Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Уже 600 миллионов лет назад атмосфера имела в основном такой же массовый состав, как и сейчас: 75 % составлял азот, 23 % – кислород, 1 % – водяной пар и 1,3 % – аргон. Есть примеси (менее 0,1 %) углекислого газа, неона, гелия и многих других газов – от озона и радона до водорода и веселящего газа.

Снизу вверх

Внизу атмосфера состоит из ряда слоев: ближайший к поверхности Земли называется тропосферой, за ним следует стратосфера. Эти слои играют ключевую роль в формировании погоды и климата, и они же оказывают самое большое влияние непосредственно на жизнь на планете.

Атмосфера получает тепло в основном от Солнца – в виде электромагнитного излучения. (Количество геотермальной энергии за счет радиоактивного излучения пород настолько мало, что им можно пренебречь.) Основная часть солнечной энергии испускается в видимой части спектра на длинах волн от 0,4 до 0,7 микрометра (мкм). Это излучение не поглощаясь проходит через атмосферу и нагревает поверхность Земли.

Рис. 6.1. Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, которые имеют разные температуры.

Около 7 % энергии Солнца излучается на длинах волн более коротких, чем у видимого света, – в ультрафиолете. Это излучение поглощается молекулами кислорода и озона в стратосфере и непосредственно нагревает этот слой. Небольшое количество солнечной энергии излучается в инфракрасном диапазоне; длины волн инфракрасного излучения больше, чем у видимого света. Часть этого излучения поглощается в атмосфере, но его роль в нагревании воздуха незначительна.

Температура атмосферы повышается в основном за счет энергии, приходящей с поверхности Земли, которая нагревается солнечным излучением. Частично нагрев атмосферы происходит благодаря прямому оттоку тепла от поверхности, но основную роль все же играет инфракрасное излучение планеты, поглощающееся молекулами водяного пара и углекислого газа в нижней части атмосферы.

Это инфракрасное излучение нагревает воздух, который затем тоже излучает тепло, также на инфракрасных длинах волн. Часть этого излучения возвращается к поверхности Земли, сообщая ей дополнительное тепло – возникает парниковый эффект (см. главу 10). Остальное излучение уходит в верхние части атмосферы, поглощается и переизлучается там несколько раз, пока не рассеивается в космосе.

Подъем нагретого воздуха в теплой тропосфере является ключевым фактором, влияющим на нашу погоду и общую циркуляцию в атмосфере. Но этот теплый воздух может подниматься только до определенной высоты, на которой он начинает сдерживаться еще более теплым воздухом в стратосфере.

В стратосфере, в которой располагается озоновый слой, происходит поглощение ультрафиолетового излучения. Под действием этого излучения обычные молекулы кислорода (O₂) расщепляются и часть освобожденных атомов кислорода вступает в реакцию с другими молекулами кислорода, в результате чего образуется озон (O₃). Озон также поглощает ультрафиолетовое излучение, но на других длинах волн. Оба процесса идут с поглощением энергии солнечного излучения и нагревают таким образом стратосферу.

Стратосферу можно рассматривать как крышу для тропосферы, благодаря которой происходят сдерживание конвекции и формирование области, ответственной за погоду. Средняя температура на поверхности планеты составляет около 15 °C, что примерно на 33 °C выше, чем было бы в отсутствие на Земле воздушного «одеяла» и парникового эффекта, сохраняющих тепло. С увеличением высоты в тропосфере температура сначала падает, но на высоте 20 километров – на границе между тропосферой и стратосферой – падение температуры останавливается. Эта граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. Высота ее разная на разных широтах и меняется в зависимости от сезона и времени суток. Тропосфера содержит около 75 % массы всей атмосферы Земли.