого урагана». Он разразился у
берегов Америки в Атлантическом океане. Ураган про-
несся над Антильскими остро-вами. Особенно сильно по-
страдал один из этих островов — Барбадос. Тысячи лю-
дей на нем погибли под развалинами зданий. Много го-
родов было разрушено ветром до основания, а развалины
домов унесены огромными волнами, поднятыми ветром
в море.
В том году шла война между Англией и Америкой
и в гаванях Антильских островов стояло несколько сотен
военных кораблей. Почти все они затонули.
В результате урагана погибло около сорока тысяч
человек.
В последние годы сильнейшим ураганом был шторм,
пронесшийся в начале 1953 года над Северным морем.
5g
В 1959 году сильные Штормы наблюдались в США,
Так, в феврале на Сент-Луис — столицу штата Миссу^
ри — обрушилась сильная гроза, а после нее над горо-
дом пронесся ураган. Страшной силы ветер сносил верх-
ние этажи жилых домов и зданий, вырывал деревья,
валил телеграфные столбы, сломал высотную башню
телевидения. В ряде районов города возникли пожары.
Особенно сильно пострадал центр города. Общие убытки
определяются в 12 миллиардов долларов.
Жестокие ураганы очень часты у берегов Японии.
Здесь их называют тайфунами. В январе 1954 года про-
несшийся над Японией тайфун разрушил сотни домов,
принес материальный ущерб в несколько миллионов
иен*). Десятки тысяч людей остались без крова.
В сентябре 1959 года над китайским островом Тайвань
пронесся тайфун ураганной силы, охвативший район про-
тяженностью 600 километров. Скорость ветра в центре
тайфуна достигла 70 метров в секунду. Ураган сопровож-
дался сильным ливнем, который вызвал наводнения на
острове. Основные телефонно-телеграфные линии на ост-
рове Тайвань были разрушены. Полностью или частично
было снесено свыше 3300 жилых построек. На восточ-
ном побережье Тайваня тайфун уничтожил несколько
мостов и привел к большим оползням.
Ураганные ветры возникают на фронте встречи раз-
лично нагретых воздушных масс. При этом образуются
мощные вихревые воздушные потоки, движущиеся с боль-
шой скоростью по спирали, поперечник которой состав-
ляет сотни километров.
Тропическим ураганам сопутствуют сильнейшие лив-
ни, так как воздух в этих районах всегда сильно насыщен
водяными парами.
Интересны и во многом еще не ясны явления приро-
ды — смерчи, или торнадо — мощные вихревые движения
воздуха (рис. 22).
Многие из вас, конечно, видали, как летом в жаркие
дни на поверхности земли возникают небольшие пыльные
вихри. При грозах над сушей и над морем иногда обра-
зуются огромные вихри. Скорость вращения воздуха в
них доходит до шестидесяти и более метров в секунду.
Такие вихри-смерчи обладают большой разрушительной
♦) Иена — денежная единица в Японии.
53
силой. Вот, например, что натворил смерч, который про-
шел под Москвой в 1945 году.
2 сентября во второй половине дня около станции
Валентиновка Северной железной дороги в грозовом
Рис. 22. Торнадо приближаете* к городу (США).
облаке на высоте 3—4 километров возник большой смерч.
Опустившись к земле, он пересек железную дорогу у
станции Соколовская и распался дальше в лесу. По рас-
Б4
сказам очевидцев, это был огромный темный столб в дез
сятки метров в диаметре. Он двигался со скоростью при-
мерно 60 километров в час. На своем пути смерч повалил
деревья и телеграфные столбы, разрушил много домов,
поднимал высоко в воздух доски, ветки деревьев, срывал
с крыш железо и т. д.
При прохождении смерча были отмечены резкие коле^
бания атмосферного давления.
В 1957 году наблюдался сильный шквал в Северном
Приуралье. Скорость ветра при этом достигала 20—
25 метров в секунду, а скорость отдельных порывов —
30—40.
Довольно часто морские смерчи наблюдаются у нас
на Черном море.
С ураганами и смерчами связано одно интересное яв-
ление природы — цветные дожди, которые в прошлом
вызывали у многих людей суеверные страхи.
В начале прошлого века в Италии произошел такой
случай (он был описан одним ученым):
«В течение двух суток ветер дул с востока, когда жи-
тели увидели приближающуюся со стороны моря густую
тучу. В два часа пополудни туча закрыла окрестные горы
и начала заслонять Солнце; цвет ее, сначала бледно-ро-
зовый стал огненно-красным. Скоро город был окутан
таким густым мраком, что в четыре часа в домах приш-
лось зажечь лампы. Народ, испуганный темнотою и цве-
том тучи, бросился молиться. Мрак продолжал усили-
ваться, и все небо казалось состоящим из раскаленного
железа. Загремел гром и начали падать крупные капли
красноватой жидкости, которую одни принимали за кровь,
а другие — за расплавленный металл. К ночи воздух
очистился, гром и молнии прекратились, и народ успоко-
ился».
На месте капель остались желто-коричневые пятна.
В них с помощью лупы была обнаружена красноватая
пыль. Исследование ее и позволило разгадать причину
столь необычного дождя. Оказалось, что ураган, пронес-
шийся над пустыней Сахарой, поднял там в воздух боль-
шое количество красноватой пыли — охры и принес ее к
берегам Италии. Смешавшись с каплями дождя, эта
пыль и придала им вид крови.
Известны случаи выпадения и дождей иного цвета —
оранжевых, желтых и других.
S5
Наконец, надо сказать и о том, что ветер обладает
огромной энергией.
Сила ветра издавна использовалась людьми в прак-
тических целях. Первые суда, пересекавшие моря и океа-
ны, ходили под парусами. И сейчас парусные лодки ши-
роко используются рыбаками на всем земном шаре.
Рис. 23. Ветродвигатель мощностью до 6 лошадиных сил (приводит
в движение различные сельскохозяйственные машины).
Ветер вращает крылья ветряных мельниц, ветряных
двигателей. Современные ветродвигатели (рис. 23) ка-
чают воду, приводят в движение различные машины, вы-
рабатывают электрическую энергию*). Ветер — это не-
исчерпаемый источник энергии. Он, несомненно, будет
играть большую роль в практической деятельности людей.
Недаром уже теперь ветер получил название «голубого
угля».
*) Подробнее об энергии ветра и ее использовании см. брошюру
«Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: А. В. Карми-
ш и н, Ветер и его использование.
56
ЧЕТЫРЕ ЯРУСА АТМОСФЕРЫ
В настоящее время атмосферу принято делить по вы-
соте на четыре слоя: тропосферу, стратосферу, мезо-
сферу и термосферу.
Тропосфера — ближайший к поверхности земли
слой атмосферы. Толщина этого слоя не одинакова: над
экватором она доходит до 16—18 километров, а над полю-
сами 7—9. В тропосфере сосредоточено примерно
0,8 всей массы атмосферы и почти весь имеющийся в ат-
мосфере водяной пар. Воздух в тропосфере постоянно
перемешивается. Температура воздуха в этом слое пони-
жается с высотой. В тропосфере происходит конденсация
водяных паров. Здесь образуются туманы и облака, дож-
ди и снегопады, грозы и метели, бури и ураганы, т. е. все
те явления, которые определяют погоду. Естествен-
но, 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 атмосфе-
ры — стратосфера; она простирается примерно до вы-
соты 40 километров.
В стратосфере температура почти постоянна по высо-
те 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 тропо-
сфере. Лишь изредка там образуются упомянутые выше
перламутровые и серебристые облака.
Стратосфера отделена от тропосферы переходным
слоем толщиной 1—3 километра; его называют тропо-
паузой. Высота тропопаузы не постоянна и колеблется
в некоторых пределах по временам года. Летом тропо-
пауза расположена выше, чем зимой.
С развитием реактивной авиации изучение стратосфе-
ры приобрело большое практическое значение. Полеты в
стратосфере имеют много преимуществ. Малая плот-
ность воздуха позволяет значительно увеличивать ско-
рость и дальность полетов самолетов. В стратосфере
всегда безоблачно и ясно.
57
Выше стратосферы лежит мезосфера, в которой
температура сначала возрастает с высотой до уровня
50—60 километров, а затем убывает.
Выше 80 километров расположена термосфера, тем-
пература 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 тем-
пературы 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 воз-
духа, на больших высотах находятся на большом рас-
стоянии друг от друга. И хотя эти молекулы движутся
очень быстро, любое тело, попавшее в такую сильно раз-
реженную среду, не будет нагреваться при соприкоснове-
нии с окружающим воздухом, так как число частиц га-
зов, ударяющихся об это тело и передающих ему свою
энергию, слишком мало. Нагреваться тело в таких усло-
виях будет лишь непосредственно от солнечных лучей.
Нагревание тела, находящегося в разреженной атмо-
сфере, за счет поглощения им солнечного излучения, мо-
жет 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 воз-
духа 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 нагре-
валась значительно меньше. При вращении кабины на-
грев ее оставался постоянным на уровне 15 градусов
тепла.
Известен случай, когда при полете стратостата швей-
царского 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 температу-
ра внутри нее поднялась до 38 градусов тепла.
Состав воздуха в термосфере также несколько отли-
чается от приземного. В результате воздействия ультра-
58
фиолетового излучения Солнца в термосфере молекулы
азота и кислорода распадаются на атомы (диссоцииру-
ют), появляются так называемые атомарные кислород
и азот.
Кроме того, в термосфере, под действием разнообраз-
ных видов излучения Солнца и звезд, происходит иони-
зация.
Вспомним строение атомов.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и
движущихся вокруг него отрицательно заряженных элек-
тронов. В обычном, нормальном состоянии атома поло-
жительный заряд его ядра и отрицательный заряд элек-
тронов равны между собой и атом электрически ней-
трален.
Но некоторые электроны в атоме непрочно связаны
с ядром и поэтому в определенных условиях атомы и мо-
лекулы могут терять один или несколько электронов.
В этом случае они превращаются в положительно заря-
женные частицы, а отделившийся электрон может при-
соединиться к какому-нибудь другому нейтральному
атому (молекуле) и образовать отрицательно заряжен-
ную частицу.
Такие положительно и отрицательно заряженные
частицы, атомы и молекулы, называют ионами, а процесс
образования ионов называется ионизацией.
В результате ионизации в термосфере образуется не-
сколько 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 ла-
тинского алфавита. Вначале были обнаружены два слоя:
слой Е, расположенный на высоте около 100 километров,
и слой F, который находится на высоте около 200 кило-
метров. Позднее было установлено, что слой F при неко-
торых условиях в свою очередь делится на два слоя: Fi—
на высоте около 180—200 километров и F2—на высоте
230—250 километров. Кроме того, ниже, в пределах стра-
тосферы, на высоте 50—65 километров в дневные часы
суток иногда возникает еще один слой — слой D. Послед-
ний не столько отражает радиоволны, сколько их
поглощает.
Все эти слои, конечно, не имеют резко выраженных
границ, они постепенно переходят один в другой.
59
Высоту ионизованных слоев определяли при помощи
радиоволн. Направив вертикально вверх короткий радио-
сигнал, мы можем определить время, через которое он
вернется обратно к земной поверхности после отражения
от ионизованного слоя. Зная, что радиоволны распро-
страняются со скоростью света, т. е. около 300 000 кило-
метров в секунду, можно подсчитать высоту слоя, от ко-
торого 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, от-
ражаются от них и возвращаются к земле. Благодаря
многократному отражению от ионизованных слоев и зем-
ной поверхности радиоволны пробегают огромные рас-
стояния 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. Оказа-
лось, что спектр свечения ночного неба во многом сходен
со спектром полярных сияний.
О строении высоких слоев атмосферы мы узнаем так-
же из наблюдений за метеорами. В атмосферу Земли
постояннно влетают твердые частицы из межпланетного
пространства. Как правило, они очень малы. Влетая в
земную атмосферу с огромной скоростью, частицы стал-
киваются с молекулами воздуха, сильно разогреваются
и начинают ярко светиться. Большинство частиц пол-
ностью «сгорает», распыляется в воздухе; лишь в отдель-
ных, 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 рас-
каленных газов и пыли. Этот след сохраняется некоторое
время и перемещается вместе с воздушным потоком. На-
блюдая за ним, можно судить о скорости и направлении
ветра на той высоте, где появился след метеора. Чаще
60
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 по-
мощи радиолокационных*) станций. Метеорные частицы
и их следы отражают очень короткие электромагнитные
волны порядка 30 сантиметров и менее. С помощью осо-
бого электромагнитного прибора конструкции проф. Ка-
лашникова можно заметить появление самого маленько-
го 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 сфе-
рой рассеяния. В этом слое газы настолько разре-
жены, что их частицы находятся на больших расстоя-
ниях друг от друга. Скорости движения газовых молекул
в сфере рассеяния так велики, что молекулы начинают
преодолевать земное притяжение и улетают в меж-
планетное пространство.
Таким образом, из сферы рассеяния хотя и медлен-
но, но непрерывно идет утечка газов в мировое простран-
ство. Больше всего рассеиваются частицы легких газов—
водорода, гелия, неона. Верхнюю границу сферы рас-
сеяния установить трудно, так как она постепенно пере-
ходит в межпланетное пространство.
Если говорить о распределении массы атмосферного
воздуха по высоте применительно к указанным четырем
слоям атмосферы, то оказывается, что около 4/s всей
массы атмосферы находится в тропосфере и около Vs —
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 атмо-
сферы совершенно изолированы друг от друга, что они
существуют самостоятельно. Приведенное выше деление
атмосферы на несколько слоев в достаточной степени
условно.
♦) Подробно о радиолокации см. брошюру «Научно-популярной
библиотеки» Гостехиздата: Ф. И. Честнов, Радиолокация.
61
Мы уже говорили о том, что основную роль в раз-
витии 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 инструмен-
тальных наблюдений над состоянием высоких слоев
атмосферы. Сейчас этот пробел успешно заполняется
наблюдениями при помощи ракет и искусственных спут-
ников Земли. Однако и с помощью обычных, ранее при-
менявшихся наблюдений наукой установлены некоторые
особенности атмосферных процессов в связи с солнеч-
ной активностью. Такая связь, в частности, обнаружена
при изучении солнечных пятен. Как известно, максимум
пятен повторяется примерно через каждые 11 лет. Уста-
новлено, что периодичность в изменении количеств сол-
нечных пятен обусловливает и периодичность некоторых
явлений на Земле. Так, при увеличении числа пятен на
Солнце, в тропиках, в зоне Азия — Австралия, наблю-
дается 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 обра-
зование ионизированных слоев в атмосфере Земли. Солн-
це является также источником различных электриче-
ски заряженных частиц — корпускул, выбрасываемых в
межпланетное пространство. Наблюдения показывают,
что приближение этих частиц к Земле вызывает в ее ат-
мосфере целый ряд явлений. Возникают возмущения в
магнитном поле Земли, появляются полярные сияния,
нарушаются нормальные условия отражения радиоволн
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 со-
♦) Под солнечной активностью подразумеваются мощные процес-
сы, происходящие в окружающей Солнце оболочке (солнечные пят-
на, факелы, протуберанцы и т. д.). Подробнее об этом см. в книге:
Э. Р. Му ст ель, Солнце и атмосфера Земли. Гостехиздат, 1957.
62
став озоном. Корпускулярное излучение также прони-
кает 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 ниж-
них слоях атмосферы, все же связан с изменением сол-
нечной активности. Помимо уже приводившихся примеров,
обращает на себя внимание то, что в периоды мак-
симумов- солнечной активности температуры в тропиче-
ских поясах Земли приблизительно на полградуса ниже,
чем в периоды минимумов. Неоднократно обнаружива-
лась 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 ме-
ханизм, обусловливающий связь изменений погоды на
земном шаре с солнечной активностью.
В настоящее время есть предположение, что между
верхними и нижними слоями атмосферы существует до-
статочно интенсивный обмен, в процессе которого энер-
гия, поглощаемая верхними слоями атмосферы, пере-
носится 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, происхо-
дящие 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 ат-
мосферу Земли трудно отделить от межпланетного прост-
ранства. На верхние слои атмосферы, несомненно, дейст-
вуют процессы, происходящие в мировом пространстве.
О ГРАНИЦЕ АТМОСФЕРЫ
Попытки установить верхнюю границу атмосферы шли
разными путями. Так, предполагалось принять за на-
ружную границу атмосферы высоту начала сферы рас-
сеяния, т. е. 800 километров, исходя из того, что именно
в этой сфере начинает происходить переход газовых ча-
стиц атмосферы в межпланетное пространство.
63
Предполагалось также за границу атмосферы при-
нять ту высоту, до которой происходят какие-либо физи-
ческие явления в газах, наблюдаемые с земли. К ним
относятся, в частности, полярные сияния. Специальные
измерения показали, что полярные сияния наблюдаются
на высотах до 1000—1100 километров над поверхностью
земли. Выше этого предела подобные явления уже не
обнаруживаются, поэтому высоту в 1100 километров
можно было считать верхней границей атмосферы.
Однако новые исследования, при помощи ракет и искус-
ственных спутников Земли, привели к выводу, что
верхняя граница атмосферы находится значительно вы-
ше— на высоте порядка 2000—3000 километров.
Интересно отметить также, что наблюдения над све-
чением ночного неба позволили обнаружить, что внеш-
няя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна,
а вытянута с «ночной стороны» Земли наподобие комет-
ного хвоста. Длина этого газового хвоста Земли дости-
гает 100 000 километров, а его свечение свидетельствует
о том, что он состоит из кислорода и азота. Ученые по-
лагают, что причиной возникновения такого газового
хвоста является давление солнечных лучей на частицы
самых верхних слоев атмосферы.
НОВЫЙ ЭТАП В ИССЛЕДОВАНИИ АТМОСФЕРЫ
До последнего времени атмосфера была исследована
более или менее подробно до высоты 100 километ-
ров. Наиболее полные сведения были получены для ниж-
него слоя атмосферы — тропосферы, в которой, как уже
говорилось, происходят все те явления, которые обуслов-
ливают погоду. Однако развитие высотной авиации и
стремление человечества проникнуть в межпланетное
пространство потребовали более тщательного исследо-
вания верхних слоев атмосферы. Этого же требовало изу-
чение распространения радиоволн в верхней атмосфере.
Инструментальные исследования атмосферы на боль-
ших высотах стали возможны при помощи ракет и искус-
ственных спутников Земли. Ведущую роль в этих иссле-
дованиях занимает советская наука.
Особенно большое развитие такие исследования по-
лучили в связи с работами по программе Международ-
ного геофизического года.
64
В соответствии с этой программой в нашей стране
запущено большое количество ракет с метеорологиче-
скими (геофизическими) приборами. Советские ученые
производят исследования атмосферы при помощи ракет
в Арктике, в Европейской части СССР и в Антарктике.
4 октября 1957 года Советский Союз открыл эпоху
завоевания космоса, успешно запустив первый в мире
искусственный спутник Земли. Через месяц, 3 ноября
1957 года, у нас был запущен второй искусственный
спутник Земли. Этот спутник, весом 508,3 килограмма,
имел помимо научной аппаратуры на своем борту под-
опытное животное — собаку «Лайка». Наконец, 15 мая
1958 года советские ученые произвели запуск третьего
искусственного спутника Земли, весом в 1327 килограм-
мов— подлинную летающую научную лабораторию.
Кроме искусственных спутников Земли, в СССР в
1959 году были успешно запущены три мощные ракеты
в сторону Луны. Первая из этих ракет, стартовавшая
2 января 1959 года, вышла из сферы земного притяже-
ния, прошла на расстоянии около 5000 километров от
Луны и превратилась в первую искусственную планету
солнечной системы. Помимо исследования непосредствен-
но межпланетного пространства, эта ракета позволила
получить и ряд дополнительных сведений об атмосфере
Земли.
Вторая ракета, запущенная в СССР в сторону Луны
12 сентября 1959 года, достигла Луны в 0 часов 02 ми-
нуты 24 секунды 14 сентября. Последняя ее ступень
имела вес 1511 килограммов (без топлива). Она несла
на себе контейнер с научной и радиотехнической аппа-
ратурой. Подлинным триумфом советской науки и тех-
ники явилась исключительная точность выведения ра-
кеты на орбиту, необходимую для попадания в Луну!
Вся научная аппаратура и средства радиосвязи во
время полета ракеты действовали безукоризненно. Ра-
бота радиосредств, установленных в контейнере с науч-
ной и измерительной аппаратурой, прекратилась только
в момент встречи с Луной.
Ровно через два года после запуска первого совет-
ского искусственного спутника Земли, 4 октября 1959 го-
да, стартовала третья советская космическая ракета,
на борту которой была установлена автоматическая
межпланетная станция. Эта станция совершила облет
65
Луны и выполнила обширную программу научных на-
блюдений, включая фотографирование невидимой с Земли
стороны Луны.
Основными вопросами исследований атмосферы при
помощи ракет и спутников являются: определение тем-
пературы, давления и химического состава атмосферы на
различных высотах, изучение свойств ионосферы (кон-
центрации ионов и электронов и др.), исследование кос-
мических лучей, изучение коротковолновой ультрафио-
летовой части спектра, изучение микрометеоритов, иссле-
дование земного магнитного поля.
Полеты советских ракет и искусственных спутников
Земли уже дали нам весьма ценные данные о строении
атмосферы и процессах, в ней совершающихся. Пока еще
не все материалы наблюдений обработаны и опублико-
ваны. Но уже то, что опубликовано, заставляет сейчас
пересмотреть многие представления о состоянии атмо-
сферы на больших высотах.
Искусственные спутники Земли позволили достаточно
точно определить величины плотности атмосферы до вы-
соты 600—800 километров. Изучение плотности при этом
шло различными путями. На третьем спутнике, напри-
мер, были впервые установлены специального типа ма-
нометры, с помощью которых была измерена плотность
в области высот 225—500 километров. Были использо-
ваны наблюдения за расплыванием облака паров
натрия, образованного на высоте 430 километров при
полете высотной ракеты. По этим наблюдениям была рас-
считана плотность атмосферы на указанной высоте.
Исследованиями установлено, что плотность атмо-
сферы на больших высотах убывает с высотой значитель-
но медленнее, чем на более низких высотах. Кроме того,
плотность на освещенной стороне Земли существенно
больше, чем на затемненной, ночной, и достигает
наибольшего значения в полуденное время. Оказалось
также, что над полярными районами атмосфера плот-
нее, чем над экваториальными.
По торможению спутников в полете были получены
некоторые данные о температуре верхней атмосферы.
На высотах 228 и 368 километров температура изме-
няется в пределах 800—1500 градусов.
При полете третьего советского искусственного спут-
ника Земли установленные на его поверхности кремни-
66
евые электрические батареи изменяли свою температуру
в пределах от + 16 до +30 градусов.
С помощью специальных физических приборов —
масс-спектрометров, установленных на третьем спутнике,
были получены данные о химическом составе ионосферы
на высотах 226—1000 километров. Эти данные свиде-
тельствуют о том, что от высоты 226 километров до вы-
соты по крайней мере 800 километров основным газом,
ионизованные частицы которого образуют ионосферу,
является атомарный кислород. Что касается атомарного
азота, то оказалось, что его относительное содержание
по отношению к атомарному кислороду меняется от 1
до 10 процентов в зависимости от высоты и географиче-
ской широты; оно изменяется также по времени.
Важные данные были получены и в отношении кон-
центрации заряженных частиц в ионосфере. Установлено,
что на высоте 2000—3000 километров в каждом кубиче-
ском сантиметре пространства содержится по несколько
сотен электронов. Значит, атмосфера Земли прости-
рается до 2000—3000 километров, а не на 1000 километ-
ров, как это предполагалось ранее.
Измерения на ракетах и спутниках позволили обна-
ружить в верхних слоях атмосферы множество заряжен-
ных частиц — протонов и электронов — с самыми
различными скоростями движения. Эта «лавина»
протонов и электронов сильно ионизует верхние слои
атмосферы, что и обусловливает их значительное
нагревание.
Сталкиваясь с атомами и молекулами, быстрые
электроны создают рентгеновские лучи. Это открытие
поставило вопрос о серьезном препятствии на пути чело-
века в межпланетное пространство, так как сильное
рентгеновское излучение способно вызывать лучевую
болезнь. В результате возникает необходимость как
применения специальных мер защиты будущих астро-
навтов от влияния вреднего излучения, так и тщатель-
ного выбора траекторий ракет с астронавтами, с таким
расчетом, чтобы пребывание ракеты внутри особо опас-
ных зон не было длительным.
Рассказанным далеко не исчерпывается все богатство
данных о верхних слоях атмосферы, полученных и по-
лучаемых при помощи ракет и искусственных спутников
Земли.
67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многое мы уже знаем о воздушном океане Земли. Это
дает нам в руки возможность предвидеть многие
процессы, происходящие в атмосфере, успешно пред-
сказывать погоду.
Но наше познание природы бесконечно. И в той
области науки, о которой мы (рассказали в этой неболь-
шой книжке, есть много проблем, ожидающих своего
разрешения. Так, например, очень интересен вопрос о
том, как произошла атмосфера Земли. Пока на этот
вопрос мы уже не можем дать достаточно полного
ответа.
Для нас ясно, что вопрос о происхождении атмосфе-
ры нельзя рассматривать вне связи с другим, более об-
щим и более сложным вопросом — о происхождении
Земли и других планет нашей солнечной системы.
Как известно, в настоящее время о том, как произо-
шла Земля, существуют различные научные предположе-
ния, гипотезы. Одной из них, наиболее разработанной,
является гипотеза акад. О. Ю. Шмидта и других совет-
ских ученых. По этой гипотезе Земля возникла из огром-
ного газово-пылевого облака, вращавшегося некогда
вокруг Солнца.
При этом Земля возникла как холодное тело. Повы-
шение тепературы во внутренних частях Земли началось
позднее, благодаря выделению тепла при распаде вхо-
дящих в состав Земли радиоактивных элементов. В от-
дельных местах земной коры, где скопилось больше
радиоактивных веществ, нагревание может достигать
1000—1300 градусов; горные породы при этом плавятся
и в виде магмы могут выливаться наружу через крате-
ры вулканов.
В соответствии с этой гипотезой происхождение зем-
ной атмосферы объясняется следующим образом. Ча-
стицы, из которых формировалась Земля, несли в себе
значительное количество различных газов: углекислоты,
водорода, метана, аммиака и др., а также воды. Когда
эти частицы сталкивались с растущей Землей, теплота,
возникавшая при соударениях, высвобождала часть
газов. Из этих газов и образовалась первоначальная га-
зовая оболочка Земли. Остававшиеся в частицах газы
68
входили в состав твердой оболочки Земли. В дальней-
шем атмосфера пополнялась за счет выделения газов из
земных недр при вулканических извержениях.
Советский ученый И. М. Забелин следующим образом
излагает вероятную последовательность возникновения
и эволюции атмосферы*). В первичной атмосфере Земли
наверняка содержался углекислый газ и водород, а меж-
ду ними возможна реакция, ведущая к образованию бо-
лотного газа (метана) и водяного пара.
Очевидно, в тот период сложились условия, при ко-
торых эта реакция стала возможна, и на Земле появи-
лась вода. Насыщение первичной атмосферы водяными
парами привела к тому, что после разделения поверхно-
сти на сушу и море на Земле начался круговорот воды.
Можно предположить, что в это время в атмосфере под
влиянием солнечного излучения (его ультрафиолетовой
части) распадались молекулы углекислого газа и воды
и в атмосфере начал накапливаться кислород.
В дальнейшем, с появлением на Земле растительно-
сти, началась переработка углекислого газа в процессе
фотосинтеза, который ведет к выделению свободного
кислорода в атмосферу и поглощению углерода расте-
ниями.
За многие миллионы лет существования Земли на ней
произошли большие изменения. А так как Земля и ат-
мосфера тесно связаны между собой, то понятно,
что должны были происходить изменения и в
атмосфере.
Большую роль в образовании и развитии земной
атмосферы играли и играют живые организмы.
По подсчетам советского ученого акад. В. И. Вер-
надского в течение одного только года вся земная атмо-
сфера несколько раз проходит через организмы живот-
ных при их дыхании и через растения — при их питании.
Значит, состав атмосферы во многом зависит от ее взаи-
модействия с живыми организмами и растениями и дол-
жен меняться с изменениями живой природы на Земле.
Материалистическая наука исходит из того, что в при-
роде нет непознаваемых явлений. В этом нас убеждают
огромные успехи науки наших дней. Поэтому, несомнен-
♦) См. И. М. Забелин, Астрогеография. Государственное из-
дательство географической литературы. Москва, 1958.
но, будет окончательно решен и вопрос о том, как про-
изошла и как развивалась наша атмосфера.
Изучая газовую оболочку, мы все в большей степени
овладеваем богатствами, в ней заключенными. Атмосфе-
ра может служить грандиозным источником некоторых
видов сырья, запасы которого практически неисчер-
паемы. В настоящее время из атмосферы добывают
азот, кислород, аргон, неон и другие газы; все они нахо-
дят важное применение в народном хозяйстве.
Азот воздуха является сырьем для производства
азотной кислоты — основы удобрений, многих взрывча-
тых веществ, красок и т. д. В самых различных областях
применяется кислород; он необходим в металлургии и в
горном деле, в химической промышленности и в машино-
строении, в авиации и в медицине.
Аргон и неон широко используют в светотехнике.
Пока мы еще не можем активно воздействовать на
различные процессы, совершающиеся в атмосфере
Земли. Несомненно, однако, что в будущем человечество
научится управлять погодой, вызывать дождь, рассеи-
вать облака и т. д. Это даст нам в руки огромные воз-
можности для использования могучих сил природы в
своих целях.
Независимо от этого для практической деятельности
человека всегда будет играть очень важную роль возмож-
ность предвидения погоды. А совершенствовать методы
этого предвидения возможно только при углубленном и
систематическом изучении процессов, совершающихся в
атмосфере.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................... 3
Сколько весит воздух .............................. 5
Из чего состоит атмосфера	Земли...................9
Температура воздуха .............................. 16
Вода в атмосфере...................................24
Воздушные течения..................................46
Четыре яруса атмосферы.............................57
О границе атмосферы ....	 63
Новый этап в исследовании	атмосферы................64
Заключение.........................................68
Беляков Михаил Васильевич
Атмосфера
Редактор В. А. Мезенцев
Техн, редактор К. Ф. Брудно
Корректор Е. А. Белицкая
Сдано в набор 18/XI 1959 г. Подписано к
печати 10/Н 1960 г Бумага 84X108732- Физ.
печ. л. 2,25 Условн. печ. л. 3,69.
Уч.-изд. л. 3,72. Тираж 50 000 экз. Т-01025.
Цена книги 1 р. 10 к. Заказ 858.
Государственное издательство
физико-математической литературы.
Москва. В-71. Ленинский проспект, 15.
Полиграфический комбинат
Ярославского совнархоза.
Ярославль, ул. Свободы, 97.
Цена 1 р. 10 к.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Вып. 81. К. П. БЕЛОВ. Что такое магнетизм.
Выл. 82. И. Л. ОРЕСТОВ. Холодный свет.
Вып. 83. А. А. ШТЕРНФЕЛЬД. Межпланетные полеты.
Вып. 84. М. ВАСИЛЬЕВ. Вода работает.
Вып. 85. И. Ф. ДОБРЫНИН. Электроприборы в быту.
Вып. 86. В, П. ЗЕНКОВИЧ. Морское дело.
Вып. 87. А. Ф. ПЛОНСКИЙ. Измерения и меры.
Вып. 88. Л. А. СЕНА. Светящиеся трубки.
Вып. 89. К. Л. БАЕВ и В. >А. ШИШАКОВ. Всемирное
тяготение.
Вып. 90. Д. Э. ГРОДЗЕНСКИИ. Атомная энергия —
медицине.
Вып. 91. А. А. ЖАБРОВ. Почему и как летает самолет.
Вып. 92. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Незримый путеводитель.
Вып. 93. Б. Т. ИВАНОВ и Б. У. БОРЩЕВСКИ Й. Объем-
ные изображения.
Вып. 94. И. А. МЕРКУЛОВ. Тазовая турбина.
Вып. 95. Б. В. ФОМИН. Радиоэлектроника в нашей
жизни.
Вып. 96. К. В. ЧМУТОВ. Сорбция.
Вып. 97. А. С. БЕРНШТЕЙН., Термоэлектричество.
Вып. 98. Г. С. БОБРОВСКИЙ. Водяной пар.
Вып. 99. Б. С. БЕЛИКОВ. Телеграф и телефон.
Вып. 100. А. И. КРАСНОВ. Волчок.
Ф. М. ИВАНОВ. Вакуум.
Б. Н. СУСЛОВ. Тяжелая вода.
А.	В. АЛЕКСАНДРОВ. Счетчики невидимых
частиц и излучений.
О. А. РЕУТОВ. Органический синтез и его
перспективы.
В.	Т. СВИРИДОВ. Радиорелейные линии связи.