Третья ВЫСОКИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ

Что делается в высоких слоях атмосферы?

Как же далеко простирается нагревание от земной поверхности? И каких температур надо ожидать в верхних слоях атмосферы?

Вопрос этот, естественно, давно интересовал ученых, и первым шагом к его разрешению были измерения температуры при полетах на воздушных шарах. Наибольшая высота на воздушном шаре была достигнута в июле 1901 г. метеорологами Берсоном и Зюрингом: 10 800 м, где они отметили температуру около минус 40°. В 1931 и 1932 г. этот рекорд был значительно превышен проф. Пикаром, а в 1933 году полетом советского стратостата «СССР» и в 1934 — стратостата «Осоавиахим I». Эти полеты описаны дальше.

Подъем на воздушном шаре, однако, дело сложное, и поскольку человек стремится всюду, где можно, заменить себя машиной, так и здесь возникла мысль отправить в неведомые высоты прибор, который сам записал бы температуру воздуха.

Мысль о таких подъемах была высказана еще Ломоносовым в 1754 г.: он построил «маленькую машинку, которая бы вверх поднимала термометры и другие малые инструменты метеорологические».

И в протоколе заседания Академии Наук от 1 июля этого года говорится: «Ломоносов показывал изобретенную машину, которую он называет аэродромическою. В этой машине при помощи крыльев, приводимых в движение часовой пружиной, нагнетается воздух, и машина поднимается вверх, чтоб при помощи присоединенных к ней метеорологических приборов можно было исследовать состояние верхнего воздуха».

Однако, о дальнейшей судьбе этой машины и о полученных с ее помощью результатах до нас ничего не дошло.

Практическое осуществление научных подъемов на шарах, о которых дальше будет сказано подробнее, принадлежит французам — Эрмиту и Безансону (1893), но систематические исследования этим путем были произведены лишь в 1899—1902 гг. французом Тейссеренде-Бором и немцем Ассманом. Их по справедливости и можно назвать «отцами аэрологии» — науки о верхних слоях атмосферы. Они применяли небольшие шары из бумаги или материи, наполнявшейся водородом; привязанный к ним легкий прибор записывал во все время полета температуру и давление воздуха, а затем, когда шар лопался, спускался на особом парашюте. Впоследствии стали делать шары из резины, что гораздо удобнее.

Ряд подобных подъемов в различных странах обнаружил неожиданный факт: оказалось, что температура падает лишь до высоты 10—12 км, где достигает примерно минус 55°, а дальше, сколько ни поднимались (в отдельных случаях шары достигали высоты 36 км), температура остается почти постоянной или даже слегка повышается.

Рис. 6. Первый подъем большого шара-зонда («Аэрофил») во Франции.

(со старинного рисунка) Это показалось вначале настолько удивительным, что метеорологи склонны были приписать такой результат ошибкам приборов; но так как все подъемы, когда бы и где бы их ни делали, давали примерно все тот же результат, пришлось признать его реальным. Это явление получило название «верхней инверсии» (обращения) температуры: вместо падения — повышение. 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.

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

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°.

Выше тропосферы лежит слой, где температура почти не меняется; там, повидимому, 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.