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. На 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.