Атмосфера Земли уникальна. Благодаря ее нынешнему составу на нашей планете существует жизнь. Случись здесь катастрофа, которая привела бы к быстрому убеганию атмосферы в космос, Земля могла бы вновь стать похожей на Марс, только теперь уже холодный и безжизненный. Жесткое солнечное излучение ультрафиолетового и рентгеновского диапазона выжгло бы живые организмы. Поверхность покрылась бы бесконечными кратерами от постоянной метеорной бомбардировки из межпланетного пространства. Планета потеряла бы жидкую воду. Температура на поверхности опустилась бы на десятки градусов. Одним словом, без тонкого газового слоя, толщина которого на три порядка меньше диаметра планеты, Земля стала бы неприветливым каменистым миром, совершенно непригодным для жизни на поверхности. Рассказываем, как устроена атмосфера нашей планеты, что с ней происходит сегодня и что ждет в будущем.
Режем поперек
Атмосферой принято именовать газовую смесь, обволакивающую поверхность планеты. Нижний слой, содержащий более 80% массы всего воздуха, называют тропосферой. В этом слое находится около 90% всей атмосферной влаги. Между тем водяной пар — самый эффективный парниковый газ. Он намного более значим, нежели углекислый газ или метан. Принято считать, что температура в тропосфере линейно уменьшается с высотой со скоростью 0,65℃ на 100 метров. В этом слое особенно ярко выражен конвективный перенос воздуха, существуют сильные турбулентные вихри, возникают циклоны и антициклоны, образуются облака.
Вертикальный профиль температуры атмосферы Земли. Дизайнер: Хавина Елена, пресс-служба МФТИ
Высота тропосферы зависит от широты: так, в приполярье она доходит до 8–10 км над уровнем моря, в умеренных широтах — до 10–12 км, а ближе к экватору достигает 16–18 км. Верхняя граница этого слоя обуславливается переходом от плотной и непрозрачной для теплового инфракрасного излучения Земли тропосферы к тропопаузе — тонкому слою, начиная с которого атмосфера становится прозрачна для ИК-излучения. Температура воздуха в тропопаузе определяется балансом между падающим на нашу планету потоком теплового излучения Солнца и потоком тепла, испускаемого Землей, и находится в диапазоне от –50℃ до –90℃. В этом слое уже отсутствует конвекция потоков воздуха, обуславливающая сильные турбулентные вихри в тропосфере, именно поэтому гражданские самолеты чаще всего летают на высотах от 10 километров.
Заметное отклонение температуры у поверхности от температуры в тропопаузе обусловлено наличием парникового эффекта. То есть при всех современных страхах человечества, относящихся к усилению парникового эффекта, не будь его, на Земле было бы весьма свежо.
Выше тропопаузы находится наибольшая концентрация озона, присутствие которого в земной атмосфере связано с наличием биогенного кислорода, выделяемого в ходе фотосинтеза растениями. Озон очень эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, что обеспечивает защиту живых организмов от опасного для них жесткого диапазона солнечной радиации. Такое эффективное поглощение приводит также и к разогреву атмосферы на этих высотах. Слой, в котором температура начинает расти и достигает локального максимума около 0℃ на высоте 40 километров, называется стратосферой. На ее долю приходится почти 20% всей массы атмосферы. Примерно до 55 километров температура не меняется. Эту область постоянной температуры называют стратопаузой.
Выше этой отметки температура вновь начинает падать с высотой. Так происходит до уровня 80–90 километров над уровнем моря. В этом слое — мезосфере — происходят сложные фотохимические процессы с участием солнечного излучения. Несмотря на большую протяженность, масса мезосферы не превышает 0,3% всей атмосферы. До высоты 100 километров газовая смесь атмосферы достаточно хорошо перемешана и относительные концентрации газов мало меняются. В более высоких слоях в распределении газов по высоте начинает играть все большую роль их молекулярная масса. Присутствие тяжелых газов становится все менее значимым, в то время как протяженность распространения водорода — сотни и даже тысячи километров над поверхностью Земли.
Следующий слой — термосфера — доходит до высоты около 800 километров, хотя составляет лишь 0,05% всей атмосферной массы. До 200–300 километров температура достаточно быстро растет из-за поглощения молекулами газа высокоэнергетического ультрафиолетового и рентгеновского солнечного излучения. Однако если выключить обогрев на Международной космической станции, высота орбиты которой около 300–400 км, космонавты очень скоро вспомнят долгие зимние вечера без центрального отопления. Дело в том, что атмосфера на этих высотах настолько разрежена, что теплообмена с горячими молекулами и ионами газа практически не происходит. Поэтому тем, кто окажется в очень горячей термосфере Земли, жарко на самом деле точно не будет.
Еще выше расположена экзосфера, определяемая увеличением длины свободного пробега молекул до десятков километров. В этом слое верхней атмосферы горячие и быстрые молекулы могут развивать скорость большую, чем вторая космическая скорость для Земли, а значит, покидать гравитационное поле нашей планеты, отправляясь в космическое пространство. На высотах 2000–3500 километров экзосфера переходит в ближнее космическое пространство.
Помимо разогрева, взаимодействие газа с жестким солнечным излучением приводит к его ионизации. Ионизация азота и кислорода при отсутствии возможности релаксации посредством столкновения с другими молекулами приводит к излучению возбужденных атомов и молекул в красном, зеленом, фиолетовом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра. Это красивейшее явление называют полярным сиянием.
Волнения тропосферы
В тропосфере существуют колебания и волны, которые играют огромную роль в ее поведении. Если в сумерках взглянуть на облачное небо, можно увидеть параллельные борозды облаков — это и есть одно из проявлений атмосферных гравитационных волн. Они имеют ту же природу, что и волны на поверхности воды. Заметное отличие заключается в том, что у воды всегда есть свободная поверхность, на которой и образуются волны, а в случае атмосферы волны формируются внутри среды. Только почему их можно заметить лишь утром или вечером, но невозможно обнаружить в солнечный полдень?
Солнце разогревает поверхность планеты, это приводит к возникновению активной конвекции водяного пара вверх. Пар быстро охлаждается с высотой, конденсируется и образует привычные кучевые облака. Именно природой этого процесса обусловливается их форма. Поскольку нижняя граница облаков определяется переходом пара через точку росы, лежащую на некоторой высоте, после которой пар резко конденсируется, эта граница оказывается довольно плоской. В то же время верхняя поверхность достаточно клубистая, что отражает природу турбулентного вихря, поднимающего пар наверх.
Если рассмотреть геометрию атмосферы, можно легко заметить, что при высоте порядка десятков километров ее горизонтальная протяженность составляет десятки тысяч километров. Такая большая разница между горизонтальным и вертикальным масштабами, а также высокий темп изменения свойств вдоль вертикальной координаты приводят к тому, что атмосферу нельзя описывать как изотропную, то есть равномерную в своем объеме среду. Более того, если рассматривать циркуляцию атмосферы в целом, оказывается, что ее можно описывать как несжимаемую жидкость.
Почему дует ветер?
Казалось бы, все процессы в природе подвержены диссипативному затуханию, и за миллиарды лет своего существования атмосфера должна была уже прийти в состояние равновесия. Однако это не совсем так. Атмосфера Земли сплюснута у полюсов и растянута вблизи экватора, что связано с ее неоднородным прогревом солнечным излучением. То есть равное давление на полюсе будет достигаться сильно ниже по высоте, чем на экваторе, — под действием силы тяжести формируется поток воздуха от тропиков к полюсам. Вблизи поверхности планеты будет формироваться противоток воздушных масс.
Глобальная циркуляция атмосферы. Дизайнер: Хавина Елена, пресс-служба МФТИ
Оказавшись вблизи полюса и спустившись на небольшую высоту над поверхностью, частицы воздуха, сохраняя свой импульс, начинают обгонять вращение планеты, линейная скорость которого в приполярье сильно меньше, чем в тропических широтах. Таким образом формируется струйное течение вдоль широты. При движении частицы к экватору линейная скорость вращения поверхности увеличивается, и частица начинает отставать от вращения планеты — возникает постоянный ветер, который в северном полушарии дует с северо-востока, в южном — с юго-восточного направления. Такой постоянный ветер называют пассатом.
В средних широтах циркуляция атмосферы происходит иначе. Здесь работает удивительный в своей противоречивости механизм движения воздушных масс. Кажется разумным, чтобы из области с высоким давлением поток воздуха перемещался в область с низким давлением. Однако природа циклонов и антициклонов, распространенных в умеренных широтах, эту логику разрушает. Здесь ветер образует концентрические поверхности вокруг центров областей высокого и низкого давления. Эта странность связана также с природой атмосферных гравитационных волн, связанных с быстрым вращением планеты вокруг своей оси.
В центре циклона находится область низкого давления, вихрь воздушных масс вращается в ту же сторону, что и планета. В циклоне восходящий поток воздуха, который обусловливает низкое давление в его центре, приводит к охлаждению и конденсации водяного пара, поэтому он всегда приносит с собой облачность и осадки. Внутри антициклона, напротив, воздух движется вниз, нагреваясь. Та влага, что находится в этом потоке, испаряется. Поэтому в случае антициклона погода всегда ясная, а ветер дует в сторону, противоположную направлению вращения планеты.
Климат идет вразнос?
В течение последних 30 лет большие усилия ученых оказались направлены на то, чтобы понять, что происходит с климатом. Было обнаружено, что за прошедшее столетие средняя годовая температура на планете выросла на 0,74℃. В связи с этим ускоряется таяние приполярных ледников и повышается уровень Мирового океана. Последние десять лет очень активно развивалось моделирование процессов, протекающих в атмосфере Земли, поведения климата, — изменение среднегодовой температуры в этих моделях достаточно точно совпадает с реально наблюдаемым трендом. Это позволяет строить прогнозы относительно дальнейшего изменения климата в обозримом будущем.
В отличие от океана, атмосфера довольно плохо помнит свои предыдущие тепловые состояния, поскольку тепловая инертность атмосферы много меньше. Поэтому точный прогноз погоды невозможен на длительный срок вперед. Математические уравнения, описывающие поведение атмосферы, перестают корректно работать на интервалах времени, больших, чем одна-две недели. Так что не стоит сильно полагаться на долгосрочный прогноз погоды: скорее всего в нем будут использованы усредненные показания нужного периода за последние несколько лет, которые никак не могут предсказать какие-либо неожиданные отклонения.
Поскольку океан греется, в нем возникают долгоживущие аномалии температуры поверхности, которые в свою очередь влияют на атмосферу. Это может приводить к перестройке атмосферной циркуляции, изменению направления движения и возникновению новых циклонов. Так, взаимодействие тепловых аномалий поверхности Атлантического океана с атмосферой привело к тому, что традиционно континентальный климат в Северной Европе меняется: зимы с каждым десятилетием становятся теплее.
Прогноз экстремальных температур в Европе
Все чаще случаются длительные непривычно жаркие периоды летом, все чаще мы слышим штормовые предупреждения весной. Все чаще можно услышать гипотезы о том, что в ближайшие полвека Южная Европа и Северная Африка из плодородных регионов превратятся в высушенные пустыни, в то время как российский север станет пригодным для земледелия. Как бы то ни было, человеку стоит уделять вдесятеро большее внимание изучению атмосферы и идущим климатическим изменениям, чтобы возможное новое Великое переселение народов не оказалось для всех полной неожиданностью.
