Земная атмосфера и околоземное пространство
Атмосфера Земли – это газ, состоящий из взаимодействующих друг с другом нейтральных и заряженных частиц. Газовая (воздушная) оболочка земного шара простирается на высоту свыше 1000 км. Состав воздуха представляет собой механическую смесь газов: 78,09% азота, 20,95 – кислорода, 0,93 – аргона, 0,03 – углекислого газа, 0,01% – водорода и небольших количеств неона, гелия, криптона, ксенона и озона. Этот состав остается почти неизменным до высоты примерно 100 км благодаря тому, что атмосфера постоянно "перемешивается". Однако многочисленные примеси органического и неорганического происхождения, попадающие в атмосферу с поверхности Земли (вода в виде паров, капелек или кристалликов льда, углекислота, споры растений, минеральная пыль и т. п.) или из межпланетного пространства (метеоритная пыль, вода), а также образующиеся в атмосфере (озон и т. п.), распределены по высотам неравномерно. Под действием излучения Солнца и других факторов значительная часть газов в верхних слоях атмосферы разлагается на атомы и ионизируется.
Плотность атмосферы быстро убывает с высотой – примерно в 10 раз с каждыми 20 км. Для атмосферы характерно резко выраженное слоистое строение. Какова структура атмосферы? Нижний ее слой называется тропосферой. Он содержит большое количество влаги и характеризуется понижением температуры с высотой. Толщина его в умеренных широтах – 10-12 км. В тропосфере идут мощные процессы образования облаков и осадков.
Выше располагается стратосфера. Она тянется до высоты примерно 35 км. Температура здесь меняется мало (в средних широтах около 50°С ). Наблюдаемое иногда медленное возрастание температуры над границей тропосферы называют метеорологической инверсией. Затем температура растет примерно до 20° (на высоте около 60 км) и вновь падает до –80 –100° на высоте 80 км. Выше 80 км температура вновь растет, достигая на высоте 120 км примерно 50°, а на высоте 200-250 км – свыше 1000°. На высотах 100-120 км и 200-300 км располагаются слои атмосферы с повышенной концентрацией ионов (ионосфера), отражающие радиоволны и обладающие электрической проводимостью.
Условия, существующие в высоких слоях атмосферы, связаны с деятельностью Солнца и с другими воздействиями космоса. Они существенно сказываются на земной погоде, и знание их важно для составления ее прогнозов. Изучение ионосферы имеет значение и для радиосвязи, так как качество приема радиоволн существенно зависит от ее состояния. В последние годы исследования верхней атмосферы Земли интенсивно расширяются. Заметим, что термин "верхняя атмосфера Земли" относится к области высот более 60 км. С ростом высоты верхняя атмосфера становится все более разреженной, переходя либо постепенно, либо скачком в межпланетный газ.
Сейчас атмосферу изучают как единую непрерывную среду, неделимую по высоте на отдельные физически ограниченные области, в которой существует сильная взаимосвязь между различными уровнями. На пути исследователей встречается много трудностей, которые во многом объясняются отсутствием единой разработанной теории атмосферы. Дело в том, что лучистая энергия Солнца издавна считалась фактором, управляющим многими процессами в верхней атмосфере, и по этой причине ее постоянно и успешно изучали. Однако помимо энергии, приносимой непосредственно солнечной радиацией, значительное количество энергии поступает в верхнюю атмосферу из нижней благодаря их динамической связи, а также при взаимодействиях магнитосферы (т. е. области локализации геомагнитного поля, обтекаемого солнечным ветром) и межпланетной среды и, возможно, при прямом попадании в верхнюю атмосферу энергичных солнечных частиц. В связи с этим пока все еще нет ясного понимания взаимодействия указанных явлений.
Ученые проводят не менее важные исследования околоземного пространства за пределами атмосферы Земли. Это пространство заполнено заряженными частицами, распределение которых существенно влияет на распространение низкочастотных радиоволн вблизи Земли.
Эксперименты, проведенные при помощи спутников Земли и других космических аппаратов в течение последних 20 лет, привели к существенным изменениям представлений о физических свойствах околоземного пространства. Было установлено, в частности, что размеры плазменной оболочки Земли - ионосферы, состоящей из заряженных частиц весьма низких (тепловых) энергий, оказались гораздо большими, чем это предполагалось. Были открыты радиационные пояса Земли и другие ранее неизвестные закономерности и явления физики околоземного пространства. Первые советские спутники, запущенные в космос в октябре и ноябре 1957 г. и в мае 1958 г., позволили сделать ряд важных научных открытий. С помощью установленного на третьем искусственном спутнике Земли прибора – магнитометра - было измерено магнитное поле Земли.
Магнитометр, подобно компасу, показывает направление силовых линий магнитного поля. Кроме того, он автоматически отмечает величину его напряженности. Раньше в школьных учебниках магнитное поле Земли изображалось в форме яблока. На рисунках, помещенных там, магнитные силовые линии выходили из Северного полюса и входили в Южный. Полеты спутников показали, что, начиная с расстояния, равного 10 радиусам Земли, магнитное поле резко меняется. Его контуры напоминают не яблоко, а дирижабль или грушу, образуя как бы магнитный парус Земли. Это происходит потому, что со стороны Солнца на Землю дует солнечный ветер - солнечная плазма. Магнитные силовые линии не пускают поток заряженных частиц близко к Земле, отклоняя их. Вокруг Земли работает как бы невидимая надземная электростанция. Солнечная плазма - солнечный ветер, соприкасаясь с магнитным полем Земли, разделяется на протоны и электроны, образуя электрический ток.
Не каждое небесное тело обладает магнитными полюсами и упорядоченным строем магнитных силовых линий. У Луны, например, нет заметного магнитного поля. Солнце, наоборот – имеет, как, скажем, доказывают работы астрофизиков Крымской обсерватории, сложное магнитное поле, даже как бы множество магнитных полюсов. Его силовые линии перепутались и словно завязались в крепкие узлы. Многие ученые предполагают, что магнитные силы Солнца тесно связаны с динамикой движения масс его вещества. Солнце в отличие от Земли не твердое, а газообразное тело, и его различные шпротные пояса вращаются с разной скоростью.
Много лет Советский Союз совместно с социалистическими странами проводил в мирных целях всесторонние исследования околоземного пространства, Луны и планет Солнечной системы по программе "Интеркосмос". Яркий пример этому – работа в 1978 г. на борту советской орбитальной станции нового поколения - "Салют-6" – международных экипажей с представителями социалистических стран. По программе "Интеркосмос" были запущены десятки спутников, геофизических ракет и метеоракет.
Важные данные получены по исследованию коротковолнового излучения Солнца, динамике и пространственной структуре солнечных вспышек, определены их рентгеновские ядра и т. п. Со спутников "Интеркосмос" и ракет "Вертикаль" велись наблюдения ультрафиолетового излучения Солнца, систематически определялось содержание молекулярного кислорода и озона на разных высотах атмосферы Земли. Изучалась обширная область околоземного пространства, которая оказывает заметное влияние на состояние атмосферы и биосферы.
Подводя некоторые итоги успешно проведенного космического эксперимента по программе "Интеркосмос" с помощью геофизической ракеты "Вертнкаль-4", запущенной 14 октября 1976 г. для комплексного исследования верхней атмосферы и ионосферы Земли, председатель Совета по международному сотрудничеству в области исследования космического пространства при АН СССР академик Б. Н. Петров отмечал:
- В верхних слоях атмосферы происходят интересные физические процессы, которые изучены еще недостаточно полно. Чтобы всесторонне разобраться в этих сложных явлениях, необходимо, наряду со спутниковыми измерениями, проводить исследования на вертикально запускаемых ракетах.
- Такие эксперименты позволяют получить вертикальный разрез атмосферы до высоты 1500 км, за короткий интервал времени (до 15 мин.) измерить основные физические параметры нейтральной верхней атмосферы и ионосферы-плазмы.
- Запуск "Вертикали-4" - продолжение и развитие планомерных многолетних исследований верхней атмосферы и ионосферы, начатых учеными социалистических стран на геофизических ракетах "Вертикаль-1, -2, -3" и спутниках "Интеркосмос-2, -8, -10, -12 и -14.
Газовый состав в верхней атмосфере и ионосфере меняется с высотой: внизу (до высоты примерно 200 км) расположены наиболее тяжелые (молекулярные) частицы, выше - атомарный кислород. Наиболее высокий слой атмосферы содержит самый легкий из газов - нейтральный водород и ионы водорода (протоны).
Все предыдущие ракеты серии "Вертикаль" не выходили за пределы кислородной части ионосферы. "Вертикаль-4" пересекла переходную зону между кислородной и водородной частями ионосферы, располагающуюся в зависимости от времени суток и года на высотах 600- 1000 км, и достигла водородной области ионосферы, называемой иногда протоносферой.
Научная аппаратура на "Вертикали-4" была установлена в приборном контейнере. Он отделяется от ракеты, что позволяет обеспечить высокую чистоту и качество научных экспериментов, а его стабилизация и ориентация на Солнце в полете исключают влияние на показания приборов ряда эффектов от вращения контейнера.
Специалисты Болгарии, ГДР, Советского Союза и Чехословакии разработали и изготовили для "Вертикали-4" более десятка сложных разнообразных научных приборов. Некоторые параметры ионосферной плазмы измерялись разными методами с помощью различных приборов. Это существенно повысило достоверность измерений.
Во время полета ракеты вблизи места старта проводились измерения характеристик ионосферы радиометодами до высот около 300 км. В измерениях кроме других участвовали специалисты Ростовского государственного университета с разработанной ими уникальной многочастотной аппаратурой для изучения поглощения радиоволн.
В целом ионосферные исследования на ракете "Вертикаль-4" являются наиболее полными из всех проведенных до настоящего времени".
В конце сентября 1976 г. в Калуге состоялся международный симпозиум по космосу с участием ученых Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Румынии, Советского Союза и Чехословакии. На симпозиуме были подведены итоги некоторых совместных космических исследований за последнее десятилетие. Участники симпозиума рассмотрели, в частности, новые данные, полученные при помощи ракет и спутников серии "Интеркосмос". Были намечены работы, предусматривающие исследование околоземного пространства, Луны и планет Солнечной системы с помощью более сложных космических средств.