Юрий Мизун - Тайны будущего. Прогнозы на XXI век

Кроме аэрозолей, в атмосфере содержатся крупные частицы пыли и воды, ледяные кристаллы. Все эти примеси играют весьма важную роль в атмосферных процессах или в формировании погоды. Частицы воды, например, служат ядрами, на которых начинается конденсация водяного пара в атмосфере. Поэтому они необходимы для образования тумана, облаков и в конце концов элементов осадков (капель дождя, снежинок и т. д.).

Наличие аэрозолей в атмосфере делает ее менее прозрачной, мутной. Через нее труднее проходит солнечное излучение. Аэрозоли малых размеров сохраняются в атмосфере очень долго. За это время они успевают переноситься воздушными течениями на огромные расстояния. В условиях более сильного перемешивания атмосферы аэрозоли забираются на большие высоты и опускаются, когда процесс перемешивания замедляется. Поэтому ночью, когда атмосферный газ перемешивается менее эффективно, слой аэрозолей находится ниже, чем днем. Процесс распределения аэрозолей по высоте и вообще в пространстве сложен и определяется многими факторами.

Основными составляющими атмосферы, являющимися примесями с малым содержанием, являются сернистый газ (О), окис-лы азота, аммиак (Н), метан (СН), угарный газ (СО), озон, а также различные органические соединения. Несмотря на то, что этих примесей относительно всей массы воздуха немного, они очень существенно могут влиять на условия на Земле. Так, например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере от 0,029 в 1900 г. до 0,0334 % в 1979 г. привело к заметному увеличению средней температуры атмосферы в приземном слое. Если увеличение содержания углекислого газа будет продолжаться и дальше, то из-за роста температуры может создаться критическая ситуация вследствие таяния льдов Гренландии и Антарктиды. В результате сильно повысится уровень Мирового океана и многие прибрежные города на земном шаре окажутся под водой.

Углекислый газ поглощает и переизлучает часть инфракрасного излучения, которое испускается земной поверхностью. Если его станет больше, то Земля будет продолжать поглощать то же самое количество солнечного излучения, а излучать в окружающую среду будет меньше. Значит, ее температура повысится.

Пыль и другие частицы, которые попадают в атмосферу при извержении вулканов и от других источников загрязнения, также способны повлиять на температуру земной поверхности и приземного слоя воздуха. Чем их больше, тем они сильнее задерживают солнечное излучение и тем самым приводят к уменьшению температуры планеты.

Бытует представление, что очень полезно «подышать озоном». Поэтому многих удивит, что озон является ядом в том случае, если его содержится в воздухе больше определенной (очень малой!) его части. Озон образуется в приземном слое воздуха в результате деятельности промышленности и автотранспорта. Окислы азота и несгоревшие углеводороды газов, взаимодействуя под влиянием солнечного излучения, создают густую дымку (фотохимический смог). В одном кубическом метре этого смога содержится до 1 мг озона. Этот смог опасен. Он поражает растительность, раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз, отрицательно влияет на земную флору и фауну. К сожалению, в настоящее время «озонный смог» наблюдается во многих крупных городах мира.

В природе происходит бесконечно повторяющийся круговорот веществ. В нем участвуют и составляющие воздуха — азот, кислород и углекислый газ. Когда азот находится в газообразном состоянии, он является мимически инертным газом. Но в соединениях, которые называют нитратами, он играет важную роль в обмене веществ в животном и растительном мире. Нитраты создаются растениями, бактерии которых захватывают свободный азот из воздуха. Животные, питаясь растениями, потребляют нитраты. Зеленые растения извлекают углекислый газ из воздуха и с помощью фотосинтеза освобождают кислород. Оценки показывают, что вся растительность земного шара использует за год около 550 млрд. тонн углекислого газа. При этом они освобождают кислород в количестве примерно 400 млрд. т. Углекислый газ поступает в атмосферу, когда растения сгорают или гниют, когда дышат люди и животные, когда испаряются минеральные источники и извергаются вулканы. Продолжительность полного цикла для каждого газа разная. Так, углекислому газу требуется в среднем от одного до трех лет, кислороду — три тысячи лет, а азоту — все сто миллионов лет.

Чем выше в горы мы поднимаемся, тем становится холоднее. Если же мы поднимемся на самолете на высоту в 9 км, то там (за бортом) температура вообще упадет до минус 40–50 °C. Что же выше? До каких пор температура будет уменьшаться по мере нашего подъема вверх? Ясно, что для дальнейшего подъема нам придется пересесть из самолета в ракету. Но при этом надо не забыть прихватить термометр для измерения температуры воздуха. Будем совершать наш подъем на ракете в средней полосе летом, когда температура воздуха на Земле достигает +27 °C. Мы выбрали такую температуру не только потому, что она реальна в этих условиях, но и потому, что она соответствует круглому числу градусов по шкале Кельвина, а именно 300°К. Это не принципиально, просто более удобно. По мере нашего подъема на каждый километр температура уменьшается на 6,5°. Вдруг на высоте около 12–13 км температура перестает уменьшаться. Это мы достигли нижней части озонного слоя, этого запасника тепла в атмосфере. Здесь и находится озонопауза. Эта область атмосферы, в которой температура падает с высотой, была названа тропосферой. Слово «тропо» означает изменчивый. Это относится к температуре.

Высотный ход температуры атмосферы исследовался задолго до изобретения ракет и самолетов. Изучение температуры атмосферы началось в середине XVIII в. Для этого поднимали термометры на воздушных змеях. В конце XVIII в. термометры стали поднимать на воздушных шарах. И это было очень даже эффективно. Так, хорошо известный физик и химик Жозеф Гей-Люссак в 1804 г. совершил два подъема на воздушном шаре. Во втором подъеме он достиг высоты 7 км. Эти подъемы были очень информативны. Ученый не только измерял температуру воздуха на разных высотах, но и его влажность, а также забирал пробы воздуха на разные уровнях. Анализ этих проб воздуха и позволил впервые заключить, что на этих высотах состав воздуха остается постоянным. С увеличением высоты уменьшается только его плотность.

В том же 1804 г. полет на воздушном шаре совершил русский академик Я. Д. Захаров.

В дальнейшем эти исследования проводились регулярно. Особенно массовыми они стали во второй половине XIX в. Была достигнута рекордная высота — 11,2 км. Это сделал английский метеоролог Джеймс Глайшер. На воздушном шаре с целью исследования атмосферы в 1887 г. поднялся великий русский химик Д. И. Менделеев. Таким образом, с помощью шаров-зондов удалось «прощупать» всю тропосферу.