Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.
Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное — на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10–11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает — его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.
Строение земной атмосферы.
Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует… вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.
По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.
Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20–25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца — на высоте свыше 30–35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100–110 километров — именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».
Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15–20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах — в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).
Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров,[27] однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.
Обычно считают, что с высоты 800 — 1000 километров начинается уже так называемая зона рассеяния. Из этой зоны часть молекул воздуха улетучивается в мировое пространство, чтобы рассеяться в нем. Воздух в этой зоне так разрежен, что молекула пролетает сотни километров до очередного столкновения с какой-нибудь другой молекулой. Эти столкновения там почти отсутствуют, тогда как у земной поверхности столкновения молекул происходят сотни тысяч раз на пути в 1 сантиметр.
Строение земной атмосферы неоднородно, и межпланетная ракета, пересекающая атмосферу, будет переходить из одной ее зоны в другую, как альпинист, пересекающий различные климатические зоны при высокогорном восхождении.
Ближайший к земной поверхности слой атмосферы, так называемая тропосфера, имеет высоту 7-18 километров, в зависимости от времени года и географической широты (меньше — на полюсе, больше — на экваторе). Тропосфера — это кузница погоды; в ней, в основном, происходят процессы, определяющие погоду: зарождаются дожди, ветры, туманы. Температура воздуха в тропосфере, по мере увеличения высоты, непрерывно падает, достигая минус 50–60° на верхней границе тропосферы. Это объясняется тем, что тропосфера нагревается теплом, которое излучает земная поверхность: чем дальше от этой «печки», тем холоднее воздух. В тропосфере находится около 80 процентов всей атмосферы.
Выше тропосферы начинается стратосфера, хотя часто различают еще небольшой промежуточный слой — тропопаузу. Было время, когда считали, что температура воздуха в стратосфере с высотой не меняется, оставаясь равной примерно минус 60°, а затем постепенно снижается, так что у границ атмосферы уже царит холод мирового пространства. В действительности же оказалось, что мороз в 60° сохраняется лишь до высоты 30–40 километров, а затем температура воздуха начинает вдруг повышаться, достигая на высоте 50–60 километров примерно нуля градусов. Вслед за этим температура опять резко падает: на высоте 80 километров уже снова мороз, да такой крепкий, что и на полюсе холода, в якутском селении Оймяконе, подобного не бывает, — минус 80° и более.[28] Но это уже последнее снижение. Здесь температура снова начинает расти: на высоте 200 километров она достигает плюс 800-1000°, а на высоте 1000–1100 километров становится равной 3000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура воздуха достигает десятков тысяч градусов.
