Атмосфера

Атмосфера, в широком смысле, название всякого газообразного вещества, занимающего известное пространство, в котором происходят какие-либо явления. Поэтому говорят: А. озона, А. кислорода и т. д. В более узком смысле название А. дают газообразной оболочке небесных тел, а в том числе и земли. Такая ли А. на остальных планетах, на солнце и на луне, как и на земле, до сих пор неизвестно. А. земли со всех сторон облегает земной шар в виде газообразного слоя, который кверху постепенно разрежается; она состоит из атмосферного воздуха, водяных паров и атмосферной пыли. Высоту и верхнюю границу А. точно определить невозможно, потому что воздух непрерывно разрежается по мере удаления от земли, и, с увеличением высоты - в арифметической прогрессии, давление А-ы уменьшается в геометрической прогрессии, т. е. чем выше, тем медленнее. Относительно верхних слоев А. возможны два воззрения: 1) А. земли, постепенно разражаясь, на известной высоте имеет свой предел, и тогда действительно можно говорить о высоте и верхней границе А., и 2) междупланетное пространство выполнено веществом в состоянии крайнего разрежения, и это вещество у поверхности планет уплотняется, образуя более или менее мощные слои А., и вопрос в том, на какой высоте встречается известная плотность воздуха или давление А. На уровне моря давление А. в среднем равняется весу слоя ртути толщиною в 760 миллиметров или 10.333 килограмм (630 пудам) на каждый квадратный метр. Вес всей А. земли равен 52×10¹⁴ тонн, но вес земного шара приблизительно в 100.000 раз больше веса А. Вес каждого кубического метра воздуха при давлении 760 мм. равен 1293 граммам. Исходя из законов Мариотта и Гэй-Люссака, выводится формула, выражающая изменение давления с высотою; она дает возможность, зная температуру, влажность, барометрическое давление внизу, а также закон уменьшения температуры и влажности с высотою, вычислять давление А. для любой высоты. Так, напр., на высоте 10 км. давление А. равно 199,2 мм., 20 км. - 42,2 мм., 50 км - 0,32 мм. и 100 км - 0,02 мм. По этой же формуле легко вычислить, что до высоты 5¹/₂ км. находится половина всей массы А., а выше 18¹/₂ км. только ¹/₁₀ массы А. Толщину А. непосредственно определяли разными способами, но они дают высоту лишь тех слоев, которые настолько плотны, что могут играть ту или другую роль. Поэтому результаты расходятся. Наибольшая высота облаков составляет 13 км., следовательно, толщина А. не менее 13-ти км. Слои А., деятельные в явлении сумерек и зари, наблюдаются на высоте от 60 - 80 км., следовательно, на этой высоте настолько плотны, что могут еще рассеивать некоторое, достаточное для глаза человека, количество света. Так называемые серебристые облака, которые наблюдались в 1885-87 гг., находились в А. на высоте 84 км. Загорание метеоритов в атмосфере земли ("падающие звезды") наблюдается на высотах до 300 км. - Бёдикер во время лунного затмения 28 января 1888 г. нашел, что уменьшение лучеиспускания началось за 3 минуты до вступления луны в тень земли, - что указывает на существование земной А. толщиною не менее 300 км. - Северное сияние наблюдалось на высотах от 58 до 227 км., если принять во внимание более точные определения. Собирая в одно целое вышеизложенные данные, мы приходим к заключению, что для разных явлений наблюдается толщина А. различно, даже до 300 км.

Из физических свойств А. рассмотрим поглощение и теплопроводность. А. земли обладает избирательной поглощательной способностью относительно света и тепла; она поглощает солнечные лучи определенной длины волны, и на месте их в спектре солнца являются темные линии, холодные линии и холодные полосы. Сильнее всего поглощается фиолетовый конец спектра (больше половины), а лучи из красного конца и темного инфракрасного А. мало задерживаются (не более ¹/₁₀). В процессе поглощения тепловой солнечной энергии весьма важную роль играет водяной пар, а также углекислота и атмосферная пыль. С другой стороны А. есть мутная среда, обусловливающая собою рассеяние солнечной энергии, вследствие чего А. является для нас как бы оболочкой, излучающей свет и тепло. Рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны, и поэтому фиолетовые лучи рассеиваются А-ою сильнее желтых и красных. - Избирательным поглощением и рассеиванием в А., где мельчайшие частицы образуют мутную среду, объясняется голубой цвет неба и цветовые явления при восходе и закате солнца. - Теплопроводность А. имеет важное значение в метеорологии. Газы принадлежат к дурным проводникам тепла и отличаются малой теплоемкостью. Лучи, исходящие из тел сравнительно низкой температуры (поверхность земли), сильно поглощаются А., в этом отношении А. образует как бы оболочку, предохраняющую земную поверхность от сильных охлаждений, и, по своим свойствам, сходна с действием стеклянных окон, которыми покрывают оранжереи и парники: они хорошо пропускают солнечную энергию и задерживают темную радиацию. Поэтому температура на поверхности земли выше, чем в мировом пространстве, где она составляет около -150° Ц. В А. температура понижается с высотою обыкновенно от 0,4° до 0,7° на каждые 100 метров. Над средней Европой на высоте 3 км. температура ниже 0°, на высоте 6 км. она составляет - 22°, 8 км. -36°; 10 км. -50°. Начиная с высоты 10 км. годовые колебания температуры весьма незначительны, и сама температура с высотою не падает (изотермический слой), а несколько выше заметно даже небольшое повышение ее (слой инверсии). На высоте 29 километров температура была -63°. Самая низкая температура А. (-85,6°) наблюдалась на высоте 15 км.

Атмосферный воздух состоит из механической смеси азота, кислорода, аргона и других химических элементов и соединений. По закону Дальтона каждый газ распространяется так, как если бы ему был предоставлен весь объем. Поэтому главные составные части А., основные газы - азот, кислород и аргон, отличаются значительным постоянством состава, не считая, конечно, случайных местных влияний. До 1774 г. атмосферный воздух считался простым телом, одним из четырех элементов того времени (огонь, вода, земля и воздух). В 1774 г. Пристлей и Шееле открыли кислород, причем Шееле нашел, что воздух состоит из двух отдельных газов: из кислорода и из какого-то другого газообразного тела, получившего впоследствии название азота. В том же 1774 г. Бергман открыл в А. присутствие углекислоты, которую принимал за простое тело, как и Гельмонт открывший углекислоту (под названием Gas sylvestre) еще в 1664 г. В конце XVIII и в начале XIX столетия химики определяли разными эвдиометрическими способами только количество кислорода в воздухе, предполагая, что только он важен для жизни человека и животных. В 1774 г. Шееле нашел в воздухе ⁵/₁₆ кислорода по объему, в 1780 г. Вольта 20,8%, и в 1790 г. Де Марти 21%. В настоящее время нормальным количеством кислорода считают 21,00% по объему воздуха, освобожденного от водяных паров, атмосферной пыли и прочих примесей. Процентное содержание кислорода с высотою почти не изменяется: Буссенго нашел, что с увеличением высоты А. количество кислорода уменьшается, но результаты Гэй-Люссака и Леви приводят к выводу, что процентное содержание кислорода на всех высотах почти одинаково, что и подтверждается анализами последнего времени. Пробы воздуха, принесенные автоматическим прибором Кальете, поднятым на шаре-зонде 18 февраля 1897 г. до высоты 15.000 метров, дали 20,79% кислорода (теоретически предполагался меньший %). Анализы Буссенго, Дюма, Леви, Браве, Мартинса, Бруннера и др. в Париже, на Немецком море, в Южной Америке, на Атлантическом Океане, в Швейцарии, Дании, в пределах точности наблюдений, свидетельствуют о постоянстве содержания кислорода (следовательно и азота) в А. в разных местностях. Оно также не меняется с временами года, но днем и ночью замечается небольшая разность, а именно, ночью содержание кислорода на 0,1% меньше, чем днем. Далее, было замечено, что во время антициклон. воздух содержит больше кислорода, чем при циклонах, и объяснили это нисходящими и восходящ. течениями А. Впрочем, причины изменений содержания кислорода в А. весьма сложны и должны быть связаны с целым рядом процессов и факторов, как физической, так и органической жизни нашей планеты. В одном месте могут преобладать процессы окисления над процессами восстановления кислорода, в другом месте - наоборот, а то и другое изменяет процентное отношение кислорода в А.

Главную массу А. составляет азот, а именно, в сухом и чистом воздухе 78% по объему или 75¹/₂% по весу. До недавнего времени (1894) количество азота принималось равным 79% по объему и 77% по весу. Лорд Рели и проф. Ремси при абсолютных определениях атомных весов химических элементов обратили внимание на некоторые аномалии при определении атомного веса азота в зависимости от источника его и нашли, что эти аномалии обусловлены примесями к азоту из А-ы новых, до той поры химии неизвестн., газообразных элементов в А-е: аргона, неона, криптона, ксенона и гелия. Отличительным свойством этих новых "благородных" газов является отсутствие химического сродства к какому бы то ни было химическому элементу. В настоящее время принимают, что чистый и сухой атмосферн. воздух имеет следующий состав:

При повышении температуры из жидкого атмосферного воздуха выделяются сперва элементы с низкими точками кипения, как водород и неон; из главных составных частей (азот и кислород) азот имеет более низкую точку кипения, и поэтому из жидкого воздуха сперва испаряется азот, а затем кислород. Понятно, что жидкий воздух содержит больше кислорода (около 50%), чем газообразный. Вышеупомянутые газы в А. находятся не в химических соединениях, а в простом лишь смешении. Кроме них А. содержит еще 0,03% углекислоты (СО₂, плотность 22,01, точка кипения - 80° или 193° абсолютной температуры), небольшое количество аммиака (NH₃), азотной кислоты (NHО₃), озона (аллотропическ. состояние кислорода), перекиси водорода, воды во всех трех агрегатных состояниях, всякого рода атмосферной пыли, бактерий, плесневых грибков и проч., не говоря о случайных и местных примесях.

Количество углекислоты по наблюдениям Бергмана в 1774 г. оказалось очень значительным, но его способы определений оказались неточными. При каждом более совершенном способе наблюдений получалось и новое число для процентного содержания углекислоты в А., и всегда менее предыдущего. Так, напр., нашли: Гелер - 10%, Шееле (1782) - 6%, Пристлей (1783) - 2%, Гиртаннер (1801) - 1%, Паррот - 0,5%, Гумбольдт - от 0,5 до 1,8%, Томсон - 0,1%, Дальтон - 0,05%, Соссюр - от 0,04 до 0,07%, Буссенго и Леви - 0,04%, а по новейшим определениям - в среднем 0,03%. Содержание углекислоты подвержено значительным колебаниям в зависимости от времени года и суток, высоты над уровнем моря, разных географических и метеорологических условий, растительности и пр. Посреди суши суточные и годов. колебания объясняются жизнедеятельностью зеленых растений под действием солнечных лучей, разлагающих углекислоту воздуха на углерод и кислород, причем растения усваивают углерод, а кислород выделяется и распространяется в А., чем и объясняются колебания не только углекислоты, но также кислорода в А. Кроме того углекислота расходуется морями и океанами, воды которых поглощают около 83% всей вновь образующейся углекислоты. По наблюдениям обсерватории Монсури в Париже, летом и днем углекислоты в А. меньше, чем зимою и ночью. С апреля по сентябрь днем количество углекислоты в 100 куб. метрах воздуха на 1,4 литра меньше, чем ночью. На о-ве Гаити наблюдали днем 27,0 литров, а ночью 29,2 литр. в 100 куб. метр. воздуха. Посреди океана суточные колебания количества углекислоты имеют обратный характер: максимум днем, минимум ночью, что объясняется влиянием температуры на выделение газа из морской воды. Углекислота совершает в А. круговорот; в одном месте она выделяется или образуется, а в другом месте потребляется и поглощается. Она является результатом разнообразных процессов, совершающ. на земной поверхности и в А., каковы: вулканич. извержения, выделение углек. из почвы, гниение, горение, различные химические процессы, процессы дыхания людей и животных. Взаимодействием этих процессов поддерживается то равновесие, которое выражается современным средним содержанием углекислоты, а колебания содержания этого газа в А. зависят от места и времени прихода и расхода. В городах, в закрытых помещениях при скоплении людей или животных, количество углекислоты поразительно возрастает, как видно, наприм., из опыта проф. Вериго в одной из гимназий в Одессе. Он нашел в классе после первого урока 33, а после 3-го урока 63 литра углекислоты в 100 куб. метр. воздуха. Углекислота, как и водяной пар и атмосферная пыль, сильно влияет на теплопрозрачность А. В прежние геологические эпохи, когда А. получала избыток углекислоты или значительно очищалась от нее при выделении кислор., происходили значительные изменения климата, а также в животном и растительном мире, так как кислород и углекислота активные газы А-ы и постоянно участвуют во всех процессах в жизни нашей планеты.

Постоянство состава А. с высотою изменяется, и в верхних слоях состав А. до послед. времени предполагался по теоретическим соображениям следующий (в %% по объему):

На высоте 100 клм. А. состоит из водорода (99¹/₂%) и ¹/₂% гелия.

В А. заключается некоторая доля аммиака (NH₃) и азотная и азотистая кислоты. Обыкновенно определяют количество азота, входящего в эти химическ. соединения, кот. выпадают из А. дождем, преимущественно в начале дождя. В течение года в обсерватории Монсури на десятину выпадает более 10 килограммов аммиачного азота и 4 килограмма азота в азотной и азотистой кислотах. Наблюдения в Англии и Шотландии показывают, что в городах выпадает с дождем больше аммиака и кислот азота, чем в деревнях. В А. находится очень небольшое колич. сильно окисляющих веществ, озона и перекиси водорода, которые образуются при электрических разрядах. Еще Шенбейн в Базеле в 1840 г. нашел, что воздух после грозы содержит 2-3 миллиграмма озона в 100 куб. метр. Исследования московского професс. Шене показали, что из упомянутых окислителей зимою преобладает озон, а летом перекись водорода. В городах озона меньше, чем в деревнях и горах. В жидком состоянии озон синего цвета; его точка кипения - 125°, или абсолютная температура 148°. Плотность озона в 1¹/₂ раза больше плотности кислорода. Так как озон и кислород после сжижения имеют синий цвет, то этим некоторые геофизики объясняют голубой цвет неба, взгляд, впрочем, неправильный.

Частицы морской воды уносятся воздушными течениями на значительные расстояния; на пути они испаряются, оставляя в А. различные вещества, которые были в них растворены. Таким образом может быть объяснено присутствие в атмосфере брома, йода, хлористого натрия и т. д.

В А. всегда находится вода в твердом, жидком и парообразном состоянии; она составляет наиболее подвижную и неустойчивую составную часть земной А. Она находится непрерывно в стадии преобразования, то в стадии таяния и испарения, то в стадии замерзания, сгущения и оседания. Количество воды в А. постоянно изменяется в весьма широких пределах. В твердом состоянии она встречается в виде ледяных кристаллов, снега, града, крупы, ледяного дождя и тумана, перистых облаков до высоты 13 км.; в жидком состоянии она образует капли разных размеров, из которых самые мелкие плавают в А. в виде тумана или облаков, а более крупные выпадают в виде дождя. В парообразном состоянии вода имеется в А. везде и всегда, только в разных количествах в зависимости от температуры воздуха, направления ветров, распределения суши и морей, изобарических систем и пр. Температура воздуха самый важный фактор влажности, но она определяет только высший предел количества водян. паров, насыщающего воздух. В одном кубическом метре воздуха может быть водяных паров: 50,6 граммов при 40°Ц; 30,0 гр. при 30°; 17,1 гр. при 20°; 9,3 гр. при 10°; 4,8 гр. при 0°; 2,4 гр. при -10°; 1,1 гр. при -20°; 0,5 гр. при -30°; 0,2 гр. при -40°. Так как температура воздуха уменьшается с высотою, то и количество водяных паров должно уменьшиться. До высоты 2000 метров находится ¹/₂ всех водяных паров, а выше 6000 метр, только ¹/₁₀. Водяной пар не может распространяться по вертикальному направлению, по закону диффузии Дальтона и образовать самостоятельную А., как другие составные части А., напр. азот и кислород, потому что температура кладет известные пределы для распространения подобной А-ы.

Важную роль в физической жизни А. играет атмосферная пыль, постоянно взвешенная в А. и образующая своего рода постоянную пылевую А. Она образуется из мелких обломков, неорганических и органических, поднятых ветром и восходящими токами, вулканической пыли, организованных тел (бактерии, плесень) и пыли космического происхождения. Число частиц огромное, особенно в замкнутых помещениях. Наблюдения с аппаратом Айткина дали следующие результаты. Число пылинок в каждом кубическом сантиметре воздуха составляло: 32.000 после дождя, а после сухой погоды - 130.000; в комнате с двумя газовыми рожками, на высоте 1,2 метра над полом - 1.860.000, вблизи потолка - 5.420.000; в воздухе над пламенем бунзеновской горелки - 30 миллионов пылинок в каждом куб. сантиметре. Морской и горный воздух беден пылью, и поэтому мало пылинок на море, на большой высоте в горах, при нисходящих токах и при ветрах, дующих с океана. На горе Риги нашли в каждом кубическом сантиметре при ветре, дующем с гор, от 421 до 1.305 пылинок, а при ветре, дующем из населенных месть, от 1.092 до 5.755. В Париже нашли на башне Эйфеля от 226 до 104.000, а внизу от 160.000 до 210.000 пылинок. Дождь и снег промывают воздух, и после них количество пылинок немного меньше. После вулканических извержений, обширных пожаров, бурь в степях и пустынях присутствие большого количества пыли в А. изменяет ее прозрачность, рассеивающую способность, интенсивность дневных нагреваний и ночных охлажденный в нижних слоях А. Атмосферной пыли, в недавнее время, приписывали особенно важную роль при сгущении водяных паров в А., т. е. при образовании тумана, облаков и осадков, и была высказана мысль, что без атмосферной пыли нет осадков. Предполагали, что микроскопические пылинки безусловно необходимы для образования дождя: каждая пылинка является ядром, около которого происходит сгущение паров. Хотя это крайнее воззрение не подтвердилось, тем не менее, отсутствие пыли в А. значительно задерживает процесс сгущения водяных паров.

Кроме атмосферной пыли, органической и неорганической, в А. находятся бактерии и плесневые грибки. На площади St. Gervais в Париже в каждом куб. метре воздуха нашли в среднем выводе 7.290 бактерий и 2.165 плесневых грибков; в июле нашли 11.540 бактерий и 2.740 плесн. грибков, а в феврале - 3.425 бактерий и 1.730 плесневых грибков. Их число быстро уменьшается при переходе к океанам и к полярным странам. См. также ветер, испарение, гидрометеоры, облака.

Э. Лейст.

Источники:

1. Энциклопедический словарь Русского библиографического института Гранат. Том 4/11-е стереотипное издание, до 33-го тома под редакцией проф. Ю. С. Гамбурова, проф. В. Я. Железнова, проф. М. М. Ковалевского, проф. С. А. Муромцева и проф. К. А. Тимирязева- Москва: Русский Библиографический Институт Гранат - 1924.