Погода интересует всех

На орбитах спутников

Покинем теперь два нижних «этажа» стратосферы, которые еще недавно считались основными регуляторами погодообразующих процессов. Над стратосферой расположены три верхних «этажа» атмосферы, т. е. мезосфера, термосфера и экзосфера. Какое влияние оказывают эти слои на погоду, на характеристики разных сезонов года, а может быть, даже и на изменение климата, пока еще неизвестно. Однако несомненно, что изучение этих слоев имеет большое значение для правильного понимания основных вопросов метеорологии. Важнейшая особенность мезосферы и термосферы состоит в том, что молекулы атмосферных газов в этих слоях ионизированы. Поэтому эти слои часто называют также ионосферой. Тесная связь между земными процессами и космическими явлениями ни в чем не проявляется так отчетливо, как во взаимодействии между солнечной активностью, состоянием ионосферы и земным магнетизмом. Поэтому неудивительно, что на протяжении многих десятилетий ионосфера является предметом исследований геофизиков, специалистов по земному магнетизму и метеорологов.

Ионосфера простирается примерно с 80 до 500 км. В отличие от слоя D, лежащего в мезосфере, зоны максимальной ионизации, называемые слоями E₁ и Е₂, а также F₁ и F₂, ионизированы постоянно, даже ночью, когда прекращается поступление в ионосферу коротковолновой солнечной радиации. Электропроводность слоев Е и F довольно значительна. В ионосфере было бы невозможно проложить высоковольтные линии электропередачи: ток шел бы не по проводам, а растекался бы по всему пространству.

Схема расположения слоев с максимальной концентрацией ионов на дневной и ночной сторонах Земли: А, Б — передатчики.

Электропроводные слои ионосферы имеют очень большое значение для радиосвязи — они отражают короткие радиоволны. Тем самым они способствуют межконтинентальному распространению таких радиоволн. Однако характер отражения радиоволн ионосферой изменяется во времени, ибо степень ионизации высоких слоев атмосферы тоже меняется. Первой причиной изменения степени ионизации является непрерывное изменение высоты солнца над горизонтом и, следовательно, угла падения солнечных лучей на слои ионосферы. Второй причиной является непрерывно колеблющийся состав солнечной радиации, поступающей в атмосферу. Колебания степени ионизации создают весьма неблагоприятные условия для распространения коротких радиоволн и тем самым препятствуют нормальной коротковолновой радиосвязи. Но зато благодаря этим же колебаниям короткие радиоволны оказываются мощным средством исследования изменения высоты и перемещения слоев Е и F, концентрации ионов в них, а также солнечной активности.

Наряду с нормальной ионизацией ионосферы существует аномальная ионизация, которая возникает главным образом при повышенной солнечной активности, т. е. в тех случаях, когда Солнце излучает большое количество коротковолновой радиации и материальных частиц, называемых корпускулами. Волновое и корпускулярное излучение может настолько сильно изменить нормальное состояние ионосферы, что, вместо того чтобы отражать, она начинает почти полностью поглощать короткие радиоволны, посылаемые с земной поверхности. В таких случаях межконтинентальная коротковолновая радиосвязь полностью прекращается.

Ионизация верхних слоев атмосферы служит причиной еще одного метеорологического явления. Отрыв электронов из оболочек атомов связан с некоторой затратой энергии. Когда после захода солнца свободные электроны рекомбинируют, энергия, затраченная на ионизацию, снова высвобождается, в результате чего наблюдается слабое свечение, которое, конечно, не может быть воспринято человеческим глазом. Это явление называют ночным свечением неба. В период МГГ это явление исследовалось на трех специальных станциях с помощью особо чувствительных электрических фотометров.

К числу часто наблюдаемых явлений, происходящих в высоких слоях атмосферы, относятся и хорошо известные полярные сияния. Так называется оптическое явление в ионосфере, особенно часто наблюдающееся в полярных широтах земного шара и видимое в ночное время невооруженным глазом. Из 100 полярных сияний, наблюдаемых на Северном полюсе, в центральных районах Скандинавского полуострова видны лишь 40, в Дании — 4, а в южных районах ГДР и ФРГ — всего одно.

В отличие от ионизации верхних слоев атмосферы, полярные сияния возникают под действием не ультрафиолетовой части солнечной радиации, а материальных частиц — электронов, ионов и осколков атомов различных химических элементов. Все эти частицы выбрасываются Солнцем, через 36 часов улавливаются магнитным полем Земли и вдоль силовых линий направляются к ее магнитным полюсам. Входя в земную атмосферу, эти частицы возбуждают атомы азота и кислорода, что и приводит к свечению, называемому полярным сиянием.

Цвета, встречающиеся в полярном сиянии, свидетельствуют о наличии на различных высотах определенных газов. Еще 80 лет тому назад наблюдения за полярными сияниями использовались для косвенного суждения о составе атмосферного воздуха на высоте 500 км.

Кроме того, ионосфера отличается еще высоким содержанием космической пыли. Эта пыль состоит из мельчайших частиц, которые захватываются из космического пространства гравитационным полем Земли. Они вторгаются в атмосферу с колоссальными скоростями, от 10 до 70 км/сек. Масса космической (метеоритной) пыли, поступающая в атмосферу Земли, оценивается в 10 000 000 т в год. На высоте примерно 120 км полет частиц космической пыли сильно тормозится и в результате возникает слой, обогащенный этими частицами. Из этого слоя пылинки сравнительно медленно оседают в более низкие слои атмосферы, а затем выпадают на земную поверхность. Содержание космической пыли в атмосфере становится особенно значительным, когда Земля, двигаясь вокруг Солнца, пересекает или задевает скопления метеоритной пыли, называемые также метеоритными роями. Скопления метеоритной пыли в атмосфере, освещаемые солнечными лучами, в ночное время иногда видны в виде слабо светящихся пятен, получивших название серебристых облаков[22].

Какие же газы входят в состав атмосферы на высоте, скажем, 200 км? Имеется ли в высоких ее слоях атомарный азот? Точные ответы на эти и многие другие вопросы впервые удалось получить с помощью метеорологических ракет и искусственных спутников Земли.

На протяжении многих лет в Геофизическом исследовательском бюро США велась работа по проекту «Светлячок». В приборную головку американской исследовательской ракеты «Аэроби» помещались различные газы, которые выбрасывались в атмосферу на высотах от 100 до 200 км. Высокие слои атмосферы были превращены в гигантскую лабораторию, причем во многих пунктах на земной поверхности велись наблюдения за яркостью и движением этих искусственных газовых облаков. В первом опыте на высоте 100–120 км был выброшен атомарный натрий. Кадры, полученные при ускоренной киносъемке натриевого облака, дали интересные сведения о характере ветра на высотах. Светящийся газовый след под влиянием ураганного ветра, господствовавшего на высоте 100 км, непрерывно менял свою форму.

В других опытах, наблюдая оптические явления, сопровождавшие выброшенное в атмосферу облако окиси азота, определили концентрацию атомарного кислорода. Оказалось, что на высоте примерно 100 км происходят реакции между атмосферным кислородом и этиленом, введенным сюда с помощью ракеты.

Возник вопрос: происходят ли химические реакции на этих высотах лишь между составными частями воздуха и искусственно вводимыми газами или же имеют место также и другие физические процессы?

Ответ на этот вопрос дал эксперимент, в ходе которого в атмосферу в ночные часы были введены некоторые инертные газы. Как известно, такие газы не вступают в химические реакции с другими элементами. Введение инертных газов не сопровождалось оптическими явлениями. Так было доказано, что в предшествующих опытах действительно имели место химические реакции. Таким образом, удалось получить первое прямое указание на наличие в высоких слоях атмосферы не только атомарного кислорода, но и атомарного азота.

Проблемы химии высоких слоев атмосферы гораздо сложнее и труднее проблем химии тропосферы. Газы ионосферы невозможно попросту уловить в какой-либо контейнер и доставить на земную поверхность для лабораторного анализа. Химически активные газы (кислород, окись азота и др.), будучи заключены в контейнер, немедленно рекомбинировали бы. Если они не подвергаются действию естественной ультрафиолетовой радиации, то их химические свойства совершенно изменяются. Улавливание химически пассивных газов в высоких слоях атмосферы должно быть проведено очень чисто. Дело в том, что на высоте 150 км воздух сильно разрежен. Если контейнер не будет заранее тщательно очищен от газов, то пробы воздуха, забранные во время опускания контейнера на парашюте, будут испорчены остаточными (паразитными) газами, содержащимися в его металлических стенках. Следует учитывать, что в нормальных условиях в 1 см³ воздуха содержится 27 триллионов молекул, а на высоте 150 км — только 13 миллионов. Поэтому на больших высотах молекулы имеют сравнительно «много места», и, следовательно, значительно возрастает длина их свободного пробега. Это значит, что в промежутках между столкновениями с другими молекулами они могут проходить сравнительно большие расстояния и развивать большие скорости.

Однако верхняя граница земной атмосферы располагается не в ионосфере, а выше. С 400 км начинается четвертый «этаж» атмосферы, называемый экзосферой, которая медленно переходит в межпланетную плазму.

На этих высотах лежат орбиты искусственных спутников Земли. Успешный запуск первого спутника 4 октября 1957 г. стал подлинно всемирной сенсацией. На высоте полета спутников атмосферные газы уже очень сильно разрежены и все же они изменяют орбиты спутников. Вследствие трения спутники постепенно теряют скорость и в конце концов сгорают. Новейшие расчеты, выполненные на основании наблюдений над изменением орбит спутников, показали, что плотность воздуха на высоте 1000 км по меньшей мере вдвое больше, чем предполагалось раньше. Кроме того, было обнаружено, что время обращения спутников испытывает периодические колебания, что свидетельствует о кратковременных изменениях плотности воздуха на рассматриваемых высотах.

Невозможно точно указать, какова температура воздуха в экзосфере. Дело в том, что обычное для физики понятие о температуре среды здесь теряет свой смысл. Под температурой среды в физике понимают кинетическую энергию движения молекул этой среды. Чем больше эта энергия, тем теплее среда. Кинетическая энергия газовых молекул, находящихся на уровне орбит спутников, соответствует температуре около 10 000°! Можно было бы думать, что в среде с такой температурой искусственный спутник немедленно расплавится. Однако такое предположение оказалось бы ошибочным, так как на этих высотах обычное понятие «температура» уже неприменимо. Хотя кинетическая энергия молекул действительно соответствует температуре 10 000°, однако самих молекул атмосферных газов, ионов и свободных электронов здесь настолько мало, что они не могут оказать такое же влияние, какое эта колоссальная температура оказала бы вблизи земной поверхности.

Поскольку спутники летят вблизи верхней границы земной атмосферы, то с их помощью впервые удалось измерить потоки энергии, приходящие к Земле из космического пространства. До настоящего времени мы могли наблюдать Вселенную только через узкое «окно» в спектре электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и другими небесными телами. Радиацией, проникающей к нам через это «окно», является видимый свет, а также радиоизлучение светил. Все остальные участки спектра лучистой энергии поглощаются атмосферой. Это полезно и вредно для человека. Полезно — так как озонный слой стратосферы, т. е. озоносфера, поглощает смертоносную ультрафиолетовую часть солнечной радиации. Вредно — так как углекислый газ и водяной пар, содержащиеся в атмосфере, поглощают еще и длинноволновую часть солнечной радиации, т. е. инфракрасные лучи, производящие отепляющее действие.

Лишь через два атмосферных «окна» лучистая энергия проникает из мирового пространства к земной поверхности. Рт — рентгеновские лучи, Уф — ультрафиолетовые лучи, Ик — инфракрасные лучи, Т — тепловое излучение.

Нередко бывает так, что неизвестные еще явления природы обнаруживаются по возмущениям, которые они вносят в показания приборов. Так случилось, в частности, с открытием радиационных поясов Земли, т. е. удерживающегося вокруг нее ореола заряженных частиц. Американские исследователи обратили внимание на то, что сигналы некоторых искусственных спутников Земли, оснащенных счетчиками ионизации Гейгера — Мюллера, в определенные моменты как бы поглощались атмосферой и переставали поступать на Землю. Приборы спутников были испытаны в лабораторных условиях. Удалось установить, что потерю слышимости сигналов спутника наземными станциями можно объяснить только наличием вокруг Земли некоторой зоны с аномально высокой интенсивностью лучистой энергии. Подтверждение этого открытия было получено с помощью третьего советского искусственного спутника. Он был оснащен специальным сцинтилляционным счетчиком, который обнаружил потоки радиации интенсивностью, более чем в 100 раз превышающей интенсивность потока космических лучей на тех же высотах. Измерения позволили обнаружить зоны сильного рентгеновского излучения, находящиеся на расстоянии 0,5 и 3,5 земных радиусов над поверхностью Земли. Это излучение убивало бы все живые организмы, если бы они находились более или менее длительно без специальной радиационной защиты. Интенсивность радиации составляет здесь 100 рентгенов в час. Напомним, что на поверхности земли человек за 30 лет получает в форме естественной радиоактивности лишь около 10 рентгенов.

На основании приведенного описания явлений, происходящих в высоких слоях атмосферы, может сложиться впечатление, будто сама по себе погода сравнительно слабо связана со свойствами различных «этажей» атмосферы. Конечно, сугубо аналитическое рассмотрение воздушной оболочки Земли и изолированный анализ лишь того или иного из происходящих в ней явлений не могут дать полного представления о погодообразующих процессах в целом. Процессы, развивающиеся в воздушном океане, могут быть поняты только как результат взаимодействия многочисленных и разнообразных сил. Для успешного прогнозирования погоды на средний и долгий срок необходимо разрешить весьма трудную задачу, а именно нужно учесть взаимодействие между тропосферой, стратосферой и ионосферой. Сравнительно частое чередование непродолжительных дождливых периодов, вторжений холода и других погодных явлений может быть правильно оценено и предсказано на основании данных о состоянии одного лишь нижнего «этажа» атмосферы, т. е. тропосферы. Но сведений об одной лишь тропосфере недостаточно для прогнозирования погоды на целый сезон и тем более колебаний климата. Для этого необходимо принимать во внимание изменения, происходящие не только в тропосфере, но также в стратосфере и ионосфере.