Рис. 6. Первый подъем большого шара-зонда ("Аэрофил") во Франции. (Со старинного рисунка.)
Вскоре ученые нашли и теоретическое его объяснение: вследствие равновесия между лучистой энергией, идущей от Солнца, и энергией, излучаемой обратно в пространство от Земли, на некоторой высоте должен образоваться слой постоянной температуры.
В настоящее время вполне установлено, что наша атмосфера состоит из двух областей. Нижняя простирается от поверхности Земли примерно до 10–12 км и носит название "тропосферы". В ней происходят непрерывные подъемы и опускания воздушных масс, образуются облака, дожди, вихри; вообще это неспокойная и неустойчивая зона. В сравнении с размерами Земли слой этот чрезвычайно мал: если изобразить земной шар окружностью диаметром 10 см, то толщина самой линии этой окружности — примерно 0,1 мм — будет отвечать толщине тропосферы. И однако, этот слой играет наиболее значительную роль в земной погоде.
Как показывают наблюдения, в тропосфере температура падает примерно на 0°,5–0°,7 при поднятии на каждые 100 м (летом несколько больше, чем зимой) и у границы тропосферы достигает минус 50–60° Ц. Граница эта у экватора выше, чем над полюсами, и температура у границы там ниже, чем в более высоких широтах. Для средних широт тропосфера кончается на высоте около 10–11 км, и температура на ее границе составляет около минус 55°; наблюдения же над озером Виктория Нианца (в экваториальной Африке) показали, что тропосфера кончается там на высоте около 16 км с предельной температурой около минус 80°.
Рис. 7. Кривые, изображающие изменение температуры с высотой в свободной атмосфере зимой (левая кривая) и летом (правая). Перегиб кривой показывает конец тропосферы и начало стратосферы, которое летом лежит несколько выше, чем зимой.
Выше тропосферы лежит слой, где температура почти не меняется; там, по-видимому, уже нет никаких восходящих или нисходящих движений воздуха, остаются одни горизонтальные перемещения; эта сфера носит название "стратосферы". Она исследована очень мало, и где она кончается, — неизвестно. Самый высокий шар, поднимавшийся до высоты около 36 км, обнаружил до самого конца все ту же температуру, что и при начале стратосферы. Теоретические выводы различных ученых также расходятся в этом вопросе. Одни считают, что с некоторой высоты опять начинается падение температуры и на высоте 80 км она уже ниже — 100°. Другие предполагают, что в верхних слоях начинается возрастание темпера туры, и в результате она доходит до очень высоких значений. Кто прав, пока неизвестно. Неизвестен и состав воздуха на больших высотах, если вообще то, что там имеется, можно назвать "воздухом" в привычном для нас смысле: даже на высоте 40 км он разрежен почти в тысячу раз по сравнению с воздухом близ поверхности Земли.
ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ВОЗДУХ НА ОЧЕНЬ БОЛЬШИХ ВЫСОТАХ?
До высот, доступных человеку, воздух имеет примерно один и тот же состав: 79 частей азота, около 21 части кислорода и незначительные примеси углекислоты, аргона, гелия и водорода. Каждый ив газов ведет себя так, как если бы он был один и составлял свою особую атмосферу. С удалением от Земли уменьшается и давление каждого из газов; причем чем тяжелее газ, тем его давление с высотой падает быстрее, так как его больше остается внизу. Поэтому чем выше, тем меньше воздух должен содержать тяжелых газов — кислорода, азота — и больше легких — водорода и гелия. Сколько именно и на какой высоте, — можно рассчитать по содержанию каждого газа в нижних слоях; но это дело очень тонкое, и для тех газов, которых у Земли весьма мало, малейшая ошибка в определении их количества внизу даст значительную разницу наверху. Поэтому различные метеорологи получили неодинаковые схемы состава воздуха на высоте. Здесь приведена одна из позднейших по времени схем — схема Гемфриса.
ЧТО ГОВОРЯТ ПУШКИ О СТРОЕНИИ АТМОСФЕРЫ?
Оказывается, пушки могут сказать в этом вопросе довольно веское слово. При очень сильной орудийной пальбе (или при взрывах) замечено, что гул от них бывает слышен на некоторое расстояние от места стрельбы, дальше он не слышен, а еще дальше — примерно на 100 км — опять слышен. Отчего получается такая "зона молчания"? Естественно было предположить, что вторичное появление звука вызвано отражением звуковых волн от границы между слоями воздуха различной плотности. Расчет показывает, что такая граница должна лежать на высоте около 70 км. Эта высота примерно отвечает высоте водородной сферы, теоретически вычисленной Гемфрисом.
Любопытно, что на ту же высоту указывают и наблюдения над, светом неба во время сумерек. Если в ясный вечер мы будем внимательно наблюдать небо после захода Солнца, то заметим, что оно темнеет не постепенно, а как бы скачками; происходит словно опускание за горизонт нескольких последовательных светлых дуг. Первая дуга скрывается тогда, когда Солнце опустилось на 8° ниже горизонта. Вычисление показывает, что это соответствует отражению лучей Солнца от слоя, лежащего около 11 км над Землей: это — граница стратосферы. Вторая более слабая дуга исчезает при опускании Солнца на 17° ниже горизонта; высота этого отражающего слоя определяется примерно в 74 км; очевидно, это — предполагаемый слой водорода, о котором свидетельствуют и пушки. Есть еще третья, очень слабая дуга, момент исчезновения которой отвечает еще какому-то слою на высоте около 200 км. После этого сумерки кончаются, наступает ночь. Все это можно видеть и утром, до восхода Солнца, но в обратном порядке.
СЕВЕРНЫЕ СИЯНИЯ И ТАИНСТВЕННАЯ ЗЕЛЕНАЯ ЛИНИЯ
Полярные сияния, эта великолепная небесная иллюминация, о которой у нас еще будет речь ниже, — представляют собою в грандиозном масштабе подобие того свечения, какое мы наблюдаем в Круксовых трубках при прохождении через них электрического тока. В этих трубках воздух чрезвычайно разрешен, примерно так же, как в высоких слоях атмосферы. В последнее время удалось получить фотографии различных видов северных сияний; снимая одно и то же сияние с двух станций, расстояние между которыми известно, норвежский ученый К. Штермер определил их высоту. Оказалось, что сияния разыгрываются на громадных высотах от 90 км до 700 км. Значит, еще и на 700 км есть следы какого-то газа, потому что в пустоте свечения быть не может. Что же это за газ?
В спектре северных сияний открыта особая зеленая линия, которой нет в спектре ни одного из известных на земле элементов. Об ее происхождении физики до сих пор ломают себе голову. Германский метеоролог А. Вегенер высказал догадку, что самые высокие слои атмосферы состоят из очень легкого газа "геокорония" ("гео" — земля), опираясь на то, что подобная же зеленая линия встречается в спектре солнечной короны Норвежец Вегард предположил, что таинственная линия принадлежит кристаллическому азоту, носящемуся в пространстве в крайне распыленном состоянии. Действительно, в лаборатории ему удалось получить кристаллический азот, спектр которого давал похожую зеленую линию. Но обе теории встречают очень серьезные возражения, и вопрос о зеленей линии и вообще о составе воздуха на этих громадных высотах надо пока считать открытым. Самые последние работы заставляют скорее всего предполагать, что зеленая линия принадлежит кислороду, атомы которого переходят в особое состояние под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца.
АТМОСФЕРНАЯ ШИРМА ОТ СОЛНЕЧНЫХ УДАРОВ
Недавно исследованиями французских ученых установлено, что на высоте 35–40 км в атмосфере лежит слой озона, крайне разреженный, но имеющий для обитателей Земли весьма большое значение. Полагают, что этот слой задерживает излучения Солнца, которые вредны и даже могут быть смертельны для живых организмов. Иногда этот слой озона меняет свою плотность. Н которые ученые тот факт, что солнечные удары в жарких местностях иногда особенно учащаются, объясняют такими колебаниями плотности, а следовательно, и проницаемости для излучений Солнца.