Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Атмосфера Земли: строение, оптика и современные исследования

Атмосфера Земли: строение, оптика и современные исследования

Стенограмма выступления.
Лекцию читал Олег Угольников, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Института космических исследований РАН

Добрый день! Я хочу представить лекцию на тему «Атмосфера Земли. Строение и оптика». Вопрос атмосферы Земли интересен всем. Он интересен обычным людям, потому что мы живём в атмосфере, мы ею дышим и мы всецело зависим от того, что в атмосфере происходит. Он интересен, конечно же, и учёным. И учёным не только в области непосредственно геофизики и физики Земли, но и астрономам тоже. Потому что, несмотря на то, что у нас началась активная эпоха астрономических исследований космоса, всё равно крупнейшие телескопы находятся на поверхности Земли. Раз так, то все свойства излучения далёких небесных объектов, которые мы регистрируем в телескопы, на них атмосфера, так или иначе, влияет, искажает эти свойства. И для того, чтобы получить правильную информацию, собственно, самих небесных объектов, нужно знать о том, что с их излучением делает атмосфера. Не только знать, но и, по возможности, исправлять, учиться исправлять даже в реальном времени. Вот в настоящее время все новейшие крупные телескопы оснащаются системами активно адаптированной оптики, которая позволяет значительное количество атмосферных помех исправлять непосредственно во время наблюдений. Атмосферами обладают все планеты Солнечной системы, кроме Меркурия. Но атмосфера планеты Земля существенно отличается от атмосфер всех остальных планет. Отличается гораздо больше, чем различия между другими атмосферами. И связано это, прежде всего, с тем, что наша планета обитаема. И необходимость поддержания жизни накладывает на атмосферу очень большие требования, которым она должна соответствовать для того, чтобы мы с вами могли жить, могли встречаться, могли видеться в этом зале.

Химические свойства очень сложны и они зависят и от высоты, и от сезона, и т.д. Но комбинация различных составляющих атмосферных, в том числе и ядовитых, то есть тех, которыми непосредственно дышать нельзя, но они всё равно в атмосфере есть на разных высотах, так вот эта комбинация оптимальна для того, чтобы на поверхности Земли или недалеко от поверхности Земли могла существовать жизнь. Тут, конечно, можно спорить, что первично, что вторично. То есть мы с вами живём, потому что атмосфера такая хорошая или, наоборот, атмосфера такая хорошая, потому что мы с вами живём, но факт есть факт. Это свойство, действительно, удивительное и только несколько характерных примеров того, насколько в атмосфере всё хорошо подогнано для нас с вами, дальше в этой лекции будут встречаться. И, главное, атмосфера ещё обладает химической и динамической стабильностью. То есть если взять её в том состоянии, в котором она была из этого состояния её слегка вывести, например, изменить содержание какого-то газа, изменить температуру и т.д., то через какое-то время атмосфера вновь вернётся в нужное, оптимальное для нас, состояние. Здесь, конечно, нужно оговориться о том, что речь идёт о небольшом импульсе, о небольшом движении атмосферы из такого состояния. И, к сожалению, сейчас человек уже забывает о слове «небольшом» и происходят те процессы в атмосфере, на которые она среагировать не успевает, и поэтому идут вековые изменения различных атмосферных параметров.

Вот самое характерное свойство атмосферы. Её оптическая прозрачность. Известно, что свет – это лишь небольшая часть электромагнитного спектра, есть и другие типы излучения: инфракрасное, ультрафиолетовое, радио, и т.д. Так вот, наша атмосфера для большей части электромагнитного спектра непрозрачна. Но она прозрачна как раз там, где ей нужно быть прозрачной. Как раз там, где максимум своего излучения отправляет в космическое пространство Солнце, то есть в видимом диапазоне. Тем самым она не мешает солнечному теплу доходить до нас с вами, согревать нас с вами. Но в то же время атмосфера блокирует всё то излучение Солнца, которое может представлять для нас опасность. То есть она аккуратненько оставляет в спектре Солнца только те частоты, которые нам с вами нужны. Химический состав, тепловые условия так же оптимальны для дыхания и поддержания жизни. Хотя на самом деле это кажется нам понятным и естественным. Но вопрос не столь простой, как мы сейчас с вами в этом сможем убедиться. Вот давайте внимательно посмотрим на тепловой баланс атмосферы. То есть от чего зависит, собственно говоря, температура атмосферного газа на различных высотах. В том числе и приземного, там, где мы с вами находимся. Когда мы говорим о температуре, нам надо сказать, что является источником энергии для атмосферы. Он, в общем-то, один. Все остальные даёт достаточно маленький вклад по сравнению с этим, по крайней мере, для приземных слоёв. Это излучение Солнца. Излучение нашей с вами звезды, которая, собственно, и согревает Землю вместе с атмосферой. Химический состав атмосферы, по крайней мере, в приземных слоях, он хорошо известен, школьники его знают. На 78% по массе атмосферы состоит из молекулярного азота, химическая формула N2, на 21% — из молекулярного кислорода. Это, собственно, тот газ, который нам необходим для дыхания О2. На 1% — из аргона и других инертных и, как ещё называют, благородных газов.

Вот если мы с вами сложим 78, 21 и 1, то получим в сумме 100. Это значит, что вот эти три газа составляют подавляющую часть атмосферного воздуха, и примесь всех остальных газов обычно исчисляется десятыми долями процентов, то есть очень и очень мало. Казалось бы, именно эти три газа и должны играть основную роль в поддержании теплового баланса атмосферы. Но есть две важных детали. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с солнечным излучением, доходящим до высот от нуля до 90 километров. То есть для того излучения, которое в эти слои атмосферы попадает, вот для этого излучения данные три газа совершенно прозрачны. Ну, оговоримся, что у кислорода, конечно, есть полосы поглощения в красной области спектра, но они не существенно влияют на общую картину. Дальше. Азот, кислород и аргон почти не взаимодействуют с инфракрасным излучением, которое уже назад Земля отправляет в космическое пространство. Естественно это должно делать любое тело, нагретое до определённой температуры. Вот с теми температурами, которые есть у нас на Земле, основное излучение попадает на инфракрасную область спектра. Но там тоже эти три газа оказываются прозрачными. Получается, что они никак в переработке солнечной энергии практически не задействованы. И вся эта сложная, необходимая нам, задача переработки солнечной радиации, оказывается на плечах других газов, которых совсем-совсем мало. И чтобы проиллюстрировать такой, на первый взгляд парадоксальный эффект, давайте проведём с вами мысленно эксперимент. В реальности эксперимент, к счастью, провести невозможно. Но вот представим себе, что вдруг в атмосфере осталось 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона. Всё остальное исчезло. Вот так получилось. Казалось бы, ну, что меняется? 99,9% состава атмосферы остались без изменения. Кислород остался, дышать можно. Вот давайте представим, как будет выглядеть поверхность Земли в этом случае.

Это, конечно, очень сложно сделать, поскольку, я повторюсь, в реальности такой эксперимент провести нельзя, но если напрячь фантазию, получится вот что-то такое. Атмосфера: кислород, азот и аргон. Во-первых, поверхность Земли будет подвергаться мощному потоку ультрафиолетовой радиации Солнца. Настолько сильному, что существовать на поверхности такой планеты нам с вами будет просто невозможно. А, во-вторых, средняя температура на поверхности Земли составит -20 градусов. Это совсем непохоже на ту жаркую майскую погоду, которая сейчас у нас с вами за окном. Мы ведь сделали совсем немного. Мы убрали из атмосферы газы, которых там, по идее, было очень и очень мало. Почему такой мощный эффект? Ответ на этот вопрос состоит уже в, знакомом вами, парниковом эффекте. Именно он позволяет средней температуре на поверхности Земли иметь не знак «минус», а иметь уверенный знак «плюс». В чём состоит парниковый эффект? Допустим, у нас в атмосфере появился слой каких-то газов. Он может быть вблизи Земли или на какой-то высоте, прозрачный для солнечного излучения, так же, как азот, кислород и аргон и, соответственно, не мешает ему доходить до поверхности Земли, согревать нас. Но они, эти газы непрозрачны для инфракрасного излучения Земли. То есть отток энергии от нашей планеты обратно в космическое пространство эти газы блокируют. Тогда поверхность начнёт нагреваться. С чем можно сравнить слой парниковых газов? Ну, с обычным одеялом. Ведь когда вы ложитесь спать, укрываетесь одеялом, вам становится теплее. Но в одеяле собственных источников энергии нет. Почему же оно вас согревает? Просто потому, что оно не даёт вашему собственному теплу от вас далеко уходить. Вот роль такого одеяла и играют парниковые газы.

Парниковых газов мало, 10-е доли процента, но их оказывается достаточно для того, чтобы температура на поверхности Земли существенно возросла. Главным парниковым газом является двуокись углерода СО2. Это газ, который мы и все живые организмы выдыхают в процессе своей жизнедеятельности. Вот здесь, справа, показан кусочек спектра излучения Земли в космическое пространство. То есть если бы мы имели инфракрасный спектрограф, мы посмотрели бы из космоса на Землю. И вот верхняя пунктирная линия – это какой была бы Земля, если бы парникового эффекта не было. А реальное измерение, вот они представлены графики. Вы видите, насколько сильно парниковый газ даёт такую мощную полосу, уменьшает отток излучения от нашей с вами планеты. Ну, конечно, другие газы тоже играют некоторую роль, например, озон, метан и т.д. Но вот эта полоса с длинной волны порядка 15 микрон, она основная для формирования парникового эффекта. С этой полосой мы, кстати, ещё встретимся по ходу этой лекции. И при нормальном содержании парниковых газов, таким, каким оно должно быть на нашей с вами атмосфере, тепловой эффект, то есть выигрыш в температуре, составляет 35 градусов. И средняя температура у нас не -20,а +15. А парниковых газов очень мало. Теперь можно представить, что будет, если их станет больше. И это не пустая фантазия. Известно, что содержание углекислого газа в последние десятилетия на Земле быстро достаточно возрастает. Вот перед вами график. Мы видим, что за 50 лет углекислого газа стало больше на четверть. А раз это такой активный парниковый газ, то, естественно, увеличение его содержания будет вызывать потепление на нашей планете. И такие события, как лето 2010-го года в Москве, вот в Подмосковье сделана фотография, всё окутано дымом. А также то, что у нас погода постоянно бьёт температурные рекорды и последние два температурных рекорда были установлены позавчера и вчера в Москве и, возможно, сегодня тоже будет. А вот температурные рекорды со знаком «минус» в Московском регионе уже, по-моему, не побиваются много десятилетий. Всё это говорит о том, что средняя температура и у нас здесь, и вообще на Земле растёт и, конечно, это повод задуматься о том, как эти процессы нужно приостановить.

Другой газ, очень активный, который формирует, фактически, всё, что мы называем с вами климатом – это водяной пар Н2О. Это один из самых изменчивых компонентов в нижней атмосфере Земли. Его содержание очень редко доходит до 1%. Но 1% водяного пара – это страшно влажный воздух. Обычно это тоже доля процента, то есть, в общем-то, мало. Но именно водяной пар ответственен за такие события у нас с вами, как гроза, которая, так понимаю, уже сейчас должна начаться у нас за окнами, появление смерчей, ураганов и всего этого уже в более крупном планетарном масштабе, циклонов. Активных образований в атмосфере, характеризуемых достаточно большими скоростями, большой энергетикой. Вот откуда берётся в нашей, вроде как спокойной атмосфере вот такая энергия? Где эти все природные катаклизмы черпают энергию? Ответ очень простой. Черпают они её в водяном паре. Водяной пар – это очень интересный компонент, который в наших с вами условиях может быть как жидкостью так и газом. Кстати, когда мы говорим о верхней атмосфере, то и на неё водяной пар, находящийся у поверхности Земли, может действовать посредством передачи акустико-гравитационных волн. Вот здесь на фотографии ночное ясное небо, но недалеко от грозового фронта. Даже видны спрайты – это разряды в верхней атмосфере Земли. А всё свечение ночного неба мы, тут, не знаю, насколько хорошо это видно, имеет структуру таких волн. Это, как раз, следствие передачи энергии от нижних слоёв атмосферы в верхние посредством вот этих волновых процессов.

Водяной пар не просто может переходить в жидкое состояние в атмосферных условиях. Собственно, другие газы при наших температурах, которые у нас есть, этого не могут делать. Кроме этого, водяной пар характеризуется очень большой удельной теплотой парообразования. Больше 2-х миллионов Джоулей на килограмм. То есть, чтобы килограмм воды, литр воды превратить в пар, нужна энергия больше 2-х миллионов Джоулей. А когда этот самый килограмм водяного пара вновь превращается в жидкость, то, в соответствии с законом сохранения энергии, эти два мегаджоуля возвращаются назад. А так как водяной пар в атмосфере конденсируется, испаряется на разных высотах, то есть испаряется-то он у поверхности, а конденсируется уже на больших высотах. За счёт этого и происходит передача энергии на большие высоты атмосферы и там конденсация водяного пара, образование облачности и играет роль источника энергии для формирования грозовых облаков, циклонов, и т.д. Вот примерно такая схема. И вот фотография такой, такого грозового облака над Москвой сделана три года назад. И вот сегодня, когда я шёл сюда, очень похожую картинку я видел, буквально, на небе. Так что вполне возможно гроза в Москве уже идёт.

Всем хорошо известно, что температура в атмосфере с высотой уменьшается. Когда вы взлетаете на самолёте, достигаете высоты, скажем, в 10 тысяч метров, вам сообщают температуру за бортом, скажем, -50 градусов. Это может удивлять. Особенно, если вы каких-нибудь полчаса назад взлетели с какого-нибудь тёплого пляжа, из тёплой страны, где температура, скажем, +25 или +30. Почему температура уменьшается с высотой? Это естественное свойство газа, находящегося в поле тяжести. Ну, в данном случае, в поле тяжести Земли. Вот представим, что у нас есть некий объём воздуха, который мы условно изобразим в виде воздушного шарика. Вот у нас какой-то такой был. И пусть в силу каких-то причин, не важно каких, этот шарик, то есть этот объём воздуха поднялся на большую высоту, ну, попал в какой-то восходящий поток. Если этот объём воздуха не успевает обменяться энергией с окружающими воздушными ячейками, а это так в тропосфере, то он расширяется, при расширении он, естественно, совершает работу. А где ему взять энергию на эту работу? Только из своей собственной внутренней энергии. И совершая работу, просто по законам термодинамики, этот воздух должен охлаждаться и поэтому наверху, расширившись, воздух станет более холодным. Для сухой атмосферы, лишённой водяного пара, величина температурного градиента, на самом деле, очень большая – 10 градусов на километр. То есть при увеличении высоты на километр на 10 градусов становится холоднее. В реальной атмосфере, где есть водяной пар температурный градиент существенно меньше, порядка 5-6-ти градусов на километр. Почему? Опять же, мы вернёмся к нашему воздушному шарику и предположим, что кроме воздуха там было небольшое количество водного пара. То есть то, что есть в реальной атмосфере. Когда шарик начнёт подниматься, охлаждаться, водяной пар будет конденсироваться и превращаться в маленькие капельки воды. При этом, естественно, выделяется энергия. То, что у водяного пара большая удельная теплота парообразования я уже говорил, и эта энергия пойдёт на нагрев воздуха и тем самым замедлит уменьшение температуры.

То есть мы видим, что величина температурного градиента существенно зависит от влажности. А вот теперь представьте: у вас есть область влажного воздуха, область сухого воздуха. Вроде как у поверхности Земли они имеют одну и ту же температуру, значит, на какой-то высоте у вас появится достаточно большая разница температур. Разница температур, значит, разница давлений, значит, ветер, значит, опять же, возможность для наступления разных погодных катаклизмов. Весь нижний слой атмосферы, где температура уменьшается с высотой, называется тропосферой. То есть научное определение тропосферы, как нижнего слоя атмосферы, это не слой до какой-то определённой высоты, скажем там, до 10-ти, до 15-ти километров, а тот самый слой, где температура уменьшается с высотой, то есть пока температура не достигнет минимума. И высота тропосферы оказывается разной для разных широт. И вот верхняя граница тропосферы, она называется тропопаузой. В полярных областях Земли она ниже, попадает в высоту порядка 10-ти километров, а в тропических областях выше. И в тропопаузе падение температуры с высотой останавливается на уровне примерно -60 градусов Цельсия, то есть 220 Кельвина. Пока у нас температура с высотой уменьшается, у нас есть возможность для появления восходящих конвективных потоков воздуха, а если падение температуры останавливается, значит, конвекция продолжаться не может и вот эти самые структуры, в том числе и облачные структуры, дальше уже подниматься не могут. Вот мы прямо здесь видим облако, как будто бы вот оно расширяется и упёрлось в такую невидимую стенку. И эта стенка очень часто как раз совпадает с тропопаузой, верхней границей тропосферы.

Ну, и вот, собственно, фотография, которую я вам недавно показывал, облако тоже имеет примерно такую же форму, как её ещё называют, наковальня. Выше начинается следующий слой атмосферы Земли, который называется стратосфера. Обычно он занимает область высот от 15-ти до 50-ти километров и характеризуется тем, в нём температура увеличивается с высотой. Всё наоборот. Ну, казалось бы, мы с вами рассматривали ситуацию, рисовали условные воздушные шарики и выяснили, что нормальное свойство для атмосферного газа в поле тяжести – это его охлаждение с высотой. С чего это вдруг температура начинает увеличиваться? Это могло бы иметь место, если бы в стратосфере был какой-то свой источник тепла, который бы это увеличение температуры и обеспечивал. Но на самом деле в стратосфере источников тепла каких-то особенных нет. Энергия, как и в других слоях атмосферы, приходит от Солнца. Откуда же берётся энергия? Она может появиться, если появится какая-то субстанция, которая будет эффективно поглощать солнечное излучение. Субстанция, которой нет в тропосфере, соответственно, тропосферу она нагревать не может, а в стратосфере она появляется. Непрозрачная, в отличие от азота, кислорода и аргона. Она может поглощать солнечное излучение. И такая субстанция в стратосфере, действительно, есть, она вам хорошо известна – это газ озон. Его химическая формула О3, то есть молекула озона состоит из 3-х атомов кислорода. Почему озон появляется именно на больших высотах? На самом деле, нам очень сильно повезло, что это так. Потому что озон это газ ядовитый. Если бы озон можно было бы пустить, скажем, в эту комнату, то ничего хорошего с нами бы не произошло. Но выше он появляется потому, что до этих высот доходит рентгеновское излучение Солнца. Солнце вроде как не особо сильно излучает в рентгене, но достаточно для того, чтобы наделать нам много бед, если бы это рентгеновское излучение доходило до поверхности планеты. Но оно поглощается молекулярным кислородом в ходе химической реакции, которая тут перед вами, и рентгеновский квант, как квант очень активный, энергичный, молекулы кислорода разбивает на два атома: О и О.

В последствии они могут снова встретиться, объединиться вновь в молекулу, но если произойдёт вот такой процесс, атом кислорода, молекула кислорода и ещё какая-то частица, ещё какая-то молекула, которая играет роль катализатора, в этом случае образуется озон, и озон защищает нас от ультрафиолетового излучения Солнца. Посмотрите, какая ситуация. Ультрафиолетовое излучение для нас опасно. Нам нужно от него защититься и для этого есть озон. Но озон ядовитый газ, поэтому защищаться от ультрафиолета прямо здесь тоже нам не годится. Поэтому озоновый слой появляется на высоте достаточно большой. А для этого используется другое, вредное для нас, излучение Солнца, теперь уже рентгеновское, которое там же и поглощается. Вот как, действительно, для нас всё аккуратно рассчитала атмосфера. В результате мы здесь не имеем ни рентгеновского излучения Солнца, ни ультрафиолетового излучения Солнца, ни озона и избавлены от всех вредных факторов. Много ли озона в атмосфере? На самом деле очень мало. Если бы мы могли собрать весь стратосферный озон и притянуть его к поверхности Земли, и создать из него слой при нормальной температуре и давлении, то мы бы получили слой толщиной в 3-4 миллиметра или 300-400 единиц Добсона. Это специфическая единица, в которых измеряется общее содержание озона в атмосфере и 1 единица Добсона – это 0,01 мм слоя озона. То есть такой слой не дотянулся нам даже до верхней части подошвы ноги. А в реальности этот озон разбросан по достаточно большому диапазону высот по всей стратосфере, то есть толщина порядка 35-ти километров.

То есть получается, что даже там озон это крайне малая примесь, порядка 0,001 доли процента. И хватит ли такого озона для того, чтобы останавливать солнечный ультрафиолет? На самом деле хватит. Вот этого содержания озона оказывается достаточно, чтобы поток ультрафиолетового излучения от Солнца, если оно находится в зените, на длине волны 3000 ангстрем, ещё не самый вредный для нас ультрафиолет, уменьшается в 13 раз, а вот более опасный ультрафиолет блокируется полностью. Вот посмотрите. На длине волны 2,5 тысячи ангстрем слой озона уменьшает поток ультрафиолетового излучения от Солнца в 10 в 35-й степени раз. Это единица и 35 нулей. При таком-то вроде маленьком содержании. Вот, пожалуйста, углекислый газ – его мало. А как он с температурой нашей обходится. А озон? Которого совсем мало. В результате блокирует весь солнечный ультрафиолет. У озона есть несколько полос поглощения, они названы по именам учёных, которые их открыли. Озон поглощает и видимые области спектра, по полосе Шаппюи. Ну, это полосы достаточно слабые. То есть для Солнца, находящегося в зените, озон уменьшит его поток примерно на 3-4%. А вот полосы Хегенса и полосы Хартли гораздо более сильные.

Обратите внимание, что по оси ординат здесь логарифмический масштаб и разница между верхом и низом это 8 порядков. И полосы Хегенса, это резкая стена, где начинается поглощение озоном. Её край совпадает как раз с краем полос поглощения ультрафиолета молекулы ДНК. То есть всё то, не поглотил озон, началось бы поглощение нами с вами, нашими молекулами и, естественно, сопровождалось бы их разрушением. То есть полосы Хегенса поглощают, опасный для нас, ультрафиолет, но не поглощают сравнительно безопасный. Поэтому загорать на Солнце, по крайней мере, более менее реальное время мы всё-таки можем. Вот мы видим, что ультрафиолет мягкий УФ-А, который, собственно, вызывает загар на коже, он доходит до поверхности Земли, но несколько ослабленным.

А вот более энергичный ультрафиолет уже до поверхности Земли практически не доходит. А самый энергичный ультрафиолет задерживается уже в верхней части озонового слоя, в стратосфере. А вся та энергия солнечного ультрафиолетового излучения, которое, собственно, задерживается озоном, в конце концов, превращается в тепло и это тепло остаётся в стратосфере. Вот за счёт этого и появляется источник нагрева стратосферного газа, и температура с высотой начинает возрастать. Вот перед вами график изменения температуры на высотах от нуля до сорока километров. Сначала в тропосфере температура падает, потом она более-менее постоянная и дальше выходит на уровень порядка нуля градусов. То есть температура примерно такая же, как и у поверхности Земли. Но стратосфера состоит не только из газа. Там могут встретиться и аэрозольные, облачные частицы. Конечно, это происходит гораздо реже, чем в нижних слоях атмосферы, где, собственно, облачность это совершенно нормальное явление. Для того, чтобы образовалось облако, состоящее из воды, то есть из водяного льда, нужна очень низкая температура. Потому что в стратосфере давление очень маленькое и вода легко испаряется. И такие низкие температуры, при которых, возможно, было бы в стратосфере появиться облачности, это температура порядка -80-ти градусов, то есть ниже, чем обычно в районе тропопаузы. Вот такие температуры появляются в полярных широтах и в этом случае можно наблюдать в сумерки такое красивое явление, как перламутровые облака. Вот оно перед вами, снятое в Мурманске, переливаются разными цветами. Днём перламутровые облака не видны. Просто потому, что они очень разреженные, очень слабые и теряются на фоне дневного неба. И только в сумерки, когда нижняя часть атмосферы у вас уже погружена в тень Земли и Солнцем не освещается, а вот верхняя часть атмосферы ещё освещена лучами Солнца, могут появиться перламутровые облака.

Вот, кстати, эта схема показывает хорошую эффективность сумеречных исследований для изучения верхних слоёв атмосферы. К сумеречному методу, я сам им занимаюсь, я ещё несколько раз по ходу этой лекции вернусь. Перламутровые облака, обычно в научной литературе они называются «полярные стратосферные облака», это мощные передвижные химические лаборатории стратосферы. Они состоят не только из воды. В их состав входит много самых разных соединений: хлороводород, азотная кислота, и т.д. А на поверхности капелек облаков химические реакции идут значительно быстрее, чем в газовой среде. И поэтому перламутровые облака, хотя они очень разреженные, и в общем-то не так часто появляются, они оказывают существенное влияние на химию атмосферы. Вот один из тех процессов, которые могут происходить, я вам покажу. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца, которое до стратосферы всё-таки в каких-то количествах доходит, происходит распад этих молекул и в результате появляется атомарный хлор. Атомарный хлор реагирует с озоном и образуется оксид хлора, а потом оксид хлора реагирует с атомарным кислородом. Вот в ходе этих двух реакций у нас, если вы заметите, хлор, как был, так и остался, он никуда не делся, а вот молекула озона погибает. Потом, после этого цикла, этот самый атом хлора может ещё раз разрушить молекулу озона, ещё раз и ещё раз. И атомы хлора, так же, как и молекулы окиси азота, они оказываются долго живущими, и один атом может уничтожить, по современным оценкам, до десятка миллионов молекул озона. И поэтому, хотя хлора в атмосфере существенно меньше, чем озона, несравнимо меньше, но выброса галогеносодержащих соединений, в частности, фреона в конце 20-го века, именно из-за таких каталитических реакций, оказался большой проблемой для озонового слоя. И выбросы фреона считаются одной из причин появления озоновой дыры именно благодаря вот таким реакциям.

Но был принят Монреальский протокол. Выбросы галогеносодержащих веществ вроде как ограничили, но пока о восстановлении озонового слоя речь ещё не идёт. Речь идёт о том, что темпы разрушения озона уменьшились, то есть такого быстрого разрушения, как раньше, не было. И вот перед вами пример. Карта распределения общего количества озона в декабре 2011-го года и вот она, озоновая дыра, над Антарктидой, которая как раз во второй половине года обычно проявляет себя сильнее всего.

Другие химические процессы начинаются в стратосфере после мощных вулканических извержений, в том случае, если вулканические выбросы пробивают тропопаузу и попадают в стратосферу. Вообще, вулканы очень сильно влияют на оптические свойства атмосферы. В нижних слоях, понятно, в тропосфере, туда выбрасывается вулканическая пыль, пепел. Это всё может привести к уменьшению средней температуры на поверхности Земли, просто потому что они задерживают солнечный свет. А выше происходит химическое загрязнение. В состав вулканических выбросов входит сернистый газ СО2. Это газ хорошо всем известен. Известно, что в нижних слоях атмосферы он химически инертен и мало вступает в химические реакции. Совершенно другое дело, если этот газ попадает в стратосферу. Там он встречается с активными окислителями: атомарный кислород, озон, ОН. Образуются различные промежуточные продукты и, в конечном итоге, серная кислота, тоже вам хорошо известная. А вот серная кислота, в отличие от воды, спокойно конденсируется в капельки даже просто в стратосферных условиях. И так образуется сульфатная аэрозоль. То есть примерно то же самое, что мы наблюдаем в атмосфере Венеры. Только, к счастью для нас, в существенно меньшем количестве.

И вот перед вами график, диаграмма появления облака сернистого газа после извержения вулкана Пинатубо в 1991-м году. Пока что это самое сильное извержение вулкана за последние десятилетия. И время жизни серной кислоты и сульфатных аэрозолей в стратосфере составляет несколько лет. То есть сульфатная аэрозоль достаточно надолго там задерживается. Аэрозоль в стратосфере, если уж он появляется, он проявляет себя сравнительно мутным видом неба, особенно в период сумерек, когда стратосфера играет основную роль, а тропосфера Солнцем не освещена. Ну, и можно регистрировать уменьшение поляризации фона сумеречного неба. Так как фон сумеречного неба у нас представлен, прежде всего, рассеянным светом, он сильно поляризованным, особенно если воздух чистый. А вот если у нас в стратосферу попадают какие-то пылевые частицы, то рассеивая солнечный свет, они вносят свой вклад и поляризация уменьшается. И вот наша группа зафиксировала уменьшение поляризации фона неба, как раз, когда рассеяние происходило на высоте 20 километров в декабре 2006-го года. Вот видно это уменьшение по сравнению с декабрём 2002-го года. И это уменьшение было связано со сравнительно несильным, ну, по сравнению с Пинатубо, извержением вулкана Рабаул в октябре 2006-го года. Вулкан Рабаул находится в Индонезии, а наблюдения проводились через два месяца в Крыму. Очень далеко. И, тем не менее, вот появление этого сульфатного аэрозоля тоже можно зафиксировать.

Верхней границей стратосферы является стратопауза. Высота 50 километров, температура порядка нуля. Дальше относительный вклад озона, конечно, озон там есть, но он начинает уменьшаться. Причём уменьшаться достаточно быстро. Почему? Вспомним, что озон образуется вот в этой химической реакции. Химическая реакция требует, чтобы сразу три частицы встретились вместе в какой-то одной точке пространства. Молекула кислорода, атом кислорода и ещё какая-то частица. И вероятность такой тройной реакции очень сильно зависит от плотности. Если плотность низкая, то такой процесс маловероятен. В результате образование озона резко уменьшается, его относительная плотность тоже уменьшается и пропадает дополнительный источник тепла. Солнечный ультрафиолет на этих высотах уже, по крайней мере, ультрафиолет, который поглощается озоном здесь, он свободно проходит, потому что озона мало. И температура в полном соответствии с законом всемирного тяготения, на самом деле, вновь начинает уменьшаться с высотой. Мы попадаем в следующий слой атмосферы. Слой очень интересный и слой наименее изученный. Он называется мезосфера. «Мезо» по латыни – среднее, что-то такое, находящееся посередине. И, действительно, это слой, который отделяет низкие плотные слои атмосферы, характерные для нас, привычные нам, от уже космического пространства. Почему мезосферу сложно изучать? А потому что в неё очень сложно попасть. В неё невозможно на длительное время доставить измерительный прибор, который дал бы нам информацию об её составе. Для искусственных спутников Земли мезосфера это слишком низкий слой. Они не могут летать в мезосфере, потому что плотность там высока для того, чтобы спутники стали тормозиться и, в конце концов, упали.

С другой стороны, самолёты, они летают, наоборот, слишком низко, в мезосферу тоже попасть не могут. Летать на крыльях по мезосфере нельзя. И в результате американцы, которые любят, даже в научной литературе, давать всякие фразеологические названия разным объектам, мезосферу часто называют «игноросферой». Это слой атмосферы, который игнорирует наши попытки туда попасть и каким-то образом её изучить. И поэтому долгое время количество информации о мезосфере, действительно, было очень небольшим. Температура там, действительно, падает и падает достаточно быстро и верхние слои мезосферы оказываются самыми холодными слоями атмосферы Земли. Но что интересно, этот температурный минимум, который имеет место в верхней мезосфере на высотах порядка 80-ти километров, у него оказалась совершенно необычная сезонная зависимость. Вот на этом графике, взятом из работы Марша в 98-м году, показана просто зависимость температуры с высотой в определённый день января на разных широтах. Вот, соответственно, здесь у нас приземный воздух. Вот у нас тропопауза, минимум температуры. Вот стратосфера, вот стратопауза. Это январь, поэтому в северных широтах у нас зима, а в южных широтах у нас лето. Всё вроде естественно. Но посмотрите – зимой у нас мезосфера, мезопауза охлаждается до 230-ти Кельвинов, то есть до -40 градусов. А вот летом температура падает до -130-ти градусов по Цельсию. 140 Кельвинов. Это самое холодное местно не только атмосферы, это самое холодное место вообще Земли и всего пространства, связанного с Землёй. И получается, что холоднее всего в мезосфере летом. А ведь такие высокие слои атмосферы, высота 80 км, они в летние месяцы непрерывно освещены Солнцем. Даже когда у поверхности Земли ночь, всё равно высокие слои Солнце подсвечивает. Несмотря на это температура там оказывается просто рекордно низкой. И долгое время не удавалось понять, почему.

И если мы просто рассматриваем Землю в поле излучения Солнца, и посчитаем соответствующую модель, то мы этого минимума температур просто не получим. Кто оказался виноват в таком понижении температуры? На самом деле, если уж подходить к источнику, то водяной пар и находящийся здесь, у поверхности Земли, на высотах, скажем, порядка 1-2-х километров. Когда я вам рассказывал о циклонах, о различных энергичных катаклизмах, которые происходят здесь, я упомянул об акустико-гравитационных волнах, которые из этих циклонов распространяются, в том числе, и вверх. Плотности в мезосфере ниже и поэтому амплитуда этих волн в верхних слоях увеличивается. И эти волны там начинают существенно влиять на всю динамику атмосферного вещества. И картина зональных ветров, то есть ветра, дующие вдоль параллелей, вот, в такую стройную и достаточно понятную, которая должна была наблюдаться в мезосфере просто под действием излучения Солнца, эти волны вносят существенные коррективы. Появляется область летней полярной мезосферы, где ветры начинают дуть в другую сторону. Это сказывается на общей циркуляции воздуха. Он движется не только вдоль параллелей, но и вдоль меридианов и движется вот по такой траектории. То есть в зимнем полушарии он опускается вниз, а в летнем он поднимается вверх. Вспомним воздушные шарики. Поднимаясь вверх, воздух сильно выхолаживается. И вот за счёт этого адиабатического выхолаживания здесь, несмотря на постоянное излучение Солнца, не уходящее под горизонт, температура существенно уменьшается.

А в зимней мезосфере, казалось бы там Солнца нет, там вообще даже источника энергии прямого нет, но там химические реакции, причём с участием малых составляющих, которых там очень мало: озон, атомарный водород. Вот энергии, выделяемой при этих реакциях, оказывается достаточной для того, чтобы поддерживать достаточно высокую температуру. Опять мы видим, что малые газовые составляющие переворачивают всё вверх дном и у нас зимой, оказывается, намного теплее, чем летом на высотах порядка 80-ти километров.

В мае и в летние месяцы на широтах вот типичных для Средней полосы России, в том числе и в Москве, ночью, может быть, и сегодня удастся, можно наблюдать такое красивое явление, как серебристые облака. Такое красивое свечение над северным горизонтом, они видны только в мае, июне и июле. Измерения высот показали, что это самые высокие облака, которые возникают в атмосфере Земли. Высота порядка 85-ти километров. И чтобы водяной лёд образовался при таких ничтожных давлениях, а давления там совсем маленькие, нужны крайне низкие температуры, меньше 140-а, 150-ти Кельвинов. То есть ниже, чем -130 градусов. И то, что мы летом эти облака наблюдаем говорит о том, что на широтах больше 50-ти градусов, то есть в Москве в том числе, такие температуры, действительно, достигаются.

Но что интересно: явление достаточно масштабное, никакой особой техники для его наблюдения не нужно, оно прекрасно видно невооружённым глазом и, тем не менее, эти облака никогда не наблюдались до 1885-го года. Вряд ли можно предположить, что их просто не замечали. Явление очень красивое. Нет ни одного упоминания. Похоже, что этих облаков до конца 19-го века, действительно, не было. То есть мы наблюдаем какой-то вековой процесс. А сейчас эти облака наблюдаются ну, не каждую ясную ночь, но достаточно регулярно, если хорошая погода. Учёные стали думать, что такое случилось в 1885-м году, почему появился, вообще, новый класс объектов в атмосфере Земли. Первая версия была связана с мощным извержением вулкана Кракатау, которое произошло в 1883-м году. Фактически это было сильнейшее извержение, которое уничтожило сам вулкан, сейчас на его месте осталось только несколько маленьких вулканов. И привело примерно к 30-ти тысячам человеческих жертв. То есть это было одно из самых сильных извержений, которые вообще наблюдались на поверхности Земли. И, действительно, при столь сильном извержении какие-то продукты выбросов могли достигнуть даже таких больших высот и привести к появлению там облаком. То есть вулканические частицы стали бы просто ядрами конденсации. Но сейчас прекрасно известно, что время жизни вулканических выбросов, даже в стратосфере, составляет всего несколько лет, а в мезосфере оно будет ещё меньше. И серебристые облака могли появиться в результате вулкана, но они бы просуществовали всего несколько лет и потом бы исчезли. А они остались, и наблюдаются по сей день. Другую гипотезу о причине появления серебристых облаков выдвигали астрономы. И связывали они эти облака с кометой Энке. Комета Энке – это самая короткопериодическая из всех известных комет. Она совершает обороты вокруг Солнца всего лишь за три с небольшим года и проходит мимо орбиты Земли, как раз, 28-го июня. То есть примерно в те же самые дни вблизи летнего солнцестояния, когда серебристые облака чаще всего появляются.

Ну, и предположили, что, наверное, раньше орбита кометы Энке располагалась немножко по-другому. Она проходила достаточно далеко от орбиты Земли. А потом, в результате какой-то эволюции, например, в результате сближения с Юпитером, орбита кометы Энке изменилась, и комета стала проходить очень близко к орбите Земли. В результате на орбиту Земли попадали частицы распада этой кометы, то есть частицы хвоста, пыль, когда Земля сама оказывалась в этой точке, эта пыль оседала в верхнюю атмосферу и приводила к появлению серебристых облаков. Вообще говоря, сейчас считается, что ядрами конденсации серебристых облаков являются пылевые частицы, попадающие не с поверхности Земли, высота-то огромная, а как раз из космоса. Так что эта версия оказалась весьма правдоподобной. Более того, ещё одним подтверждением этой версии был Тунгусский метеорит, который выпал тоже в конце июня в 1908-м году. Сейчас считается, что Тунгусский метеорит, скорее всего, был маленькой кометой. Вполне возможно, просто осколком кометы Энке, потому что его орбита известна. Она похожа на орбиту кометы Энке. А так же известно, что в течение нескольких дней после падения метеорита наблюдались аномально яркие ночи. Вот, например, светлая ночь в Бристоле, Англия очень далеко от места падения, и фон неба, светлый как раз, напоминал просто рассеянные по всему небу серебристые облака. То есть мы наблюдаем процесс серебристых облаков просто усиленный в результате того, что целая маленькая комета упала в земную атмосферу. Но дальнейшие исследования показали всё-таки несостоятельность этой гипотезы. Метеорный поток, связанный с кометой, то есть поток частиц, сброшенных с кометы Энке, он известен, он называется бетатауриды. Потому что его радиант находится вблизи Бета Тельца и максимум активности, как нетрудно догадаться, наступает в конце июня.

Но в конце июня рядышком находится Солнце, поэтому наблюдать непосредственно эти метеоры ночью не удаётся. Поэтому долгое время активность этого потока была неизвестна. Но сейчас радионаблюдения показали, что этот поток очень слабый. Его активность существенно ниже спорадического фона, то есть фона метеоров, которые сгорают в нашей атмосфере ежедневно, ежечасно и прилетают с разных направлений. То есть существенное увеличение количества пыли в мезосфере комета Энке сейчас вызывать не может. И поэтому то, что серебристые облака сейчас наблюдаются, а раньше не наблюдали, комета Энке с этим никак не связана. Ответ на вопрос: почему появились эти серебристые облака и почему в мезосфере происходит интенсивное похолодание, был дан атмосферный химиками. И что самое удивительное, такое резкое похолодание и глобальное потепление, которое мы наблюдаем в приземных слоях, не просто обеспечиваются одним и тем же газом, но обеспечиваются одной и той же инфракрасной полосой этого газа. Речь идёт о углекислом газе СО2и его полосой, в данном случае уже излучение, а не поглощение инфракрасной с длинной волны 15 микрометров. Собственно, что происходит? Молекула углекислого газа, которая может попасть даже в мезосферу, эффективно сталкивается с атомом кислорода. При этом часть энергии атома кислорода молекула углекислого газа забирает себе и переходит в колебательно возбуждённое состояние. То есть энергия движения атома кислорода, фактически, это тепловая энергия мезосферы, переходит в энергию колебаний молекулы СО2. А потом молекула СО2эту энергию выбрасывает в виде инфракрасного кванта, который с большой вероятностью просто покидает атмосферу. То есть СО2забрал тепловую энергию у воздуха, а обратно её не отдал. Обратно молекула СО2просто выбрасывает её в космос.

И, тем самым, идёт процесс похолодания в мезосфере. Причём, за счёт той же самой инфракрасной полосы, которая создаёт парниковый эффект в тропосфере. Вот ещё один характерный пример, что одна и та же спектральная линия какого-то одного вещества может совершенно по разному вести себя в зависимости от окружающих условий и в плотной нижней среде в атмосфере или наверху, где газ очень разреженный. И теперь уже на поверхности лежит ответ, почему в мезосфере холодает в последние века. Просто потому, что СО2стало больше. И хотя сейчас, ну, не все полностью с этим согласны, но уже признаётся, что вот этот процесс, который сейчас перед вами изображён на слайде, это один из основных сценариев, один из основных механизмов уменьшения температуры в мезосфере. Причём скорость этого похолодания существенно превышает скорость глобального потепления у поверхности Земли. Опять же, сейчас спорят насчёт оценок, но речь идёт о величинах одного градуса в год. Это колоссальная скорость. Слава Богу, что у нас здесь, у поверхности Земли таких изменений температуры не происходит.

Тем самым мезосфера оказывается очень интересной, но и очень затруднённой для изучения. Как я уже говорил, прямые измерения, скажем, температуры, химического состава в мезосфере крайне затруднены тем, что на длительное время туда нельзя отправить какой-нибудь прибор. Ни на спутнике он не может находиться, ни на самолёте. Поэтому основная сейчас функция по исследованию мезосферы лежит на дистанционных методах, то есть измерениях с помощью разных приборов либо с поверхности Земли, ледары, радары и т.д. Либо, наоборот, со спутников, которые находятся выше и они смотрят на мезосферную среду, эффективнее всего по касательной к Земле, то есть вдоль Лимба.

И измерения температуры в мезосфере, это, собственно, сейчас основной параметр, в настоящий момент проводят два американских спутника. Один спутник «Таймд» (TIMED) и аппаратура «Сабер» (SABER) на основе излучения, опять же, углекислого газа. А другой спутник «Аура» (AURA) и эксперимент «МЛС» (MLS) на основе излучения других газов, прежде всего, кислорода. И мы видим, что данные двух спутников, скажем, зимой, практически полностью совпадают. А вот летом на высотах больше 70-ти километров у нас идёт разница в показаниях двух спутников, достигающая 10-ти градусов. То есть это скользкая, холодная температура ещё и оказывается очень сложной для измерения. И дело, конечно, не в том, что там аппаратура на спутниках несовершенна. Конечно, нет. А дело в том, что мезосфера не находится в состоянии термодинамического равновесия. Собственно, на простом языке это звучит так: углекислый газ и кислород, который там находится, вообще говоря, не обязаны иметь одинаковую температуру. Вот в нашей с вами плотной среде это понять невозможно. То есть ли вы возьмёте две колбы с двумя разными жидкостями и сольёте их друг с другом и дадите им немножко постоять, то, соответственно, температура уравняется и, скажем, молекулы одной жидкости и молекулы другой жидкости будут иметь примерно одинаковую кинетическую температуру. Вот в мезосфере это не так. Эта разность может держаться сколь угодно длительное время. И поэтому для мезосферных исследований важны разные методы, как наземные, так и космические. И мы сами стараемся внести в это небольшую лепту, опять-таки, с помощью хорошо известного, но существенно развивающегося с учётом нынешних технических возможностей, сумеречного метода.

Во время тёмных сумерек, когда Солнце опускается под горизонт уже примерно на 8-9 градусов, у нас нижние слои атмосферы Солнцем не освещены, а вот верхние ещё оказываются освещёнными. И оставляя в стороне все разные сложности, типа многократного рассеяния и т.д., могу сказать, что из этих измерений удаётся получить достаточно хорошие, точные оценки температуры мезосферы на различных высотах. Вот, чтобы не быть голословным, показаны измерения температуры мезосферы на разных высотах от 70-ти до 85-ти километров в течение летнего периода 2011-2012-го года. Вот наши измерения под Москвой. Это точечки, палочки означают точность. И сравнение со спутниковыми данными. Мы видим, что, в общем, согласие достаточно хорошее и точность, вроде таких простых и самых дешёвых из всех возможных для мезосферы измерений, оказываются сопоставимы.

Выше мезосферы располагается следующий слой атмосферы – термосфера. И уже по самому его названию чувствуется, там, наверное, теплее. И, действительно, там начинается рост температуры с высотой, причём, рост достаточно быстрый. И этот рост обеспечивается поглощением солнечной энергии и теперь уже вакуумного ультрафиолета, который уже и озон не поглощает, но который не доходит до меньших высот, поскольку этот ультрафиолет поглощается напрямую кислородом. И, собственно, уже содержание кислорода на таких больших высотах оказывается достаточным, чтобы этот ультрафиолет останавливался там, на высоте 100 км и больше. И понятно, что вся эта энергия остаётся в термосфере, плотность там низкая, молекул там мало, и поэтому эта энергия оказывается достаточной, чтобы эти молекулы приобрели большие скорости. То есть кинетическая температура становится значительно выше. И, действительно, вот у нас мезосферный температурный минимум и дальше идёт достаточно быстрый рост температуры.

Но, опять же, в термосфере тоже нет термодинамического равновесия, в ещё большей степени, чем в мезосфере. И если бы вы смогли сделать какой-нибудь градусник, который бы у вас выдержал те условия, просто вы ставили бы его в это пространство, он бы вам показал какую-нибудь очень низкую температуру. Например, 5 Кельвинов, то есть -268. Просто потому, что эта разреженная, пусть даже и горячая, среда не успевала бы его нагреть. Он гораздо быстрее бы отдавал свою энергию просто излучением инфракрасных волн. Поэтому, когда мы говорим о температуре в таких высоких слоях, нужно быть очень аккуратным.

Полярное сияние. Очень красивое явление. Я сам их в этом году видел уже трижды. Мне повезло дважды побывать на Севере. Сейчас достаточно высокий уровень солнечной активности. Они так же возникают в термосфере на высотах больше ста километров. И само излучение, а также его цветовые характеристики, опять же, определяются атомом кислорода. В полярных сияниях преобладают зелёные краски, ну, иногда ещё встречаются красные. И это связано со структурой уровня атома кислорода и, соответственно, когда этот атом переходит с одного уровня на другой, он излучает квант с определённой длинной волны, то есть с определённым цветом. И этот цвет либо зелёный в этом случае, либо красный. Ну, зелёная линия у полярных сияний наблюдается чаще всего, поэтому и сама эта линия названа авроральной, то есть Аврора – это полярное сияние. Механизм энергетической накачки полярных сияний – это солнечный ветер. Уже не излучение, а энергичные частицы заряженные, которые летят от Солнца во все стороны, в том числе, и к Земле.

И опять же, если бы не наша атмосфера и если бы не наше магнитное поле, эти частицы были бы для нас весьма неприятны. Но Земля единственная из планет земной группы в Солнечной системе обладает мощным магнитным полем. Оно отклоняет эти заряженные частицы. Они подходят к Земле вблизи магнитных полюсов, магнитные полюса не столь далеки от полюсов географических, поэтому полярные сияния чаще всего возникают в высоких широтах. Хотя я сам один раз видел их и в Москве. Бывает даже и ещё южнее.

Ближний космос, в котором обращается большая часть искусственных спутников Земли и, в том числе и международная космическая станция, это, вообще говоря, тоже термосфера. То есть там плотность среды существенно больше, чем в межпланетном пространстве. И хотя спутники уже там могут обращаться, они не падают сразу на Землю, но они всё равно испытывают торможение этой средой и их высота постепенно уменьшается и, если спутник уже отработавший и никак на ситуацию не влияет, в конце концов, он на Землю падает. А вот МКС просто периодически включает двигатели для того, чтобы вновь поднять себя на нужную высоту.

Выше термосферы располагается внешний слой – экзосфера, которая иногда уже даже к атмосфере не совсем относится. Это высоты более 600 километров. Химический состав: сначала азот и кислород, но уже в атомарном виде, то есть молекулы в тех условиях уже не существуют, они разбиваются на атомы. А на ещё больших высотах химический состав становится уже характерным для межпланетной среды: водород и гелий. И экзосфера прослеживается на высотах до 10-ти тысяч километров. То есть на таких больших высотах ещё плотность чуть больше, чем в межпланетной среде. И, вообще говоря, экзосфера – это уже даже не совсем газ, а совокупность отдельных частиц, каждая из которых является уже отдельным спутником Земли. То есть частицы сталкиваются друг с другом настолько редко, что между столкновениями они могут, скажем, совершить целый оборот вокруг нашей планеты. А водород и гелий, как частицы более лёгкие, имеют скорость ещё больше и могут просто даже улететь от Земли и больше к ней не вернуться. Но запасы водорода и гелия пополняются за счёт, прежде всего, солнечного ветра, который так же состоит из частиц, только уже заряженных этих атомов. Азот и кислород более тяжёлые, поэтому на орбиту ускользания они практически не выходят, двигаются по замкнутым орбитам и вот так вот остаются такими спутниками Земли в течение достаточно долгого времени.

Вот так мы вами вскользь пробежали по земной атмосфере, начиная с её поверхности и кончая уже теми высотами, где она постепенно переходит в межпланетную среду. И далеко не всё я вам рассказал, не все примеры того, как в нашей атмосфере всё подобрано для нас с вами. То есть для того, чтобы мы с вами могли здесь, на поверхности Земли, жить. Но, с одной стороны подобрано, с другой стороны мы видим, что на наших глазах происходит уже не периодические, а вековые процессы, когда в течение уже достаточно длительного времени, скажем, ста лет какой-то параметр, например, температура верхней части мезосферы, или содержание углекислого газа, или приземная температура меняется в одном направлении и меняется, вроде как, необратимо. И это говорит о том, что уже воздействие человека на атмосферу стало таким, что атмосфера не успевает от этого воздействия защититься. Не успевает себя вернуть обратно в первоначальное состояние. И тут уже, собственно, мы должны атмосфере, во-первых, перестать мешать это делать. А, во-вторых, наверное, и в чём-то даже помочь. Вот на этом я свою лекцию заканчиваю и большое спасибо вам за внимание.

Ответы на вопросы

Мне очень не хватило истории вопроса. В смысле, не истории изучения атмосферы, а истории самой атмосферы. Вы сказали, что как она хорошо к нам приспособлена, но, скорее, не она к нам приспособлена, а мы к ней приспособлены. Вот чего мне не хватило, чтобы мне было очень интересно, это история изменения атмосферы.

А это очень сложный вопрос. Поскольку, собственно, нормально изучать состав атмосферы человек научился, вообще, собственно, ничтожное время назад. То есть там даже не сто лет, а меньше. И поэтому здесь можно говорить только о каких-то теоретических сценариях на основе тех знаний, что мы сейчас имеем. Понятно, что свободный кислород появился в результате первых организмов, которые могли существовать при очень небольшом количестве кислорода и давали положительный баланс кислорода во внешнюю среду. И сейчас кислород поддерживается, прежде всего, растениями, которые, собственно, и создают обратный процесс превращения СО2в О2. А вот а как появлялись растения и как они в давние времена существовали при меньшем количестве кислорода, это вопрос уже, наверное, к геологам.

Я воспользуюсь тогда служебным положением. Значит, у нас, вот, меня интересует, значит, не только вот мой личный интерес, да, а, возможно, у нас будет проект по поводу возникновения жизни. И меня интересует возникновение жизни на Земле. Значит, и меня интересует изменение атмосферы, и в какой атмосфере возникали первые организмы? И что мы, как мы можем узнать, какая была на Земле атмосфера, там, скажем, 4 млрд. лет назад.

Насколько известно это была атмосфера более похожая на атмосферу других планет, где основным газом, ну, наряду с азотом, которого всюду много, был СО2. И первые организмы должны были существовать при ничтожных количествах кислорода, более того, перерабатывать СО2в О2. И источником энергии, естественно, для них была энергия Солнца.

А откуда мы это знаем?

Ну, я могу сказать, что просто на основе наблюдений хотя бы атмосфер других планет, где эти процессы не начались и не начнутся, по-видимому. Посмотрите на ту же Венеру, у неё масса в сто раз больше, чем у атмосферы, массы в сто раз больше, чем у Земли и основной газ СО2. Просто потому, что углерод и кислород – это самое распространённые тяжёлые элементы в солнечной системе. Тяжёлые, то есть не водород и не гелий.

Известно, что на дне океанов есть, районы, где много сжиженного метана при низкой температуре и высоком давлении. В принципе, если этот метан вырвется наружу в силу каких-то причин, какую-то это может представлять опасность для нашей атмосферы?

Я, на самом деле, проскочил мимо метана и, наверное, сделал неправильно. Дело в том, что метановые выбросы, они, действительно, происходят и играют очень важную роль в, собственно, химической эволюции атмосферы. Вот вы видите, что такое существенное явление, как нагрев неосвещённой Солнцем полярной мезосферы, происходит за счёт химической реакции с участием атомарного водорода. Так вот главным источником атомарного водорода в верхних слоях атмосферы является, указанный вами, метан здесь. Потому что молекула метана поднимается вверх, там под действием солнечного ультрафиолета, она разбивается и мы получаем атомарный водород. То есть, вообще говоря, метан, он в естественном цикле химических реакций в атмосфере, естественно, учтён. Природный метан. Другое дело, что сейчас, если его содержание начнёт возрастать.

Если начнёт возрастать, будет больше.

Ну, там много разных процессов пойдёт. Кроме того, метан также может давать свой вклад в СО2в верхних слоях атмосферы. Тоже в ходе химических реакций.

Почему такие противоречивые идут оценки, что, является ли метан парниковым газом или, наоборот? Очень противоречивые.

Ну, как? Формально парниковым является, потому что инфракрасные полосы у него есть. Другое дело, что его вклад существенно меньше, чем СО2. Хотя второе место по парниковости, так если можно сказать, он всё-таки занимает. На третьем месте озон.

Ну, Титану как-то не очень это помогает при том, что метана много.

Ну, во-первых, мы не знаем, какой был бы Титан без атмосферы. Возможно ещё холоднее.

Ну, мы знаем, какие там рядом планеты находятся…

Да, но у планет есть собственные источники нагрева очень мощные, которых у Титана нет.

Вот вы сказали, что некоторые парниковые газы в атмосфере увеличились на 25%…

СО2 изменился в атмосфере, да.

Но наверное, это не только последствия деятельности человека, но и вулканов?

Ну, вулканы были всегда. Более того. Видите, очень, таких сильных извержений, как Кракатау, слава Богу, в 20-м веке не было.

А в процентном соотношении деятельность человека и вулканов?…

Смотря в чём. Если вы имеете в виду парниковые газы, парниковый эффект, то вулканы, вообще-то говоря, работают в минус. Ведь эта вулканическая пыль и аэрозоль, они уменьшают прозрачность атмосферы для оптики и, тем самым, уменьшают поток солнечного излучения. И вот этот эффект пришёл на ум ряду современных учёных, которые на полном серьёзе хотят сейчас не бороться с парниковым эффектом, а просто скомпенсировать его, искусственно выбросив серосодержащие соединения в стратосферу. Ну, к счастью, эта пока идея не проходит и не пройдёт. Потому что там очень печальные последствия будут и для озона, и для всего. Чтобы бороться, надо, конечно, не с парниковым эффектом, а сего причинами. То есть реально вулканы в этом плане вообще в другую сторону работают.

«Лекторий ЗС» 30.05.2013

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель