Небо над головой мы видим постоянно и поэтому редко задумываемся о том, как оно устроено. Да и какое там может быть устройство: днем — облака и солнце, ночью — звезды и луна. Все давно знакомо, все находится на своих местах. Что тут может быть сложного?
Но смотрим мы на небо, находясь в самой нижней части атмосферы. Представьте жильца первого этажа, который никогда не поднимался по лестнице и судит обо всем доме только по собственной квартире. Примерно так же устроены и наши отношения с атмосферой: мы живем внутри нее, дышим ее воздухом, наблюдаем облака и погоду, но почти не замечаем, что находится выше.
А выше расположены еще четыре этажа. И с каждым лестничным пролетом этот дом становится все более странным. На одном этаже холодно, на следующем становится тепло. Один наполнен движением и жизнью, другой почти пуст. Давайте же поднимемся по этим пяти этажам атмосферы — от нашей привычной жизни у поверхности Земли до почти полного вакуума — и посмотрим, как знакомое каждому небо постепенно превращается в космос.
Тропосфера — беспокойный этаж
Чтобы попасть на первый этаж атмосферы, нам не придется никуда подниматься: мы уже на нем живем. Тропосфера начинается у самой поверхности Земли: в ней стоят наши дома, растут леса, летают птицы и движутся почти все облака, которые мы видим.
Это самый беспокойный этаж атмосферного дома. Здесь воздух непрерывно перемещается, смешивается, нагревается и остывает. Здесь зарождаются ветры, идут дожди, бушуют грозы и собираются циклоны. Почти вся вода, которая существует в атмосфере в виде пара, капель и ледяных кристаллов, тоже находится здесь. Поэтому вся погода, на которую мы жалуемся или которой радуемся, — это жизнь первого этажа.
Обогревается он снизу. Солнечные лучи проходят через воздух и нагревают землю и воду, а уже от них становится теплее воздуху. Получается что-то вроде теплого пола в нашем условном доме: внизу, у самой поверхности он теплый, а чем выше, тем слабее ощущается тепло. Вот почему на вершине высокой горы может лежать снег, хотя до Солнца там немного ближе, чем у ее подножия.
И, кстати, привычный всем голубой цвет неба тоже появляется благодаря воздуху этого этажа. Солнечный свет только кажется белым — в нем соединено множество цветов. Молекулы газов, из которых состоит воздух, гораздо лучше рассеивают голубую и фиолетовую часть света, чем красную. Но наши глаза чувствительнее к голубому, поэтому именно в него и окрашивается дневное небо. Если бы вокруг Земли не было атмосферы, даже днем над нами оставалась бы чернота.
О толщине. Она у тропосферы разная — над полюсами составляет примерно восемь километров, а над экватором доходит до восемнадцати. В среднем ее верхняя граница проходит примерно в двенадцати километрах над Землей. Как раз около этого уровня летают пассажирские самолеты: большинство облаков остается ниже, сопротивление воздуха становится слабее, а полет обычно проходит спокойнее, чем у поверхности.
Стратосфера — тихий этаж
Над тропосферой находится стратосфера, которая простирается примерно до пятидесяти километров над Землей. Привычной нам погоды здесь почти нет: грозы, дожди и большая часть облаков остаются внизу. Воздух перемешивается гораздо слабее, поэтому стратосфера заметно спокойнее тропосферы.
Люди начали подниматься сюда почти сто лет назад. В январе 1934 года советский стратостат «Осоавиахим-1» достиг рекордной для своего времени высоты — около двадцати двух километров. За стенками герметичной гондолы стоял сильный мороз, воздуха не хватало для дыхания, а давление было опасно низким. Подъем завершился успешно, но при возвращении стратостат стал снижаться слишком быстро, его конструкция разрушилась, и трое членов экипажа — Павел Федосеенко, Андрей Васенко и Илья Усыскин — погибли.
Сегодня в стратосферу поднимаются высотные парашютисты. В 2014 году американец Алан Юстас совершил рекордный прыжок с высоты более сорока километров. Температура там оставалась далеко ниже нуля, поэтому его герметичный костюм не только снабжал парашютиста кислородом и поддерживал необходимое давление, но и защищал от холода.
После таких историй легко представить всю стратосферу огромной морозильной камерой, в которой чем выше, тем холоднее. У ее нижней границы температура действительно держится около минус пятидесяти градусов. Но затем мороз начинает отступать, и у верхней границы воздух прогревается почти до нуля.
Причина этого парадокса — знакомый всем озоновый слой, об истончении которого много говорили в связи с фреонами из холодильников и аэрозольных баллончиков. Его название немного сбивает с толку: это не отдельный слой внутри стратосферы, а широкая область, где озона содержится больше, чем где-либо в атмосфере.
Озоновый слой можно назвать солнцезащитным экраном Земли. Он поглощает значительную часть опасного ультрафиолета, не позволяя ему достигать поверхности планеты. Но поглощенная энергия не исчезает, а превращается в тепло и нагревает воздух стратосферы. Поэтому в нижней ее части сохраняется сильный мороз, а с высотой температура постепенно растет.
Мезосфера — холодный этаж
Над стратосферой, на высоте примерно от пятидесяти до восьмидесяти пяти километров, находится мезосфера. Хотя она ближе к Солнцу, теплее здесь не становится: озона уже мало, другие газы поглощают совсем немного солнечной энергии, и большая часть излучения проходит дальше. Поэтому температура с высотой снова падает и у верхней границы мезосферы достигает примерно минус девяноста градусов — это самое холодное место во всей атмосфере.
Мезосфера остается самым труднодоступным ее участком. Для самолетов и воздушных шаров воздух здесь уже слишком разрежен, а для спутников еще слишком плотен: его сопротивление не позволит аппарату удержаться на орбите. Поэтому ученые отправляют сюда исследовательские ракеты, которые успевают провести измерения лишь за несколько минут полета.
Зато именно здесь вспыхивают падающие звезды. Никакая звезда при этом, конечно, не падает: яркую черту в небе оставляют камни, прилетевшие из космоса. На огромной скорости они врезается в атмосферу, раскаляются и чаще всего разрушаются, не успев достичь Земли. С поверхности же мы видим лишь короткую вспышку, прочертившую ночное небо.
В мезосфере появляются и самые высокие облака на Земле — серебристые. Они состоят из мельчайших кристалликов льда и находятся так высоко, что солнечные лучи продолжают освещать их даже после наступления ночи у поверхности. Поэтому на темном небе они выглядят как тонкие серебристые волны, которые словно светятся изнутри.
Термосфера — просторный этаж
Термосфера начинается примерно в восьмидесяти пяти километрах над Землей и простирается на сотни километров вверх. По сравнению с нижними слоями атмосферы это огромный и почти пустой этаж: атомы воздуха встречаются здесь крайне редко.
Тем не менее ученые называют термосферу самым горячим слоем атмосферы. Температура в ней может превышать тысячу градусов, но человек не сгорел бы от окружающего воздуха. Чтобы понять этот парадокс, представьте огромный школьный спортзал, по которому изо всех сил бегают пять человек. Каждый из них движется быстро, но их слишком мало, чтобы нагреть весь зал.
Примерно то же происходит в термосфере. Солнечные лучи разгоняют редкие атомы воздуха до огромных скоростей, а по скорости их движения ученые и определяют температуру. Однако атомов здесь так мало, что передавать тепло почти некому. Поэтому по расчетам термосфера раскалена, а настоящего жара, как возле печи или в летний полдень, в ней нет.
Именно в термосфере возникают полярные сияния, здесь же летают МКС и множество искусственных спутников. И хотя воздуха на такой высоте почти нет, даже его остатков достаточно, чтобы понемногу тормозить космические аппараты. Особенно заметно это по МКС: время от времени станцию приходится поднимать на нужную высоту с помощью двигателей.
Экзосфера — этаж без крыши
Последний этаж атмосферы называется экзосферой. Она начинается на высоте нескольких сотен километров и простирается еще на тысячи километров. Воздух здесь окончательно исчезает в привычном для нас понимании: остаются лишь отдельные атомы, главным образом водорода и гелия.
Они находятся так далеко друг от друга, что почти не сталкиваются и свободно летают каждый сам по себе. Некоторые возвращаются к Земле, а другие покидают ее навсегда и уходят в космическое пространство. Такой редкий воздух почти не мешает движению, поэтому в экзосфере проходят орбиты многих искусственных спутников. Через нее пролетают и аппараты, направляющиеся к Луне, Марсу и другим небесным телам, хотя для них это лишь короткий отрезок долгого пути.
На этом наше путешествие по пяти этажам атмосферы заканчивается. Крыши у «небесного» дома не оказалось: экзосфера принадлежит сразу двум мирам — она еще окружает Землю, но уже постепенно растворяется в межпланетной пустоте. Именно здесь небо и превращается в космос.
Теперь пора ненадолго вернуться на Землю, чтобы после короткой передышки отправиться дальше — к звездному небу. Для этого не понадобятся ни стратостат, ни скафандр: достаточно ясной ночи и одного надежного ориентира — ковша Большой Медведицы: 👇
