Глава IV. Атмосфера небесных тел и ее физическое состояние

С некоторым правом можно говорить и об атмосферах солнц или звезд. Эти небесные тела состоят главным образом из сравнительно плотной массы, которая окружена весьма разреженной газовой оболочкой. Плотность главной массы нашего Солнца почти в 1,4 раза больше плотности воды. Напротив, другие звезды имеют массы весьма незначительной плотности, которая не превосходит нескольких сотых плотности воды: таковы в особенности звезды с переменной яркостью, названные по имени своего уже давно известного представителя, звезды δ Цефея, Цефеидами и вообще юные звезды. Во всяком случае, эти звезды благодаря своей высокой температуре совсем газообразны, вплоть до носящихся в их самых крайних слоях облаков, которые произошли из легко сгущающихся паров, например паров углерода, и которыми вызывается сильный свет звезд.

Звезды-Цефеиды принадлежат к относительно юным небесным телам; напротив, Солнце, подобно другим желтым звездам, значительно старше, и несомненно, что его средняя плотность является следствием его возраста. У различных юных звезд, как, например, у блестящего Альтаира, главной звезды в Орле, наблюдались весьма обширные газовые оболочки, состоящие обычно из водорода, часто также из гелия, и эту газовую оболочку можно считать своего рода атмосферой. Ее плотность, конечно, крайне незначительна. Наша центральная звезда, Солнце, тоже имеет поверх светящихся облаков газовую оболочку незначительной плотности, которая путем поглощения света вызывает в солнечном спектре темные линии, названные фраунгоферовыми. Главную часть находящихся в ней газов составляет водород с некоторым количеством гелия и с неизвестным еще на земле газом, который называется коронием, и потому эти газы можно рассматривать как солнечную атмосферу.

Подобное положение вещей господствует, без сомнения, и на больших планетах, плотности которых немногим отличаются от плотности Солнца. Кстати сказать, существует также большое сходство во временах вращения этих планет: у Юпитера 9,9, у Сатурна 10,3 и у Урана 10,8 часов. Судя по их плотностям, они, как и Солнце, по всей вероятности совсем газообразны, не говоря уж об облачных образованиях, которые, как кажется, составляют внешнюю границу этих небесных тел. Что и на них, как и на Солнце, находятся крайне устойчивые газовые образования, вытекает, по-видимому, из того, что на них являются своеобразные пятна, которые, подобно солнечным пятнам, остаются долго, иногда свыше года. Самый известный пример этого рода представляет так называемое «красное пятно» на Юпитере, которое существует уже с 1878 года, хотя оно выступает теперь не так сильно, как в начале своего появления (рис. 10). Эти планеты отличаются также своими сильно выраженными, параллельными экватору полосами (рис. 10 и 11), которые происходят вследствие чрезвычайно большой скорости вращения этих планет. Точка экватора на Юпитере движется в 28 раз, точка экватора на Сатурне — в 22 раза, точка на экваторе Урана — почти в 7,5 раз быстрее точки земного экватора.

Какие же газы находятся в этих атмосферах? По гипотезам Канта и Лапласа, которые содержат в себе общепризнанное зерно истины, все планеты развились из Солнца, когда еще объем его распространялся до орбит вышеназванных планет и даже еще дальше. Поэтому вероятно, что именно те самые газы, которые лежат в наиболее внешних частях солнечной атмосферы, первоначально и содержались в атмосферах этих планет, и в частности водород. Слайфер, который сфотографировал воспроизведенные здесь спектры внешних планет, полагает даже, что он нашел, что некоторые сильные полосы поглощения в спектрах Нептуна и Урана соответствуют сильным F и C линиям водорода, по обозначению Фраунгофера (рис. 12).

Рис. 10. Планета Юпитер, изображенная Ле-Культром (Женева) в Меркаторской проекции. Красное пятно, перед которым облака разделяются, лежит под 355° долготы и 20° ю. ш., там, где темная полоса образует выгиб. Юг на фигуре находится сверху, как и на всех астрономических изображениях, сделанных в северном полушарии земли

Однако, в виду большой ширины этих полос, их трудно отождествлять. В газовых оболочках, лежащих над облаками этих планет, содержатся еще другие газы неизвестного рода, которые, как это видно из спектров, действуют сильно поглощающим образом на отраженный облаками солнечный свет. Поглощение увеличивается с удалением планет от Солнца, стало быть, оно всего сильнее у Нептуна и всего слабее у Юпитера.

Во всяком случае атмосферы этих небесных тел значительно отличаются от атмосфер внутренних планет: Марса, Земли, Венеры и Меркурия. Воздушные оболочки Солнца и больших планет переходят постепенно и без скачков во внутренние газовые массы, так что нельзя установить никакой определенной границы, где прекращается атмосфера и начинаются более плотные слои. Совсем иное дело на Земле. Здесь воздушный океан строго отграничивается внизу от твердой земной коры и от водного океана. Только в таком случае и можно говорить о настоящей атмосфере, как мы ее себе обычно представляем, и мы встречаем этот случай у небесных тел с твердой или жидкой поверхностью. Однако нельзя утверждать, что все эти планеты также имеют атмосферу. Наблюдения над Луной при ее прохождении через какую-нибудь звезду показывают, что возможная на ней воздушная оболочка не может отклонить луч зрения, т. е. в оболочке не происходит никакого заметного преломления света. Отсюда должно заключить, что плотность этой оболочки совсем незначительна и воздушное давление измеряется самое большее несколькими миллиметрами. Однако есть основание думать, что Луна отделилась от Земли и поэтому должна была увлечь с собой и более легкие составные части Земли, что показывает также и ее плотность (3,3), которая составляет только шесть десятых плотности Земли (5,53), и отсюда вытекает, что при своем отделении от Земли она удержала также свою долю и легчайшей составной части Земли, т. е. атмосферных газов. Без сомнения, это так и было, но потом, с течением времени, Луна потеряла свою, сперва, вероятно, значительную воздушную оболочку. Это случилось потому, что мельчайшие газовые частички, так называемые молекулы, обладают сильным собственным движением, которое тем сильнее, чем выше поднимается температура и чем легче самый газ. У самого легкого из всех известных газов, водорода, эта скорость при 0° достигает 1,84 км/с. Части Луны, наиболее сильно освещенные Солнцем, имеют температуру около 150°, а при такой температуре средняя скорость молекул водорода 2,29 км/с. Но тело, удаляющееся от поверхности Луны со скоростью 2 или более км/с, уже не может быть удержано ею, оно не возвращается обратно и удаляется все более и более. Подобным образом улетело бы от Земли пушечное ядро, пущенное со скоростью 11,2 км (скорость, недостижимая для нашей современной артиллерии даже в самой малой степени), если бы ему не препятствовал на пути воздух. Мы пока еще весьма далеки от осуществления грез Жюля Верна в его «Путешествии на Луну». Во всяком случае притягательная сила Луны слишком мала, чтобы удержать водород у наиболее нагретых мест поверхности, и он улетучивается; на его место притекает новый газ, и немного нужно времени, чтобы таким образом весь водород исчез с Луны. Он, вероятно, улетел, главным образом, к Солнцу, на котором молекула, чтобы удалиться от Солнца, должна обладать скоростью 613 км/с, тогда как там же действительная средняя скорость молекулы водородного газа может быть не больше 8 км/с.

Молекулы второго по легкости газа, гелия, при +150° обладают средней скоростью 1,62 км/с. Это, конечно, менее чем 2 км/с, которые нужны, чтобы покинуть сферу лунного притяжения. Но не все молекулы гелия обладают одинаковой скоростью: скорость одних превосходит среднюю скорость, скорости других остаются ниже ее. Те, которые имеют более 2 км/с, составляют значительную часть общего числа молекул, и эта отделившаяся часть улетает. Тогда быстро восстанавливается прежнее распределение скоростей, и менее чем в секунду такая же часть уже готова отделиться от Луны. Таким образом, Луна весьма скоро потеряла свою гелийную атмосферу, хотя не так быстро, как атмосферу водородную.

Еще медленнее исчезали газы, находящиеся в воздухе в наибольшем количестве — азот и кислород, но и они недолго удерживались слабой притягательной силой Луны. То же самое произошло и с водяным паром, который наполовину легче кислорода, однако эта потеря, как мы далее увидим, замедлялась тем, что из вулканов Луны выбрасывались новые массы водяного кара. Нужно помнить, что Луна представляла, без сомнения, жидкую расплавленную массу, как лава наших вулканов, когда, отделившись от Земли, она оставалась в этом состоянии до тех пор, пока ее внешняя температура не понизилась почти до 1200°. При такой температуре средняя скорость молекул кислорода равна почти 1 км/с, при чем наверно несколько процентов из них достигали скорости в 2 км/с, достаточной, чтобы отдалиться от Луны. Эти молекулы средних по весу газов возвращались, вероятно, на Землю, которая, как мы знаем из опыта, достаточно тяжела, чтобы их удержать у себя.

Рис. 11. Сатурн 30 сентября 1909 г. по Ф. Ле-Культру, в Женеве

Ни один из газов, которые в значительном количестве содержатся в земной атмосфере и о которых можно предполагать, что часть их досталась при отделении и Луне, не мог быть удержан ею. Нечто подобное наверное имеет силу и относительно других небесных тел такой же или меньшей величины, каковы все малые планеты и большинство планетных спутников. Судя по определениям способности спутников отражать солнечный свет, недавно опубликованным Г.Н. Рэсселем (Russell) в Принстоне, I, II и III спутники Юпитера, равно как и спутник Сатурна Титан, обладают, по-видимому, достаточно плотными воздушными оболочками. Это, вероятно, правильно и относительно Нептуновой луны. Все сказанное о Луне имеет силу также и относительно Меркурия. Скорость молекул на Нептуне должна была бы быть в полтора раза больше скорости лунных молекул, чтобы они могли удалиться от него; но температура на Меркурии гораздо выше и составляет около 400° в его самом теплом, постоянно обращенном к Солнцу месте, и молекулы достигают там в 1,26 раз большей скорости, чем молекулы самого теплого пункта на Луне. Итак, Меркурий может удерживать газы несколько лучше, чем Луна, но разница незначительна. Прямые наблюдения (см. об этом ниже) также указывают, что у Меркурия в этом отношении немного разницы с Луной. Можно думать, что иные тяжелые газы, которые на Луне становятся жидкими или твердыми, остаются на Меркурии в газообразном состоянии благодаря его более высокой температуре и таким образом могли бы образовать атмосферу. Это было бы, однако, неверно. По изысканиям Скиапарелли и всех его последователей, Меркурий постоянно обращен к Солнцу одной и той же стороной. А потому противоположная сторона, никогда не согреваемая ни одним солнечным лучом, должна получить особенно низкую температуру, близко лежащую к абсолютному нулю (−273°), и, конечно, будет холоднее любого места на Луне. Следовательно, все тела, которые имеют заметную упругость насыщенных паров, должны быть перегнаны в виде паров на эту сторону и превращаться в твердые глыбы или замерзшие слои без сколько-нибудь значительного давления паров. Таким образом, Меркурий не может иметь ощутительной атмосферы. Следовательно, во всем ряду планет нашей солнечной системы остаются только три, которые обладают атмосферой в настоящем смысле слова: кроме Земли только Марс и Венера.

К такому же представлению мы придем, если исследуем способность планет отражать падающий на них солнечный свет. Воздушные оболочки содержат небольшие носящиеся тельца, будь то частицы воды или льда, или же поднятой ветром пыли. Эти носящиеся в атмосфере частицы обладают более сильной способностью отражения света, чем твердая или жидкая поверхность планеты. Луна может отразить 7% полученного солнечного света, столько же и Меркурий. По данным Рэсселя, Меркурий в этом отношении превосходит Луну.

Отсюда вероятнее, что Меркурий, как и Луна, не имеет никакой атмосферы, достойной этого названия. В противоположность этому Венера отражает не менее 59% падающего на нее солнечного света. По Абботу, облака, т. е. скопления водяных капель или ледяных кристаллов, отражают около 65%. Можно думать, что вся поверхность Венеры закрыта для нас плотным, непроницаемым облачным покровом. Небольшая разница между 59 и 65, может, помимо ошибок измерений, произойти также от того, что некоторая часть света поглощается атмосферой, лежащей над облаками Венеры. Вполне примыкают в этом отношении к Венере Юпитер и Сатурн с 56% и 63%. По спектрам этих планет можно видеть (рис. 12), что излучаемый их облаками свет в значительной мере ослабляется находящимися над ними газами. Некоторым казалось, что из наблюдений над Юпитером можно вывести, что его красный цвет меняется с числом солнечных пятен, становится темнее при уменьшении и светлее при увеличении числа последних. Вместе с тем наблюдения земной атмосферы обнаружили, что солнечные пятна способствуют появлению высоких перистых облаков на земле. Вероятно, нечто подобное существует и на Юпитере. При многочисленных солнечных пятнах облака лежат высоко, и находящийся над ними поглощающий воздух, вызывающий красный оттенок, более разрежен, так что в это время Юпитер кажется более светлым, чем во время минимума солнечных пятен.

Поразительно мало солнечного света поглощают воздушные оболочки обеих внешних планет — Урана и Нептуна; они отражают 73% и 63%.

Рис. 13. Планета Венера с атмосферой, освещенной солнцем (слева), по наблюдениям Ланглея при прохождении Венеры через солнечный диск 6 декабря 1882 года

Наконец мы приходим к Марсу. Эта планета отражает только 15,4% падающего света и в этом отношении вдвое превосходит Луну. Судя по всему, атмосфера на Марсе весьма разрежена. Лоуэлль, впрочем, по сомнительным соображениям считает ее только в 22% той воздушной массы, которая лежит на равной площади на Земле.

Сколько же полученного солнечного света отражает наша Земля в мировое пространство? Прямо это измерить — невозможно. так как мы не можем поставить никаких инструментов над воздушной оболочкой: но мы можем сделать приблизительные исчисления. Не менее 52% земли покрыто облаками, для которых альбедо составляет 65%, стало быть, они отбрасывают 0,65×0,52 = 0,338 частей полученного солнечного света. Затем теряется несколько процентов — скажем приблизительно 5%, — как и у Венеры, через поглощение в высших воздушных слоях. Итак, остается около 0,32 частей, которые излучаются. Пыль и атмосфера на остальных 48 сотых земной поверхности отнимают 60% солнечного света, из которых около половины уходит в пространство, между тем как другая половина снова падает на землю, как свет от небесного свода. Это дает еще 0,14 частей. Наконец океан и в большей части сырая земная почва излучают около 6% от 0,40 падающего на них прямого солнечного света, из которых 70% не возвращаются. Хотя пустыни и холодные утесы отражают вдвое более других частей, однако исходящее от них количество света весьма незначительно. Итак, мы имеем всего 0,48×0,06×0,40×0,7 = 0,008, и общая масса отраженного солнечного света равна 0,32 + 0,14 + 0,008 = 47%. Рэссель, на основании астрономических данных, определяет это число четырьмя способами, и в среднем получает 44,5%, что очень хорошо согласуется с нашим определением. Если бы воздух был свободен от облаков, то Земля отбрасывала бы 33% полученного света, и ее альбедо значительно бы превосходило альбедо Марса. Но так как немного более половины земной поверхности покрыто тучами (52%) и по своему альбедо соответствует альбедо Венеры (59%). то Земля с общим излучением в 47% подходит гораздо ближе к Венере, ближе почти в 2,5 раза, чем к Марсу с 15%. Если сравнить расценку в 33% для излучения свободной от облаков части земли с 15,4% для почти свободного от облаков Марса и с 7% для Луны, не только свободной от облаков, но даже, за недостатком атмосферы, совсем свободной от пыли, — то мы увидим, что атмосфера Марса, несмотря на малую величину ускорения силы тяжести этой планеты, составляющую только 37% земного ускорения, не содержит на каждый квадратный метр даже одной трети пыли, какую содержит земная атмосфера.

Если принять во внимание низкую температуру на Марсе, то можно по формуле, данной Стоксом, вычислить, что пылинка на Марсе опускалась бы в 2,3 раза медленнее, чем на Земле. Так как несмотря на это только немногие частички носятся в воздухе Марса и часть их выпадает с туманом, то нельзя удержаться от представления, что этот воздух должен быть чрезвычайно разреженным, так что порывы ветра только в малой степени способны поднять пыль с почвы.

Лоуэлль определил воздушное давление на поверхности Марса в 64 мм; Проктор приходит почти к двойному итогу. Обе расценки покоятся на довольно шатких основаниях. Я склонен признать, что даже Лоуэлль дает слишком высокую расценку. Если признать ее правильной, то на каждый квадратный метр поверхности Марса придется только около ⅕ части воздуха, который приходится на один квадратный метр земной поверхности на уровне моря. Атмосфера Венеры, благодаря находящимся на ней облачным массам, а также благодаря сильному преломлению света в ней, уже давно считалась более мощной, чем земная атмосфера. Вблизи солнца Венера является темной и окруженной слабым светом (рис. 13). Но, чтобы вызвать это явление, нет надобности, чтобы воздух Венеры, как вообще предполагается, был плотнее земного. Однако, если принять во внимание, что воздух, замечаемый нами на Венере, лежит над облаками и что эти облака носятся, вследствие высокой температуры, весьма высоко, как высочайшие перистые облака в нашей атмосфере, то нужно признать, что этот световой эффект может производиться разве только четвертою частью атмосферы Венеры, а этим оправдывается предположение, что воздушная оболочка Венеры гораздо толще земной. Таким образом, Земля, как бы в соответствии с порядком планет, стоит в этом отношении между Марсом с его весьма разреженной и Венерой с ее сравнительно плотной атмосферой, и можно было бы ожидать, что на Меркурии окажется еще более плотная атмосфера, чем на Венере. Но, как мы уже видели, Меркурий не имеет газовой оболочки, так как он неизменно, подобно Луне и, вероятно, также большинству спутников, обращает одну и ту же сторону к центральному светилу, и потому его темное полушарие так холодно, что все находящиеся там газы обратились в жидкости или твердые тела, кроме водорода и гелия, которые перетекают в другое теплое полушарие, а оттуда улетучиваются в пространство. Если бы и Венера, как утверждают Скиапарелли, Лоуэлль и другие астрономы, была постоянно обращена к Солнцу только одной стороной, то и она не могла бы более обладать сколько-нибудь заметной воздушной оболочкой. А.А. Белопольский, на основании своих спектроскопических измерений, полагает — во всяком случае в полном противоречии со Слайфером, — что Венера вращается вокруг своей оси в 29 часов. Поэтому чрезвычайно желательно надежное определение времени вращения Венеры.

Для понимания природы планетных атмосфер необходимо прежде точнее познакомиться с нашей земной атмосферой. Наши сведения в этом отношении значительно увеличились за последнее время.

Теперь нам точно известны содержащиеся в воздухе газы. На сто частей объема в нем содержится хорошо известных прежде газов:

Кислорода — 78,10 частей
Азота — 20,90 частей
Углекислоты — 0,03 частей

и благородных газов, открытых Рэлеем и Рамзаем

Аргона — 0,937 частей
Неона — 0,0015 частей
Гелия — 0,0005 частей
Криптона около — 0,0001 частей
Ксенона — 0,000005 частей

Кроме того есть еще водяной пар, количество которого бывает различно в зависимости от времени и места, а потому здесь не может быть выражено определенным числом. Содержание всех этих газов уменьшается с высотой над почвой Земли по так называемой барометрической формуле, и притом тем быстрее, чем они тяжелее. А потому криптон и ксенон, которые соответственно в 2,5 и 4 раз тяжелее кислорода, находятся, главным образом, в нижних воздушных слоях, тогда как содержание гелия, который в восемь раз легче кислорода, быстро возрастает с высотой. Если бы воздух при 0° состоял из смеси кислорода и гелия, то содержание кислорода уменьшилось бы наполовину на высоте почти 5 км, а содержание гелия только при 40 км высоты (в восемь раз выше, чем для кислорода, так как веса обоих газов относятся как 1 к 8), предполагая, что воздух не будет промешиваться течениями. На последней высоте содержание кислорода убавилось бы в отношении 2⁸ = 256. Если содержание кислорода у земной поверхности в 40 000 раз больше, чем гелия, что и есть на самом деле, то на высоте 40 км это соотношение окажется уменьшенным, в отношении 256:1. На высоте 70 км в воздухе будет содержаться больше гелия, чем кислорода, а с дальнейшим увеличением высоты это отношение будет столь же быстро возрастать. Это справедливо для всех легких газов, насколько они при понижении температуры не становятся жидкими или твердыми. Водяной пар, который при охлаждении выделяется в виде облаков, убывает с высотой гораздо скорее, чем почти вдвое более тяжелый кислород. Дело в том, что температура воздуха убывает кверху слишком быстро; она спадает до высоты 2,5 км на 5° на каждый километр, а на высоте 8,5 км на 8° на каждый километр. Уже на высоте 1,9 км, количестве водяного пара меньше наполовину. Барометрическую формулу можно применить к углекислоте, как и к другим газам, так как она по своему незначительному количеству никогда не может оседать в виде облаков. И, на самом деле, только водяной пар требует другого расчета. Углекислота почти в 1,5 раза тяжелее воздуха и потому должна бы на высоте 5 км, терять плотность в отношении 1:2^1,5 = 1:2,8, между тем как плотность воздуха уменьшается в отношении 1:2. Содержание углекислоты в воздухе многократно определялось (между прочим известным полярным путешественником Андре) на различных высотах, до 3,8 км, и она оказалась, в пределах ошибок наблюдения, постоянной. То же самое можно сказать и об отношении кислорода к азоту, которое должно было бы в значительной степени измениться с высотой до 7 км, так как кислород на 14% тяжелее азота. Как объяснить это противоречие?

Объяснение вполне просто. Все наши рассуждения относились к совершенно неподвижной воздушной массе. Если же воздух сильно промешивается, то его состав на различных высотах становится одинаковым. Нам известно, что при барометрических циклонах и антициклонах бывают воздушные течения, сильно направленные вверх и вниз. Насколько это промешивание простирается в высоту, настолько остается постоянным состав воздуха. Эти течения вызывают также падение температуры с высотой. Если газовая масса поднимается вверх, то она подвергается уменьшенному внешнему давлению, вследствие чего расширяется и охлаждается.

Точно так же нам известно, что газ при быстром сжатии нагревается. Ведь воспламеняли же раньше трут в пневматических огнивах, быстро сжимая в них воздух. Напротив, если газ расширяется, то он при этом охлаждается. Если бы сухой воздух был вполне промешан, то температура на каждый километр поднятия над Землей понижалась бы почти точно на 10°. Если бы, напротив, он был неподвижен в вертикальном направлении, то теплота вполне выравнялась бы и не происходило бы никакого понижения с высотой. Действительность и лежит между этими двумя предельными случаями; температура воздуха падает от 5° до 8° на каждый километр вверх, почти до 10 километров высоты, как это можно твердо установить при подъемах на воздушном шаре.

В согласии с этим стоит одно из замечательнейших открытий новейшего времени: твердо установленный Тейсераном де Бор и Ассманом факт, что температура понижается не безгранично, как думали раньше, но только до известной высоты над Землей, а выше остается почти неизменной. В Средней Европе эта высота около 11 км, в Лапландии около 7 и у экватора около 15 км. Таким образом, в нашей атмосфере нужно различать два слоя: нижний, в котором воздух постоянно промешивается и который поэтому называется тропосферой, и верхний, который лежит над ним равномерным спокойным слоем и называется стратосферой. Так как последняя у экватора лежит выше над Землей, чем в полярных областях, то получается поразительное явление: ее температура там, в жарком поясе, ниже, чем здесь, в умеренном, и еще ниже, чем в Лапландии, т. е. в холодном поясе. Стратосфера простирается до известной степени параллельно земной поверхности и движется только в горизонтальном направлении, тогда как заметные вертикальные течения в ней не имеют места. Ветры имеют там ясно выраженное западное направление, это, стало быть, восточные ветры, и они тем сильнее, чем выше лежит слой. На 83 км высоты скорость ветра около 100 м/с. Напротив, в тропосфере господствуют западные ветры. Направление ветра в стратосфере могло быть определено по так называемым светящимся ночным облакам, плавающим на высоте около 80 км. Поэтому стратосфера движется вокруг земной оси медленнее, чем твердая земля. На 80 км, высоты скорость ее вращения равна только 65% скорости вращения Земли. Возможно, что самые крайние воздушные слои не участвуют в движении Земли вокруг оси, так как пространство, конечно, не вполне пусто, и, следовательно, воздух незаметно переходит в чрезвычайно разреженный газ междупланетного пространства.

Насколько простирается кверху тропосфера, настолько же и состав воздуха остается без изменений, таким, как у земной поверхности. Но в средней Европе при дальнейшем поднятии вверх, начиная приблизительно с 10 км, происходит быстрое уменьшение содержания тяжелых газов в атмосфере и соответствующее ему увеличение содержания легких газов. Среда последних первое место занимает водород, наполовину менее тяжелый, чем гелий. Буссенго доказал наличность в воздухе водорода и Арман Готье позднее определил его количестве около 1/300%. Естественно, содержание его в атмосфере весьма быстро увеличивается с высотой, так что выше 80 км оно превосходит содержание всех других газов в воздухе.

Ниже мы воспроизводим в несколько переработанном виде таблицу доктора Вегенера в Марбурге, который вычислил процентный состав воздуха на различных высотах. Состав воздуха внутри тропосферы, высота которой принимается равной 10 км, считается неизменным, за исключением влажности. Проценты, как и обычно, по объему.

Под названиями газов стоят их молекулярные веса, которые дают масштаб для удельных весов.

Количество водяного пара, как обычно, не включено в процентный расчет, так как оно бывает различно по месту и времени. Приведенное в таблице число дает среднее значение для всей Земли и соответствует при 10 км высоты 11,4 г на м³ (куб. метр.), или содержанию влажности воздуха, насыщенного водяным паром, при 16,5°. Как видно из таблицы, при 10 км влажность воздуха уменьшается со одной десятой в силу понижения температуры. В стратосфере влажность, при господствующей там постоянной температуре, ввиду легкости водяного пара опять возрастает.

Главное количество водяного пара лежит сильно концентрированным слоем у Земли. Углекислота, которая в 1½ раза плотнее воздуха, быстро убывает с высотой. Из таблицы видно, что объемный вес углекислоты — 41, между тем как воздуха в среднем — только 29. Еще быстрее убывает криптон (молекулярный вес — 83) и ксенон (молекулярный вес — 131). Оба эти газа, так же, как и неон, количество которого вначале несколько возрастает с высотой, и аргон, содержание которого уменьшается кверху, как показывает таблица, не играют, однако, насколько известно, никакой достойной упоминания роли в хозяйстве природы. Совсем иное дело водяной пар и углекислота, которые служат для образования растительного покрова и, кроме того, защищают Землю от слишком сильного излучения теплоты. Хорошо известно, как сильны колебания температуры в течение дня и ночи в сухом климате пустыни и как, наоборот, незначительны в сыром климате. Водяной пар препятствует излучению тепла Землею. Количество углекислоты одинаково почти на всей Земле, только защитный слой ее слабее над местами высоко лежащими, чем над глубоко лежащими. Вследствие равномерного распространения углекислоты, ее выравнивающее и охраняющее тепло значение не так бросается в глаза, как у водяного пара. Понадобились более точные изыскания, чтобы доказать это.

В таблице Вегенера приведен также гипотетический газ — геокороний, присутствие которого в воздухе еще до сих пор не было доказано. Удивительно, что наблюдаемые на большой высоте дуги северного сияния показывают зеленый свет, который, насколько известно, не подходит ни к одной из известных составных частей воздуха. Спектральная линия этого зеленого света лежит при 557 μμ весьма близко к линии, принадлежащей криптону; но криптон — тяжелый газ и потому не может проявляться в воздушных слоях, лежащих выше 300 км над Землей, а в них иногда являются дуги северного сияния, средняя высота которых, по вычислениям Штёрмера, около 120 км. Поэтому Вегенер принимает, что здесь мы имеем дело с еще неизвестным газом, который в пять раз легче водорода. Однако новейшие изыскании сильно говорят против такого предположения, и мы поэтому больше не будем им заниматься. Выше 210 км, по Вегенеру, этот газ должен бы быть преобладающим. Вероятно, на высоте от 85 км господствующий газ — водород. Выше 200 км едва ли встречаются в воздухе другие газы. Ввиду легкости водорода воздушное давление, на тех высотах не превышающее 0,02 мм, увеличивается книзу только медленно. Этот самый верхний слой атмосферы можно, в полном согласии с Вегенером, признать областью водорода. В ее пределах падающие звезды испытывают уже столь большое сопротивление воздуха, что на 120 км высоты они вспыхивают и распыляются, а на высоте около 85 км угасают. Э. К. Пикеринг наблюдал линии водорода в свете весьма высоких метеоров, — быть может, это происходит от разложившегося водяного пара; ниже проходящие метеоры давали спектр азота. С этой последней высоты начинает сильно давать себя знать азот; он господствует от высоты около 80 км до земной поверхности, и вследствие этого воздушное давление усиливается с приближением к Земле. На такой же высоте (около 80 килом.) парили также наиболее высокие ночные облака, наблюдавшиеся Ессе (Iesse), что указывает, по-видимому, на начало нового слоя, области азота. Только тяжелые метеориты могут проникать в эту область, где они задерживаются и взрываются, чтобы упасть потом с быстротой, которую допускает сопротивление воздуха. Самые нижние лучи северного сияния в виде так называемых драпировок тоже проникают сюда. Штёрмер наблюдал таковые на 37 км высоты. Наконец водяной пар начинает давать себя знать образованием облаков, а именно как только достигает тропосферы; самые высокие из них перистые — именно на высоте около 10 км (не нужно их смешивать с «светящимися ночными облаками», которые видны были только в 1883—1892 годах после извержения Кракатоа). До этой границы простираются и вертикальные воздушные течения, вызывающие образование облаков. Однако только легкие облака носятся на такой высоте; более тяжелые поднимаются лишь на высоту около 4—5 км (высокие кучевые), а настоящие дождевые облака идут вверх только до 1,4—2,1 км. Это является следствием увеличения содержания водяного пара в тропосфере книзу.

Уменьшение силы тяжести равносильно тому, как если бы газы стали легче. На Венере сила тяжести составляет 8/10 земной. Разница невелика. Впрочем, если бы все остальное было одинаково, то различные воздушные оболочки на Венере были бы на четверть толще, чем на Земле, но вследствие более высокой температуры содержание воды в воздухе Венеры весьма велико, и густые облака поднимаются гораздо выше, чем на земле. Если воздух Венеры содержит почти в десять раз больше водяного пара, чем земной, а это, конечно, довольно близко к действительности, то тяжелые дождевые облака должны лежать там выше 10 км, так как уже уменьшенная на 20% сила тяжести несколько способствует их поднятию. Легкие перистые облака должны иметь высоту около 30 км. Итак, поверхность этой планеты укрыта облачным покрывалом не только от наших взоров, но и от непосредственного действия солнечных лучей.

Сила тяжести на Марсе в 2,68 раз меньше земной, и давление, равно как и температура и влажность воздуха убывают с высотой во столько же раз медленнее. Вследствие более низкой температуры влажность сама по себе мала, и воздух Марса почти подобен земному в области перистых облаков и над ними. Облака образуют совсем редкие покрывала, которые, как и перистые облака, не отбрасывают никакой тени и показываются только на незначительных пространствах над поверхностью Марса. Легкие облака там, напротив, обыкновенны.

Мы еще возвратимся к этим особенностям. С помощью спектроскопа можно установить, что газы на Солнце располагаются, главным образом, по своему удельному весу. Это же можно сказать и о звездах (см. выше стр. 53).