Определения высоты атмосферы


Богатый материал о состоянии высоких слоев атмосферы был полу­чен при изучении сумерек. Когда Солнце вечером опускается под гори­зонт и уже скрывается для глаз человека, находящегося на земной по­верхности, оно продолжает освещать более высокие слои земной атмо­сферы. То же самое, только в обратном порядке, происходит утром при: восходе Солнца. Рис. 22 поясняет сказанное. На этом рисунке пря­мая линия ГГ — горизонт наблюдателя, стоящего на поверхности Земли. Наблюдатель видит только то, что расположено выше этой линии. Когда Солнце опускается под горизонт (а), то его лучи затеняются земной по­верхностью и не попадают прямо в глаз наблюдателя: они касаются земной поверхности в точке К1, где Солнце в этот момент заходит. Луч, касающийся земной поверхности в точке К1 в то же время освещает земную атмосферу и проходит через точку Б; эта точка лежит на пересе­чении границы земной тени с верхней границей тропосферы — тропопаузой. Таким образом, этот момент является последним для освещения солнечными лучами тропосферы над наблюдателем, находящимся в точ­ке А. Для него еще остаются освещенными более высокие слои атмо­сферы. При этом сила освещенности падает, так как в этих высоких слоях воздух сильно разрежен.

Когда Солнце опускается еще ниже (б), его лучи освещают только еще более высокие слои атмосферы. В один какой-нибудь момент они будут касаться земной поверхности в точке К2. При этом луч Солнца до­стигает уже только верхней границы стратосферы над головой наблюда­теля А (точка Б).

Первая попытка определения высоты атмосферы таким образом была сделана еще в XIII веке. В дальнейшем этот метод был сильно развит и уточнен, особенно работами советских ученых — академика В. Г. Фесенкова и других.

Первый скачок в падении сумеречной освещенности неба совпадает с тем моментом, когда Солнце опустится на 8 градусов под горизонт (это конец так называемых гражданских сумерек). Он дает высоту слоя атмосферы в 9-11 километров, совпадающую с высотой тропосферы и отделяющей ее от стратосферы тропопаузы.

Второе резкое уменьшение сумеречной освещенности совпадает с опусканием Солнца под горизонт приблизительно на 18 градусов, это — граница так называемых астрономических сумерек. Высота освещенного слоя атмосферы в этом случае равна 80-90 километрам, то есть соот­ветствует высоте стратосферы.

Так как при переходе к каждому из этих слоев плотность атмосферы и количество в ней примесей заметно уменьшаются, то и освещенность должна падать «ступеньками». Так на самом деле и происходит — суме­речное освещение неба уменьшается тремя скачками. Так как мы точно знаем положение Солнца под горизонтом в каждый данный момент, то можем рассчитать высоту слоя, дающего каждый скачок.

Наконец, третий скачок сумеречной освещенности неба, совпадаю­щий с исчезновением последних следов голубой окраски, соответствует высоте слоя 200-220 километров. Эта высота близка к непосредственно измеренной толщине светлого ободка земной тени, видимого на лунном диске во время затмения Луны. Этот ободок вызывается тем слоем земной атмосферы, который еще достаточно плотен, чтобы рассеивать солнеч­ные лучи.

Таким образом, сумеречные наблюдения дают возможность достаточ­но надежно определить плотность разных слоев атмосферы и их физиче­ское состояние.

Сопоставляя все сказанное, мы должны прийти к выводу, что в стра­тосфере развиваются сильные и порою бурные явления. Известные нам уже сейчас факты рисуют картину, совершенно не похожую на ту, кото­рую представляли себе в начале XX столетия. Далеко не все еще доказа­но и ясно. Многое будет дополнено или опровергнуто новыми фактами и построенными на их основе теориями, но многое уже является несом­ненным.

Доказаны колебания высоты тропопаузы и обмен воздухом между тропосферой и стратосферой. Не вызывает сомнений наличие в воздухе стратосферы примесей. Несомненным является существование в страто­сфере ветров, меняющих свое направление и порою очень сильных. Ско­рость ветра отмечена до 100 и более метров в секунду (360-400 километ­ров в час) при общем переходе ветров от западных направлений в ниж­них слоях стратосферы к восточным в более высоких ее частях. Эти изме­нения происходят не только в течение года, но и в продолжение отдель­ных дней. Иногда ветер на двух соседних уровнях имеет разные направле­ния. Очевидны вертикальные движения воздуха, приводящие к образова­нию облаков как в нижних, так и в верхних слоях стратосферы. Темпера­турный режим стратосферы характеризуется не таким устойчивым пони­жением температуры с высотой, как в тропосфере, а нагреванием воздуха стратосферы за счет поглощаемой озоном солнечной энергии. Рост температуры от 30 до 50 километров в пределах от минус 50-60 градусов до плюс 40-50 градусов по Цельсию и новое падение к верхней границе стратосферы до минус 70-80 градусов подтверждается многочисленны­ми наблюдениями. Атмосферное давление в пределах стратосферы изме­няется в среднем от 226 миллибар у тропопаузы до 0,1 миллибара на высоте 90 километров.

Сопоставление всех этих данных, наряду с изучением изменения плотности воздуха с высотой, по отражению звука, метеорным и другим наблюдениям позволило довольно четко определить верхнюю границу стратосферы. Она лежит на высоте около 80-90 километров. Здесь мы находим аналогичный тропопаузе переходный слой — стратопаузу, отделяющую стратосферу от следующего атмосферного слоя — ионосферы.