Ионосфера


Это название произошло от греческого слова «ион» — блуждающий, идущий. Так названы заряженные положительно или отрицательно мель­чайшие частицы. Происхождение их таково. Как известно, атомы, из ко­торых построены все вещества, состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных вращающихся вокруг него электронов. Величина зарядов ядра и электронов равна между собой, и атом оказы­вается нейтральным. Но в некоторых условиях один из внешних электро­нов отделяется от системы ядра. Тогда атом, потерявший электрон, ста­новится заряженным положительно. Отделившийся отрицательный элек­трон присоединится к одному из соседних нейтральных атомов или даже молекул, и последние приобретают отрицательный заряд. Эти заряженные положительно и отрицательно частицы называются ионами.

Для того чтобы «выбить» электрон из атома, нужно затратить энер­гию. В атмосфере ее источником чаще всего является ультрафиолетовая часть солнечных лучей и мельчайшие заряженные твердые частицы — корпускулы, выбрасываемые Солнцем. Ионизация нижних слоев атмосфе­ры происходит при разрядах молнии. Но здесь, при большой плотности воздуха, ионы сохраняются недолго; они быстро нейтрализуются. На боль­ших высотах, где количество молекул невелико и их встречи редки, ионы могут существовать более продолжительное время.

С высотой возможность ионизации атмосферы солнечными лучами возрастает. Но вместе с тем резко падает плотность воздуха, а следователь­но, и количество молекул и атомов в единице объема. Поэтому наиболее ионизированные слои атмосферы располагаются не на самой большой вы­соте, а там, где плотность атмосферы еще достаточно велика, но вместе с тем не настолько, чтобы образовавшиеся ионы быстро нейтрализовались. Установлено, что резкое увеличение ионизации атмосферы наступает на высоте 90-100 километров, то есть тотчас же за верхней границей стра­тосферы. Потому этот более высокий слой и назван ионосферой. Предполагавшееся уже давно ионизированное состояние высоких слоев атмосферы было полностью подтверждено и изучено в последние деся­тилетия, знаменующиеся развитием радиосвязи.

Очень скоро после начала регулярных радиопередач было установле­но, что радиосигналы слышны на значительно большем расстоянии, чем это должно было бы быть по их мощности. Здесь происходит то же, что и с звуковыми взрывными волнами: появляются зоны непосредственной слы­шимости, затем зоны молчания и новые, более далекие, зоны хорошей слышимости. Все эти явления в настоящее время подробно исследованы. Их причиной является отражение радиоволн от сильно ионизированных слоев, расположенных на разных высотах в атмосфере. В некоторых слу­чаях отраженные радиоволны обегают вокруг всего земного шара.

Выяснилось, что таких слоев наибольшей ионизации в атмосфере несколько. Их назвали буквами латинского алфавита. Лучше всего вы­ражены два таких слоя: слой «Е» и слой «F». Слой «Е» лежит на высоте около 100 километров, слой «F» — на высоте около 200 километров. Позд­нее было установлено, что слой «F» при известных условиях раздваи­вается, и в этом случае отмечают нижний слой «F1» на высоте около 180-200 километров и верхний «F2» на высоте 230-250 километров.

Существует еще один слой слабой ионизации — «D». Он распола­гается на высоте всего 50-65 километров, то есть в стратосфере. Несмо­тря на это, в главе о стратосфере он не упоминался, так как основным его свойством является ионизация, в целом рассматриваемая здесь. Этот слой более поглощает радиоволны, чем отражает их.

В некоторых случаях отражение радиоволн побуждает предположить существование отражающих слоев на огромных высотах до 1000 километ­ров. Но это еще далеко не доказано.

Радиоволны были использованы также для непосредственных иссле­дований ионосферы. С этой целью вертикально вверх посылается короткий радиоимпульс, затем наблюдается его возвращение обратно к поверхно­сти Земли после отражения от ионизированных слоев. Определяя время между посылкой сигнала и его возвращением и зная, что электромагнит­ная волна распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секун­ду, мы можем рассчитать, на какой вы­соте лежит слой, отразивший эту волну.

Такие наблюдения и позволили уточ­нить высоту слоев «Е» и «F» и вести над ними регулярные наблюдения. Каждый такой слой отражает электромагнитные волны только определенной длины. Им­пульсы другой частоты проходят сквозь него свободно, не отражаясь.

Мы всегда можем подобрать электро­магнитные импульсы такой частоты, кото­рые отражаются от какого-нибудь опре­деленного слоя, проходя свободно через другие. И поэтому можно последовательно и в короткое время определить состояние отражающих слоев, лежащих на разных высотах. Диаграмма отражения электромагнитных импульсов имеет такой вид, как на рис. 23. Нижняя толстая, почти горизонтальная, линия показывает запись высоты отражающего слоя для определенной длины волны. После изменения волны луч проникает выше, и это стано­вится видимым на диаграмме по загибанию кривой. Новая волна, с дру­гой частотой, достигает также только определенной высоты, а затем она тоже отражается. На диаграмме это проявляется в том, что линия вновь приобретает горизонтальность. Меняя частоту электромагнитного импуль­са, мы опять добиваемся прохождения луча через отражающий слой до новой высоты, на которой волна опять начинает отражаться.

Слой «F» ночью отражает электромагнитные волны слабее, а днем — сильнее. Днем и летом, то есть в периоды наибольшего воздей­ствия Солнца, этот слой обычно делится на два: высота нижнего слоя к полудню уменьшается; одновременно высота второго, более высокого, увеличивается. После полудня наблюдается обратное явление.

Установлена хорошая связь высоты и плотности большинства отра­жающих слоев с годовым ходом Солнца и с одиннадцатилетним циклом изменений солнечной активности. Также уже давно установлена связь между состоянием ионизированных слоев и так называемыми магнит­ными бурями, выражающимися в быстрых колебаниях стрелки компаса и часто сопровождающимися полярными сияниями.

Самый низкий слой — «D» мало меняется по высоте, и суточного и годового хода его не замечено. Слой только резко усиливается после вос­хода Солнца. Причина заключается в том, что слой «D» образуется под действием ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.

Ионосферные наблюдения позволяют судить не только о степени ионизации атмосферы на разных высотах, но и о строении таковой. Из ионосферных исследований можно, в частности, сделать вывод, что на­блюдающееся состояние отражающих слоев атмосферы могло образо­ваться в результате ионизации кислорода и в меньшей степени азота. Это вновь подтверждает однородность состава воздуха до большой вы­соты.

Радиофизические методы позволяют также приближенно рассчи­тать плотность и давление атмосферы на очень больших высотах. От по­верхности Земли до 100 километров давление падает в 1 000 000 раз, а от 100 до 250 километров — всего в 200 раз.

Этот же расчет позволяет сделать и другие выводы, относящиеся к со­ставу воздуха и его температуре. Можно предположить, что приблизи­тельно на высоте 175 километров уже весь кислород разделен на атомы. Ниже этой границы большинство атомов за ночь, то есть при отсутствии ультрафиолетовых лучей Солнца, успевает вновь соединиться в обычные молекулы кислорода. Освобождающаяся при этом энергия увеличивает теплосодержание ионосферы. Сделанные на этих основаниях расчеты пока­зали, что температура на высоте 175 километров должна быть близка к +13 градусам, а выше сильно возрастает, достигая 500 и 700 градусов выше нуля. Следует, впрочем, отметить, что при крайней разреженности воздуха понятие «температура газа» приобретает здесь совсем другой смысл, чем внизу, и этот термин может быть применен только условно.

Несмотря на большое разрежение воздуха, и в ионосфере наблюда­ются видимые глазом скопления частиц, обладающие заметным движе­нием и позволяющие установить, что и здесь бывают сильные «ветры».

Несколькими исследователями были замечены очень слабые, едва видимые, светящиеся полосы, расположенные на большой высоте и обла­дающие заметным движением. Наблюдения над ними производились в средних широтах и около экватора. Было установлено, что они лежат на высоте более 100 километров, а дальнейшие, более точные определения да­ли среднюю высоту 120 километров. Летом полосы движутся с юго-запада, зимой и с юго-запада и с севера. Скорость движения очень велика. Если в среднем для лета она равна 50 метрам в секунду (180 километров в час), а зимой 63 метрам в секунду (227 километров в час), то и скорости больше 100 метров в секунду (более 360 километров в час) наблюдаются не так редко — их можно встретить в 21 проценте всех наблюдавшихся случаев. Но и это не предел. Некоторые светящиеся полосы неслись со скоростью 267 метров в секунду (961 километр в час). С этой скоростью только недавно начали уверенно соперничать быстроходные самолеты.

К этим светящимся полосам можно с большей вероятностью отнести те предположения об их происхождении, какие раньше высказывались в отношении серебристых облаков. Попадающая в атмосферу космическая пыль постепенно оседает; быстрее оседают крупные частицы, чем они мельче, тем дольше продолжают плавать в воздухе. В том случае, когда в земную атмосферу проникает большое облако космической пыли, мель­чайшие частицы остаются в высоких слоях очень долго. Освещенные Солнцем, они-то и становятся видимыми в виде светящихся полос.