К естественным аэрозолям относят космическую пыль — микрометеориты, захватываемые земным притяжением в атмосферу из межпланетного пространства. В атмосфере более мелкие из них теряют свою скорость, слабо нагреваются и оседают, а более крупные, нагреваясь, испаряются, но пары их затем вновь конденсируются. Часть микрометеоритов, состоящих из железа, собирается на дне океанов в течение миллионов лет в отложениях красной глины.
В середине августа, в дни больших метеорных потоков, излучение Солнца, достигающее поверхности Земли, уменьшается на 1–2 %. Суммарно приход метеоритного вещества на Землю считают равным 1,4 * 107 т/год.
Другой естественный аэрозоль — мелкая вулканическая пыль. Во время знаменитого извержения вулкана Кракатау в Зондском проливе, происшедшего 23 августа 1883 г., в атмосферу было выброшено огромное количество пыли и пепла — до 75 * 109 м3. Поднимаясь до высоты 50 км, эти частицы распространяются во всей атмосфере, а затем, в течение нескольких лет, оседают. Так, например, после извержения вулкана Катмай на Аляске в июне 1912 г. солнечная радиация уменьшилась на 25 %, а атмосфера очистилась лишь через два с половиной, года. В 1963 г. был выброшен пепел из вулкана Агунг. Он окончательно осел из атмосферы только в 1971 г.
Частицы дыма и пыли также являются естественными аэрозолями. Лесной пожар, возникший в Западной Канаде осенью 1950 г., вызвал в Англии и Норвегии редкое оптическое явление, названное «голубая лупа». Частицы ныли от почвы и горных пород поднимаются ветром. Эту группу завершают органические вещества — пыльца растений и бактерий.
Атмосферу засоряет и человек. Подсчитано, что в Великобритании в 1959 г. из 220 млн. т топлива в атмосферу попало 1,9 млн. т дыма. Распространяясь в атмосфере на далекие расстояния, частицы углерода, неполностью сгоревшие, а вместе с ними и более вредные частицы серной кислоты или ядовитой окиси цинка могут стать источником несчастных случаев. Так произошло в США в конце октября 1948 г. в г. Донора. Из-за застоя воздуха (господствовал мощный антициклон и прекратилось естественное проветривание долины, в которой расположен г. Донора и его химические заводы) началось массовое отравление — заболело несколько тысяч человек.
Довольно быстро оседают более крупные частицы — такие, как зола и пыль от цементных заводов, загрязняющие почву и жилище людей. В воздухе содержится различное количество аэрозолей — больше в городах, меньше — вдали от них. Так, в США в Балтиморе — в среднем 0,87 мг/м3, в Лос-Анжелесе — 0,26 мг/м3, а в сельской местности — 0,045 мг/м3. В 1952 г. в Лондоне содержание аэрозоля достигло 4,46 мг/м3. Это катастрофическое загрязнение стоило Лондону многих человеческих жизней.
От автомобилей в воздух попадает ядовитый свинец. Даже над океаном на больших высотах содержится свинец, его нашли над Южным полюсом и в твердых частицах, отложившихся в ледниках Гренландии. Опасен и так называемый смог — смесь дыма с туманом, которая образуется при низкой температуре. В отличие от тумана смог не рассеивается, а наоборот, усиливается на солнечном свету благодаря фотохимическим процессам. Дальность видимости при этом уменьшается, страдают растения, у людей появляются раздражения глаз.
С иссушенной поверхности Земли поднимаются пыль и песчинки и уносятся вверх. В воздухе они или находятся во взвешенном состоянии, или мчатся в потоке ветра вблизи поверхности, иногда ударяясь о ее неровности и как бы совершая «сальто». Возникает песчаная буря, в которую могут быть вовлечены и мелкие камешки. Такие бури бывают обычно днем и затухают вместе с ветром к ночи. Иногда они кратковременны — до часа, но известны случаи и очень продолжительных бурь — до 80 часов. Дальность видимости при пыльной буре резко уменьшается, что весьма опасно для авиации. Большой вред пыльные бури наносят сельскому хозяйству.
В апреле 1969 г. в Китае наблюдалась сильная пыльная буря. На фотографиях, сделанных со спутников, были отчетливо видны облака пыли. Они поднялись на высоту 3 км. Впоследствии облака пыли распространились на восток, над океаном на расстоянии 2500 км от берега — и пыль осела коричневым слоем на палубах судов. Исключительно сильная пыльная буря разразилась в Средней Азии. Над Ташкентом 10 сентября 1971 г. огромная стена серовато-бурой пыли высотой до 3–3,5 км двигалась со скоростью 80—100 км/ч при шквалистом ветре. Эта буря продолжалась около часа и охватила площадь 0,9 млн. км2. Еще пять дней над Ташкентом сохранялся слой плотной мглы высотой до 2 км.
Влажность или сухость климата, условия жизни человека и растений определяются большим или меньшим количеством водяного пара — одной из важных составляющих частей атмосферы. Водяной пар повышает температуру нижних слоев атмосферы и создает более теплый климат. Сгущаясь, он дает жизнь облакам и осадкам. Конденсация и испарение сопровождаются большим выделением тепла.
Количество водяного пара зависит от физико-географических условий местности и некоторых других факторов. Оно различно в разное время года и суток. Процесс испарения состоит в том, что молекулы воды, преодолевая силы молекулярного сцепления, отрываются от водной или другой испаряющей поверхности. Они быстро распространяются в воздухе, а затем переносятся воздушными потоками на большие расстояния. В то же время молекулы водяного пара переходят из воздуха в воду, на почву, растительный или снежный покров. Когда число возвращающихся молекул начинает превышать число отрывающихся, происходит обратный процесс — конденсация водяного пара на поверхности.
Испарение в природе — это сложный процесс, интенсивность которого обусловлена многими причинами. Скорость испарения зависит от атмосферного давления, скорости ветра. Если ветер дует с суши на водоем, скорость испарения увеличивается, а когда он направлен с воды на сушу, скорость испарения с водоема уменьшается. Испарение с поверхности морей и океанов оказывает влияние на их соленость, так как упругость насыщения над раствором меньше, чем над пресной водой.
Распределение влажности в атмосфере крайне неравномерно. В тропической зоне, где велико испарение с поверхности теплых морей и материков, покрытых тропическими лесами, влажность очень высока (Шри-Ланка, Венесуэла, Индия). К областям пустынь она резко убывает, испытывая при этом большие сезонные колебания. Летом разница во влажности на полюсе и на экваторе сравнительно невелика — всего в 2–3 раза.
Влажность быстро убывает с высотой. Верхняя тропосфера суше приземного воздуха. Из атмосферы водяной пар снова выпадает на землю в виде дождя и снега. Влажность стратосферы в общем очень низка. В пустынях Средней Азии в нашей стране среднемесячная влажность не более 15–20 %. Большой влажностью отличается Черноморское побережье Кавказа.
Тепловой режим атмосферы
Казалось бы, все знают, что такое температура воздуха. Однако нередко показания термометров различны. Поэтому рассказ о тепловом режиме атмосферы начнем с точной формулировки. Температура воздуха — это температура, показываемая термометром в условиях его полного контакта с атмосферным воздухом. При метеорологических наблюдениях за температуру воздуха принимается температура, измеренная термометром, установленным на высоте 2 м над поверхностью почвы, вдали от жилья, защищенном от действия прямой солнечной радиации и хорошо вентилируемом. Эта температура может быть другой в более низких частях приземного слоя. Так, например, в жаркие летние дни случается, что температура воздуха на высоте 2 м на 10° и более ниже, чем у самой земли, где слабы ветер и перемешивание. Существенно различаются температуры на высоте 2 м и в более высоких слоях воздуха, порядка 30 м и более.
Тепловой режим атмосферы — это характер распределения и изменения температур в атмосфере. Он определяется теплообменом с окружающей средой — деятельной поверхностью Земли и космическим пространством. Солнечное тепло поглощается в основном верхними слоями, в целом же атмосфера поглощает его слабо, а в отдельных слоях — незначительно. Нижние слои получают, тепло главным образом от деятельной поверхности, которая нагревается в дневные часы, становится теплее воздуха и отдает ему свое тепло, ночью наоборот — деятельная поверхность теряет тепло излучением, становится холоднее, и тогда уже воздух отдает свое тепло почве.
Большое влияние на нагревание атмосферы оказывает поверхность, к которой она непосредственно прилегает. При этом влияние суши и водной поверхности неодинаково. Суша возвращает воздуху большую часть полученного ею лучистого тепла — 35–50 %, в то время как вода большую часть тепла отдает нижележащим глубинным слоям. На нагревание воздуха уходит немного тепла, так как оно в значительной степени затрачивается еще и на испарение воды. Отсюда следует, что в периоды нагревания суши воздух над ней теплее, чем над водными пространствами. В теплое время года океаны, моря и крупные озера накапливают в толще вод огромные запасы тепла и отдают его воздуху в зимнее время. Вот почему зимой воздух над водными поверхностями теплее, чем над сушей. Но и сама поверхность суши неоднородна, она состоит из лесов, болот, степей и т. д., и отдача тепла, следовательно, неодинакова. Над снежным покровом температура воздуха понижается.
Температура изменяется в течение суток. Минимальная температура воздуха на высоте 2 м бывает перед восходом солнца. Как только солнце появляется над горизонтом и начинает подниматься, в течение 2–3 часов температура растет быстро, затем медленнее и, наконец, в 14–15 часов наступает максимум. Затем начинается процесс понижения температуры — вначале медленный, а затем все более быстрый. Над океанами и морями максимум температуры воздуха наступает на 2–3 часа раньше, чем над материками. Представление о суточном ходе температуры получают осреднением данных наблюдений за многолетний период. Вторжение теплых или холодных воздушных масс искажают этот осредненный ход — холодная воздушная масса понижает температуру, а теплая масса, пришедшая ночью, может ее повысить.