Возникновение атмосферы и океанов Земли позволило сформироваться условиям, подходящим для возникновения жизни. Структура и движение океана и атмосферы играют важную роль в жизнепригодности Земли, уже не говоря о том, что они стабилизируют климат (мы обсудим это в следующей главе).

Самый нижний слой нашей атмосферы называется тропосферой, здесь, как мы полагаем, формируются погодные условия и ветры. Это слой толщиной в среднем около 10 км (он толще на экваторе и тоньше на полюсах). Атмосфера здесь подвергается тепловой конвекции, весьма напоминающей конвекцию земной мантии. Нагретая лучами Солнца Земля согревает приповерхностный воздух, он поднимается, остывает, а затем опускается где‑то в другом месте. Таким образом, в нижней части тропосферы теплее, в верхней – холоднее. Как мы вскоре увидим, конвективное движение в тропосфере – это сложный процесс, в основном он ответственен за движение ветров и погоду.

Над тропосферой расположена стратосфера, температура которой возрастает с увеличением высоты. Воздух в ее верхней части теплый, плавучий и неподвижный, он не тонет, поэтому аэрозоли и вулканическая пыль задерживаются там. (Стабильность стратосферы также защищает ее от конвекции, в этой зоне почти нет турбулентности, поэтому самолеты гражданской авиации совершают полеты именно в нижней стратосфере.) Высокая температура стратосферы обусловлена наличием в ней озона – молекул, состоящих из трех атомов кислорода. И образование (из обычных молекул кислорода, которые имеют два атома), и разрушение стратосферного озона (до кислорода) происходит из‑за поглощения определенных видов ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, в результате стратосфера нагревается. Этот эффект также очень важен, так как защищает жизнь на поверхности Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Развитие жизни и выработка кислорода были укрепляющими друг друга процессами, так как благодаря последнему появился защитный озоновый слой. Этот процесс также напоминает, почему потеря озонового слоя приведет к катастрофическим последствиям. Наличие озоновых дыр над полюсами Земли, предсказанное в 1970‑х гг. и открытое в 1985 г., заставило международное сообщество регулировать процессы загрязнения воздуха для того, чтобы эти дыры затянулись.

Стратосфера простирается на высоту до 50 км, а то, что выше, является еще более разреженной мезосферой. Мезосфера простирается на высоту до 100 км, хорошо охлаждается излучением и потому холоднее, чем стратосфера. Следом за мезосферой располагается намного более горячая и гораздо более разреженная термосфера (примерно до 600 км), а еще выше – экзосфера (примерно до высоты 10 000 км или даже больше), за границами которой начинается космическое пространство. Верхняя мезосфера, термосфера и нижняя экзосфера, в которых высока концентрация ионизированных атомов, вместе образуют ионосферу, представляющую естественный канал для переноса радиоволн по всему земному шару.

Но давайте вернемся к тропосфере. Конвекция в этом слое приводится в движение солнечным теплом, максимально сильным вблизи экватора в тропиках, где солнечный свет падает на поверхность под прямым углом, и слабым на полюсах, куда солнечный свет почти не попадает. Если бы Земля не вращалась, конвекция представляла бы собой горячий воздух, поднимающийся от нагретой на экваторе поверхности в верхние части тропосферы, а затем переправляющийся к полюсам, где он бы остывал, опускался вниз и возвращался к экватору над поверхностью Земли. Однако наша планета вращается довольно быстро, и воздух, находящийся у поверхности на экваторе, движется по направлению на восток с очень высокой скоростью, проходя окружность Земли за сутки (т. е. 40 000 км за 24 часа, что равно 1700 км/ч). Воздух, находящийся у поверхности планеты у Северного и Южного полюсов, движется медленнее, проходя за 24 часа по меньшей окружности, чем на экваторе. На полюсах же почти полный штиль, ветер вращается очень медленно и локально. Таким образом, воздух, поднимающийся на экваторе, с высокой скоростью дует в восточном направлении, и, по мере того как он поднимается, а затем перемещается в сторону холодных полюсов, его движение на восток становится все быстрее по отношению к поверхности. Таким образом, в то время как этот теплый поднимающийся воздух пытается переместиться к одному из полюсов, он будет все больше, относительно окружающего его воздуха, отклоняться к востоку, поэтому по существу воздух будет двигаться исключительно в восточном направлении по окружности вдоль заданной широты. В конце концов он теряет тепло и опускается вниз между 30° с.ш. и 30° ю.ш. (Флорида, США до Перта, Австралия). Этот прохладный опускающийся воздух достигает земли и распространяется на север и на юг. Двигающийся у поверхности к экватору ветер отклоняется на запад по отношению к окружающему его воздуху, который, как и сама поверхность Земли у экватора, движется более быстро в восточном направлении. Эти отклоненные к западу воздушные течения образуют пассаты – преобладающие в тропиках ветра. Вся эта циркуляция теплого воздуха, поднимающегося от экватора и циркулирующего между 30° с.ш. и 30° ю. ш., которая затем охлаждается, опускается и уходит обратно к экватору, называется циркуляционной ячейкой Хэдли. С другой стороны, поверхностный воздух, распространяющийся из опускающегося прохладного воздушного течения, находящегося за пределами 30° с.ш. и 30° ю.ш. и уходящего по направлению к полюсам (подобно экваториальному апвеллингу), отклоняется на восток. Это создает западные ветра умеренного пояса, преобладающие на большей части континентальной части США и Европы. (Термины «восточный ветер» и «западный ветер» могут сбить с толку читателя: специалисты так называют ветра, дующие с востока или запада. Соответственно, западные ветра – те, что дуют на восток.)

Циркуляция атмосферы переносит теплый воздух из тропических зон к полюсам, а холодный воздух – в тропики. Однако из‑за вращения Земли циркуляция атмосферы делится на три ячейки, вращающиеся в противоположных направлениях в Северном и Южном полушариях. Поток воздуха в нижней части каждой ячейки отклоняется на восток или на запад из‑за вращения Земли (и в зависимости от того, направлен ли поток к экватору или в противоположную сторону от него). Эти потоки образуют преобладающие ветра в атмосфере Земли. (С разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)

Наконец, холодный воздух на полюсах, который движется по направлению к экватору, попадает в ветры, дующие гораздо быстрее в восточном направлении, и этот воздушный поток отклоняется на запад по отношению к этим ветрам. Эти воздушные течения называются полярными восточными ветрами, которые преобладают примерно на 60‑м градусе широты в обоих полушариях (например, на Аляске или в Антарктиде). В Северном и Южном полушариях Земли есть три вращающиеся в противоположных направлениях циркуляционные ячейки, которые охватывают Землю параллельно экватору. Они ответственны за перенос горячего воздуха от экватора к полюсам и прохладного воздуха от полюсов к экватору. В этом процессе они управляют преимущественными ветрами планеты, которые находятся, по сути, в нижней части каждой из этих ячеек. Эти преимущественные ветра в основном определяют метеорологические условия (а также высотные струйные течения, которые находятся в верхней части циркуляционных ячеек, а также между ними). Во времена плаваний под парусами они были чрезвычайно важны для моряков.