Atmosfera nie ma sufitu, ma za to wyraźne piętra — i wyznacza je temperatura, nie wysokość.
W poprzednim rozdziale ustaliliśmy, że powietrze rozrzedza się stopniowo: co mniej więcej pięć i pół kilometra w górę zostaje go o połowę mniej. Ta reguła nie ma końca. Połowa połowy połowy — zawsze coś zostaje, coraz mniej i mniej, bez żadnej krawędzi.
Dlatego pytanie „na jakiej wysokości kończy się atmosfera" nie ma odpowiedzi fizycznej. Ma za to odpowiedź administracyjną, i to jest zaskakująco pouczające.
Umowna granica kosmosu, tak zwana linia Kármána, leży na wysokości stu kilometrów. Wybrano ją, bo mniej więcej tam kończy się sens latania w klasyczny sposób: żeby skrzydło wytworzyło siłę nośną w tak rzadkim powietrzu, samolot musiałby lecieć szybciej niż prędkość orbitalna — a wtedy już nie leci, tylko krąży. Amerykańskie siły powietrzne przez lata używały zresztą innej wartości, osiemdziesięciu kilometrów, i przyznawały odznaki astronautów według własnej kreski.
Dwie instytucje, dwie różne granice tej samej rzeczy. To dobra lekcja na całą resztę książki: przyroda rzadko rysuje ostre linie. Rysujemy je my, bo są nam potrzebne — i warto pamiętać, po której stronie takiej linii stoi zjawisko, a po której nasza wygoda.
Dla porządku: na wysokości stu kilometrów powietrze jest około dwa miliony razy rzadsze niż przy ziemi. Ale nie jest go zero. Satelity na niskich orbitach, dwieście do czterystu kilometrów wyżej, wciąż odczuwają opór i muszą co jakiś czas podbijać orbitę silnikami. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna robi to kilka razy w roku. Formalnie jest w kosmosie, fizycznie ciągle ociera się o atmosferę.
Skoro powietrze rozrzedza się gładko, to skąd w ogóle biorą się warstwy? Nie z gęstości — ta spada monotonnie i nie ma na czym postawić granicy. Warstwy wyznacza coś zupełnie innego: kierunek, w którym zmienia się temperatura.
Wędrując w górę, temperatura najpierw spada. Potem, na pewnej wysokości, przestaje spadać i zaczyna rosnąć. Wyżej znów spada. Jeszcze wyżej znów rośnie. Każde takie odwrócenie to granica warstwy — i stąd wzięły się wszystkie nazwy z końcówką „-pauza": to miejsca, gdzie coś się zatrzymuje i zawraca.
To ważniejsze, niż wygląda. Temperatura rządzi tym, czy powietrze może się mieszać w pionie. Kiedy na dole jest cieplej niż na górze, cieplejsze porcje mają skłonność do unoszenia się i warstwa jest przemieszana. Kiedy odwrotnie — na górze cieplej — nic nie chce się unosić i warstwa staje się szczelna. Profil temperatury jest więc mapą tego, gdzie w atmosferze wolno się poruszać w pionie. Wrócimy do tego w Rozdziale 11 i okaże się, że decyduje o wszystkim.
„Cieplejsze porcje mają skłonność do unoszenia się" jest prawdą, ale nie tłumaczy dlaczego — a bez tego łatwo o zbyt prostą wersję reguły.
Skąd bierze się ta skłonność. Ta sama ilość cząsteczek powietrza w cieplejszej porcji zajmuje więcej miejsca niż w chłodniejszej — więc cieplejsza porcja jest po prostu rzadsza, lżejsza od otoczenia o tej samej objętości, i unosi się z tego samego powodu, co drewno w wodzie.
Ale to nie jest prosty wyścig „cieplej na dole kontra cieplej na górze". Wznosząca się porcja powietrza sama stygnie w miarę wznoszenia — to mechanizm rozprężania z sekcji „Dlaczego wysoko jest zimno" niżej na tej stronie. Prawdziwe pytanie brzmi więc: czy porcja, stygnąc w swoim własnym tempie, wciąż jest cieplejsza od otoczenia, na które akurat trafiła? Jeśli tak — dalej się wznosi. Jeśli otoczenie w danym miejscu jest już cieplejsze od niej, porcja przestaje być lżejsza i zawraca.
To dokładnie ten moment opisuje dalej ta strona zdaniem, że wznosząca się porcja „traci ochotę na dalszą podróż" przy tropopauzie — to nie metafora, tylko właśnie ten punkt, w którym porcja i otoczenie mają wreszcie tę samą temperaturę. W meteorologii nazywa się to poziomem neutralnej wyporności. Dokładne liczby i wykres, na którym da się to zobaczyć, są w Rozdziale 10, Rozdziale 11 i w Dodatku B.
Warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy, które ten wykres pokazuje, a które są sprzeczne z intuicją. Pierwsza: w stratosferze temperatura rośnie z wysokością. Grzeje ją ozon, pochłaniając ultrafiolet — czyli ciepło przychodzi z góry, nie z dołu. Ozon potrafi to, czego nie potrafi zwykły tlen, bo jego elektrony wpadają w drgania akurat w takt ultrafioletu docierającego od Słońca; dlaczego tak jest, zobaczymy w Rozdziale 3. Druga: najzimniejszym miejscem na całej planecie nie jest Antarktyda, tylko mezopauza na wysokości około osiemdziesięciu pięciu kilometrów, gdzie latem bywa poniżej minus stu stopni. Właśnie tam, w tym absurdalnym mrozie, tworzą się najwyższe chmury świata — wrócimy do nich w Rozdziale 18.
To pytanie zadaje sobie każdy, kto raz wyszedł w góry albo spojrzał na wskaźnik temperatury za oknem samolotu: minus pięćdziesiąt sześć stopni, a przecież jesteśmy wyżej, czyli bliżej Słońca. Krążą trzy popularne odpowiedzi. Wszystkie trzy są błędne, a przekonanie się dlaczego jest bardziej wartościowe niż sama poprawna odpowiedź.
Bo wysoko jest bliżej zimnego kosmosu.
Kosmos nie ma temperatury w potocznym sensie — jest niemal pusty, a pustka nie chłodzi przez kontakt. Gdyby bliskość kosmosu chłodziła, stratosfera nie byłaby cieplejsza od troposfery. A jest.
Bo wysoko jest dalej od Słońca.
Jedenaście kilometrów wobec stu pięćdziesięciu milionów kilometrów to różnica rzędu jednej dziesięciomilionowej. Ziemia w ciągu roku zmienia odległość od Słońca o pięć milionów kilometrów i to też nie tłumaczy pór roku.
Bo tam powietrze jest rzadsze, a rzadkie powietrze jest zimne.
Samo rozrzedzenie nie ustala temperatury. W termosferze powietrze jest jeszcze rzadsze, a pojedyncze cząsteczki mają tam temperaturę liczoną w setkach stopni. Byłoby tam gorąco — gdyby było czym się grzać.
Ten trop jest najbliżej prawdy i dlatego najbardziej myli. Rozrzedzenie ma znaczenie, ale nie samo z siebie — dopiero przez to, co robi z powietrzem, które się wznosi. To jest temat Rozdziału 10.
Zdanie „byłoby tam gorąco, gdyby było czym się grzać" brzmi jak wykręt, a jest dosłowną prawdą — bo temperatura mierzy co innego, niż nam się wydaje.
Temperatura to prędkość, nie ilość. Fizycznie jest miarą tego, jak szybko poruszają się pojedyncze cząsteczki. W termosferze te nieliczne cząsteczki, które tam zostały, pędzą naprawdę szybko — na tyle szybko, że odpowiada to setkom stopni. Pod tym względem termosfera jest gorąca i to nie jest przenośnia.
Ale ciepło, które czujemy, to co innego — to liczba zderzeń. Skóra grzeje się nie od prędkości jednej cząsteczki, tylko od tego, ile cząsteczek uderza w nią co sekundę. Wyobraźmy sobie pustą salę z kilkoma piłeczkami pingpongowymi latającymi jak szalone, i drugą salę stłoczoną piłeczkami poruszającymi się wolno. W pierwszej niemal nic nas nie trafi — a to właśnie termosfera: gęstość jest tam miliony razy mniejsza niż przy ziemi, więc mimo szalonej prędkości cząsteczek, zderzeń jest za mało, żeby cokolwiek realnie ogrzać.
Dlatego satelita krążący w termosferze nie topi się od „gorącego" powietrza — po prostu nie ma z czym się zderzać. Rozrzedzenie samo w sobie nie chłodzi ani nie grzeje; decyduje dopiero to, ile energii faktycznie da się przekazać przez kontakt. Pełny mechanizm tego, dlaczego w troposferze wznoszące się powietrze mimo wszystko stygnie, poznamy w Rozdziale 10.
Odpowiedź prawdziwą podamy w całości później, bo wymaga jednego pojęcia, którego jeszcze nie mamy. W skrócie: troposfery Słońce prawie nie grzeje bezpośrednio. Światło widzialne przelatuje przez atmosferę niemal bez oporu, bo azot i tlen nie mają w nim żadnych rezonansów, czyli barw, w których takt ich elektrony chętnie by drgały i zatrzymywały energię. Coś po drodze zatrzymują jednak te gazy, które takie rezonanse mają: ozon łapie ultrafiolet wysoko w stratosferze, a para wodna — część podczerwieni ze Słońca. Resztę bierze dopiero ziemia — pole, asfalt, dach, woda. Powietrze przy gruncie dostaje ciepło od dołu, od rozgrzanej powierzchni. Troposfera jest więc ogrzewana od spodu, nie od góry, jak garnek na kuchence.
To pierwsza połowa odpowiedzi i już wyjaśnia, dlaczego przy ziemi jest cieplej. Druga połowa — dlaczego wznoszące się powietrze stygnie tak regularnie, o mniej więcej sześć i pół stopnia na każdy kilometr — to Rozdział 10. Zapowiedź: nie chodzi o żaden kontakt z zimnem, tylko o rozprężanie. To samo, co zna każdy, kto po pompowaniu roweru dotknął dna pompki.
Garnek na kuchence to niecały obraz. Sam kontakt powietrza z rozgrzaną ziemią ogrzewa naprawdę tylko cienką warstwę tuż przy gruncie — powietrze jest fatalnym przewodnikiem ciepła, dlatego robi się z niego izolację ścian. Ciepło idzie dalej w górę dwiema innymi drogami: termikami, czyli bąblami ogrzanego powietrza fizycznie unoszącymi się w górę i mieszającymi całą warstwę, oraz promieniowaniem — nagrzana ziemia emituje podczerwień, a para wodna i dwutlenek węgla ją pochłaniają. Pochłonięta energia nie leci od razu dalej: cząsteczka, rozkołysana w swoim paśmie, zderza się z sąsiadkami i oddaje im ją jako ciepło, więc grzeje się całe powietrze wokół, a dopiero ono samo świeci w podczerwieni dalej, w górę i w dół. Dlaczego akurat te dwa gazy, a nie azot i tlen, pokazuje Rozdział 3. „Kontakt" jest więc prawdziwy, ale to najmniejsza z trzech dróg.
A dno pompki? Tu naprawdę chodzi o ściskanie. Gdy pompujemy, tłok ściska powietrze w cylindrze na tyle szybko, że ciepło nie zdąży uciec w trakcie samego ruchu — taki proces nazywa się adiabatycznym. Cała praca włożona w ściskanie zostaje w gazie jako energia, a to podnosi jego temperaturę. Rozprężanie jest lustrzanym odbiciem: gaz sam wykonuje pracę, rozpychając się na boki, więc traci energię i stygnie. Dokładnie to dzieje się z bąblem powietrza wznoszącym się w atmosferze — nikt go nie chłodzi z zewnątrz, sam się rozpręża i sam traci ciepło.
Jeśli akurat nie kojarzymy tego ciepła z własnej pompki — to normalne. Efekt jest wyraźny dopiero po kilkunastu szybkich, energicznych pompnięciach, a czuć go trzeba w dolnej części cylindra, blisko wylotu do węża, nie na uchwycie na górze, którego zwykle trzymamy się ręką. Metalowa pompka też odprowadza ciepło szybciej niż plastikowa, więc na niej efekt bywa słabszy w dotyku.
Pełny wywód — z liczbami, wykresem i drugim, jeszcze bardziej namacalnym przykładem (dezodorant, który stygnie przy rozpylaniu) — czeka w Rozdziale 10.
↓ Dodatek B — adiabaty, emagram i CAPE, czyli te liczby na wykresieZe wszystkich granic w atmosferze jedna ma dla tej książki znaczenie szczególne: tropopauza. To wysokość, na której temperatura przestaje spadać. Nad Polską leży zwykle około jedenastu kilometrów, nad równikiem sięga siedemnastu, nad biegunami spada do ośmiu.
Poniżej niej temperatura maleje ku górze, więc ciepłe powietrze ma dokąd się wznosić. Powyżej zaczyna rosnąć — a to znaczy, że wznosząca się porcja trafia na coraz cieplejsze otoczenie i natychmiast traci ochotę na dalszą podróż. Tropopauza działa jak sufit. Nie fizyczny, bo nic tam nie ma; sufit termiczny.
Efekt widać gołym okiem i jest to prawdopodobnie najbardziej spektakularny widok, jaki ta książka opisuje. Chmura burzowa rośnie w górę kilometrami, wygląda jak kalafior pchający się w niebo — aż nagle się rozpłaszcza i rozlewa na boki w charakterystyczne kowadło. Uderzyła w tropopauzę. Cała energia, która szła w pion, musi teraz iść w poziom.
Ten sam sufit tłumaczy, dlaczego samoloty rejsowe latają akurat na jedenastu kilometrach. Nie jest to przypadek ani kompromis paliwowy — to lot tuż nad pogodą. Nad tropopauzą praktycznie nie ma pionowego mieszania, a więc nie ma turbulencji konwekcyjnej, nie ma chmur i nie ma burz. Jedyne, co tam czeka, to prąd strumieniowy, którym da się sprytnie płynąć albo pod który trzeba się podpierać.
Zbierzmy to razem, bo wniosek jest mocniejszy niż suma części. Atmosfera ma pięć warstw, sięga umownie stu kilometrów, a formalnie znacznie wyżej. Ale osiemdziesiąt procent jej masy i praktycznie sto procent tego, co nazywamy pogodą, mieści się w najniższej z nich — w troposferze, w warstwie o grubości jedenastu kilometrów.
Jedenaście kilometrów. To jest odległość, którą przejeżdżamy samochodem w kwadrans. Gdyby dało się jechać pionowo, w kwadrans wyjechalibyśmy ponad każdą chmurę, jaką kiedykolwiek widzieliśmy, ponad każdą burzę i ponad całe niebo, o którym jest ta książka.
Ta warstwa jest przy tym niezwykle ruchliwa. Ponieważ grzeje ją od spodu nierównomiernie nagrzana powierzchnia — inaczej pole, inaczej las, inaczej jezioro, inaczej miasto — w środku bez przerwy coś się unosi i coś opada. Troposfera to nazwa całkiem trafna: greckie tropos znaczy „obrót, zmiana". Warstwa, która się miesza.
Wszystko, co dalej: kolor nieba, każda chmura, każda tęcza, każdy front i każda burza, dzieje się w tej jednej, cienkiej, nieustannie mieszanej warstwie. Reszta atmosfery jest tłem.
„Połowa masy atmosfery poniżej pięciu i pół kilometra" brzmi jak ciekawostka, dopóki nie zestawimy tego z tym, ile powietrza potrzebuje człowiek. Wtedy okazuje się, że ta liczba wyznacza mniej więcej granicę, do której nasze ciało jeszcze sobie radzi.
Powyżej dwóch i pół kilometra część ludzi łapie chorobę wysokościową — organizm nie nadąża z pobieraniem tlenu z rozrzedzonego powietrza. Około pięciu kilometrów leży kres stałego osadnictwa: wyżej są kopalnie i schroniska, ale nikt się tam nie rodzi i nie starzeje. Powyżej siedmiu i pół kilometra zaczyna się strefa śmierci — nawet zaaklimatyzowany wspinacz tam nie regeneruje, tylko powoli słabnie, i dlatego na Mount Everest, na wysokości ośmiu i osiem, prawie wszyscy idą z butlą.
Pułap rejsowy to jedenaście kilometrów i tam powietrza jest już tylko piąta część. Kabina jest dlatego dopompowana do ciśnienia z mniej więcej dwóch kilometrów — stąd strzykanie w uszach przy zniżaniu. A na dziewiętnastu kilometrach, wciąż osiemdziesiąt kilometrów pod umowną granicą kosmosu, ciśnienie spada tak nisko, że woda o temperaturze ciała wrze sama z siebie. Cała biologia człowieka mieści się w dolnych trzech kilometrach tej jednej warstwy.
Krzywa z poprzedniej sekcji, ta z załamaniem na tropopauzie i wzrostem w stratosferze, wygląda na coś wyliczonego. Nie jest. Jest mierzona, dwa razy na dobę, z około ośmiuset miejsc na świecie — w Polsce między innymi z Legionowa, Łeby i Wrocławia.
Gumowy balon szerokości dwóch metrów, napełniony wodorem albo helem, unosi małą sondę radiową — po polsku radiosonda — która co sekundę melduje temperaturę, wilgotność, ciśnienie, a z przesunięcia sygnału GPS także wiatr. W miarę wznoszenia ciśnienie na zewnątrz spada, więc balon pęcznieje; gdzieś koło trzydziestu kilku kilometrów jest już wielkości domu i pęka. Sonda wraca na małym spadochronie, czasem ktoś ją znajduje w polu.
Dlatego kontrintuicyjny kształt tej krzywej — nagły kant na jedenastu kilometrach, wzrost powyżej — nie jest niczyim modelem. To jest to, co balon zmierzył po drodze w górę.
Troposfera ma jedenaście kilometrów, ale ta jej część, która dotyka nas bezpośrednio, jest o wiele cieńsza. Nazywamy ją warstwą graniczną — to dolne kilkaset metrów do jakichś dwóch kilometrów, w których powietrze czuje tarcie o grunt i jego dobowe nagrzewanie. Wyżej zaczyna się „wolna atmosfera", która o powierzchnię już nie dba.
W słoneczny dzień grunt grzeje powietrze od spodu i wprawia je w ruch: warstwa graniczna rośnie, po południu bywa gruba na dwa kilometry, a dym i zamglenie rozchodzą się w całej jej objętości. Nocą grunt stygnie, mieszanie ustaje, i warstwa zapada się do płytkiej, nieruchomej, często zimniejszej błony grubej na kilkadziesiąt metrów.
Dlatego smog, mgła i przymrozek to zjawiska nocy i poranka, dlatego wieczorna smuga z komina rozlewa się płasko zamiast iść w górę, i dlatego temperatura spada najszybciej w godzinie po zachodzie. Zimą w dolinie ta płytka zimna warstwa potrafi utrzymać się kilka dni — to ta sama inwersja, o której mowa w „Z praktyki". Mówiąc „pogoda", w dziewięciu przypadkach na dziesięć mamy na myśli to, co dzieje się w tej piwnicy, nie na jedenastym kilometrze.
Ekran w samolocie mówi prawdę. Temperatura za burtą na wysokości przelotowej to typowo od minus pięćdziesięciu do minus sześćdziesięciu stopni — i to latem, nad Polską. Warto raz na to spojrzeć zamiast na film, bo to jedyna okazja, żeby zobaczyć profil temperatury z tej książki jako liczbę, a nie jako wykres.
Kowadło widać z bardzo daleka. Burza, która wypuściła kowadło, jest już dojrzała — i widać ją nawet ze stu kilometrów, bo jej szczyt stoi na jedenastu kilometrach. Jeśli latem na horyzoncie widzimy biały, płaski, rozlany na boki wierzchołek, patrzymy na coś, co dzieje się prawdopodobnie w zupełnie innym powiecie. Kierunek jego „ogona" pokazuje, w którą stronę burza się przesuwa.
Inwersja w kotlinie. Zimą w Zakopanem, w Krakowie i w każdej dolinie zdarza się, że wyjazd kolejką w górę oznacza wyjście w cieplejsze powietrze i pełne słońce, gdy na dole trzyma mróz i smog. To lokalne odwrócenie profilu temperatury — dokładnie ta sama mechanika, która w skali całej atmosfery tworzy stratosferę. Zajmiemy się nią w Rozdziale 11.
„Dokładnie ta sama mechanika" to skrót myślowy warty rozwinięcia — bo obie sytuacje dają ten sam efekt, ale z zupełnie innej przyczyny.
Inwersja w kotlinie powstaje od dołu. W bezchmurną, spokojną noc grunt oddaje ciepło w niebo przez promieniowanie i szybko stygnie — a powietrze tuż przy nim stygnie razem z nim. Do tego zimne, gęste powietrze spływa po zboczach w dół i zbiera się na dnie doliny, jak woda. Ciepło zostaje więc uwięzione kilkadziesiąt-kilkaset metrów wyżej, nietknięte tym samym wychładzaniem.
Stratosfera grzeje się od środka. Warstwa ozonu pochłania ultrafiolet ze słońca i ogrzewa się tym bezpośrednio, w miejscu, w którym jest — nie ma tu żadnego chłodzenia od dołu ani spływania powietrza. Ciepło po prostu powstaje wewnątrz warstwy.
Nocą w kotlinie jest jeszcze jeden gracz: para wodna. Grunt oddaje ciepło jako podczerwień, a para wodna ma w podczerwieni mnóstwo pasm pochłaniania — zakresów barw, które jej cząsteczki łapią, bo drgają w ich takcie (Rozdział 3). Wilgotne powietrze działa więc jak koc: zatrzymuje część tego ciepła i odsyła je w dół. W suchą, bezchmurną noc koca nie ma, grunt stygnie najszybciej i inwersja wychodzi najsilniejsza — dlatego najmocniejsze przymrozki i najgęstszy smog w dolinach zdarzają się w noce mroźne i suche.
Wspólne jest wyłącznie to, co obie sytuacje robią z powietrzem: warstwa cieplejsza nad chłodniejszą blokuje mieszanie w pionie, więc smog w kotlinie i stratosfera zachowują się podobnie — jak szczelna pokrywka. Ale to podobieństwo skutku, nie tożsamość mechanizmu. Uczciwiej powiedzieć: ten sam efekt, inna przyczyna.
Mamy scenę: cienką warstwę powietrza z wyraźnymi piętrami. Brakuje nam drugiego aktora — światła. W następnym rozdziale zajmiemy się jedną jedyną rzeczą, ale za to taką, z której wynika połowa tej książki: co się dzieje, gdy światło spotyka przeszkodę, i dlaczego rozstrzyga o tym wyłącznie rozmiar tej przeszkody. To pytanie odpowie naraz na dwa inne: dlaczego niebo jest niebieskie i dlaczego chmura jest biała.