Происхождение атмосферы тесно связано с происхождением Земли. Еще в те времена, когда Земля представляла собой расплавленный шар, она, вероятно, была окутана плотной оболочкой космических газов, в том числе и водорода, количество которого с удалением от Земли постепенно убывало. По мере того как расплавленное ядро покрывалось твердой кристаллической корой, выделялись углекислый газ, азот и водяные пары, образуя атмосферу, по составу похожую на газовые выделения вулканов. Дальнейшее охлаждение, вероятно, привело к выпадению из атмосферы водяного пара, что происходило в виде осадков, и на сегодняшний день он составляет менее 4% всего объема атмосферы. Содержащийся в атмосфере кислород начал вырабатываться зелеными растениями уже позже, как побочный продукт образования углерода при соединении воды с двуокисью углерода.
Подогрев снизу
Примерно до высоты 50 км атмосфера удивительно однородна и состоит из смеси газов, каждый из которых находится в своем природном состоянии. Углекислый газ, водяной пар и озон, хотя и составляют незначительную часть объема атмосферы, играют жизненно важную роль в поглощении солнечной и земной радиации, обеспечивая этим жизнь на Земле. Под действием силы тяжести эта однородная смесь газов сжимается и у земной поверхности достигает максимальной плотности – до 1,2 кг/м3; среднее давление атмосферы здесь составляет 1013 миллибар (мбар), т.е. примерно 1 кг/см2. На высоте 16 км давление уменьшается до 100 мбар (0,1 кг/см2), а плотность составляет 11% от плотности на уровне поверхности океана. Почти все входящие в состав атмосферы газы беспрепятственно пропускают солнечную радиацию. К счастью, на высоте 24 км сконцентрировано небольшое количество озона (отмечается он до высоты 50 км), который задерживает большую часть губительных для жизни ультрафиолетовых лучей. Если бы весь озон собрать у земной поверхности, толщина его слоя составила бы всего 0,25 см. Только 46% солнечной радиации, достигающей атмосферы, поглощается в виде тепла твердой поверхностью Земли. Большая часть рассеивается, отражается и поглощается нижними плотными слоями атмосферы. Такое привнесение энергии повышает среднюю температуру земной поверхности до 14°С. Поскольку это значительно меньше, чем 5700°С на поверхности Солнца, Земля излучает тепловую энергию в основном в виде более длинных инфракрасных (или горячих) волн; в нижних слоях атмосферы эти волны поглощаются двуокисью углерода, водяными парами и облаками. Таким образом, атмосфера нагревается снизу, а не сверху, как это можно было бы предположить. Поэтому с высотой тепло теряется, а оставшееся внизу снова поглощается Землей. В конечном итоге баланс сохраняется – Земля отдает столько же тепла, сколько получает с солнечной радиацией.
Распределение температур
Благодаря подогреву снизу в приземном слое атмосферы температура с высотой падает. В этом слое (тропосфере), толщина которого в приполярных областях 8 км и над экватором 10-19 км, заключено 80% всей массы атмосферы. Для тропосферы характерно увеличение с высотой скорости ветра, большая влажность на нижних уровнях и значительные вертикальные перемещения воздуха – все то, что определяет погоду. Граница между тропосферой и расположенной над ней стратосферой носит название тропопаузы.
В нижней части стратосферы температура, в сущности, постоянна, но для этих слоев характерна своя циркуляция воздуха и большие скорости воздушных потоков; этим обычно пользуются пилоты, конечно, если им с ветром по пути. В верхних слоях стратосферы, выше 25 км, температура постепенно увеличивается, достигая максимума в страто-паузе. Выше стратопаузы, в мезосфере, температура начинает быстро падать примерно до высоты 85 км. Над этим уровнем, мезопаузой, расположена термосфера, где, как полагают, температура снова растет кверху, по направлению к термопаузе (высота примерно 400 км). За термопаузой, в экзосфере, давление падает практически до вакуума – становится таким же, как давление во внешней атмосфере Солнца, в которой вращается Земля.
В пределах тропосферы действует особый тип теплового баланса. В тропических широтах Земля получает тепла больше, чем теряет, а в полярных – наоборот. Этот большой перепад температур от экватора к полюсу создает в том же направлении градиент давления; теплый воздух движется в сторону низкого давления и уменьшает разницу температур, охлаждая тропики и нагревая полярные страны.
Влажность атмосферы
Вода в атмосфере присутствует в основном в виде пара. Он образуется в результате испарения влаги с поверхности Земли, поэтому влажность атмосферы с высотой уменьшается. Над субтропическими пустынями нижние слои атмосферы наиболее сухие; над экваториальными и муссонными областями и особенно над поверхностью океана они содержат наибольшее количество влаги. Вода постоянно циркулирует между Землей и атмосферой. В атмосфере находится всего 1% от общего количества воды на планете, но этого достаточно, чтобы дожди поддерживали жизнь на Земле.