Наибольшая высота, на которой побывал человек — 22 километра. Ракеты достигали высоты 400 километров. Но и это не удовлетворило учёных.
Наука имеет в своём распоряжении средства, позволяющие составить представление о слоях атмосферы, ещё не достигнутых ни человеком, ни его приборами. В эти слои человек посылает звук, радиоволны. Используются и сведения, которые приносят на Землю световые лучи. Все эти косвенные методы изучения атмосферы пополняют наши знания и о низших слоях атмосферы. Рассмотрим их подробнее.
Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был слышен в радиусе 55 км. Далее, в кольце шириной около 100 километров, простиралась «зона молчания», где взрыва совсем не было слышно. А на ещё большем расстоянии от Москвы взрыв снова был отчётливо слышен (рис. 16).
Рис. 16. Зоны слышимости взрыва, который был произведён 9 мая 1920 года в Москве.
Профессор В. И. Виткевич заинтересовался странным поведением звука и предположил, что такая слышимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоёв, отражающих звук.
Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своём пути среду с иной температурой, он изменяет своё направление. При этом, если звук переходит в слой более тёплого воздуха, то угол между направлением его движения и границей слоя уменьшается, а если звук переходит в более холодный слой, то угол возрастает. Таким образом звук, идущий вверх, может возвратиться на Землю только в том случае, если в атмосфере есть слой воздуха с повышенной температурой. Это ясно видно из рисунка 17.
Рис. 17. Направление распространения звуковых волн, когда на их пути встречается слой более холодного (а) или более тёплого (б) воздуха.
Слой воздуха с пониженной температурой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 17, а ), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч А на рис. 17, б ). На Землю возвращаются не все звуковые волны. Те из них, которые идут ближе к вертикальному направлению (луч В ), отклоняются от своего направления, но на Землю не возвращаются. Они проходят сквозь этот слой и затухают в атмосфере. Отражённые волны возвращаются на Землю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 17, б). Этим и объясняется возникновение зон молчания.
Произведя ряд взрывов в целях исследования и замерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, учёные нашли, что звук отражается от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40–50 километров.
Отражающая способность слоя воздуха зависит от его температуры. Чем более высокую температуру имеет слой воздуха, тем больше его отражающая способность и тем меньше расстояние между зонами слышимости. Поэтому, изучая расположение зон молчания и слышимости, учёные определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 50–70° выше нуля. Звук сыграл здесь роль термометра.
Наличие отражающего слоя с повышенной температурой было подтверждено через 30 лет, когда применение ракет позволило непосредственно замерить температуру на этих высотах. Чем объяснить повышение температуры в этом слое атмосферы?
Сейчас установлено, что в слое воздуха от 20 до 50 километров имеется повышенное содержание озона. Молекулы озона состоят из тех же атомов, что и молекулы кислорода, только в каждой молекуле кислорода содержится два атома, а в молекуле озона — три. Кислород воздуха может превращаться в озон под действием лучей Солнца или при электрических разрядах во время грозы. В отличие от кислорода и азота, озон способен поглощать значительную часть солнечного излучения. Благодаря этому слой воздуха от 35 до 60 километров имеет повышенную температуру. Особенно резко возрастает температура на высоте около 40 километров.
Радиоволны. Установлено, что короткие радиоволны способны передаваться на огромные расстояния при сравнительно небольшой мощности радиопередатчика. Исследование этого явления показало, что радиоволны, особенно короткие, отражаются от какого-то слоя в атмосфере. Благодаря многократному отражению, они огибают земной шар, проходя огромные расстояния.
Характерной особенностью отражающего радиоволны слоя является наличие в нём большого количества ионов. Поэтому этот слой атмосферы назвали ионосферой.
«Ион» — греческое слово, означающее «блуждающий», «идущий». В физике ионами называют мельчайшие частицы вещества — атомы или группы атомов, имеющие электрический заряд.
Ионы имеются во всех слоях атмосферы. Они образуются из молекул газов, составляющих воздух, в результате воздействия на них лучей Солнца и космических лучей, которые представляют собой поток быстрых частиц, летящих из мирового пространства. При большой плотности воздуха ионы долго существовать не могут, они теряют свои заряды при столкновениях друг с другом. Иначе обстоит дело в высоких слоях атмосферы. Вследствие малой плотности газа в ионосфере столкновения между частицами газов происходят крайне редко, ионы существуют здесь длительное время.
Нижняя граница ионосферы имеет высоту 80—100 километров. Верхняя граница ионосферы расположена на высоте 500—1000 километров.
В последнее время радиоволны стали использовать для определения изменения погоды, пользуясь методами радиолокации: излучаемая антенной радиолокатора энергия узким пучком направляется под углом к поверхности Земли.
Если этот пучок встретит на своём пути полосу дождя, грозу, зону шторма или тайфуна, он от них отразится и возвратится к радиолокатору; таким путём можно определить их местоположение, а также направление и скорость передвижения.
Метеоры. В мировом пространстве находится огромное количество песчинок и камней, которые называются метеорными телами. Эти тела могут иметь самую разнообразную массу — от долей грамма до десятков тонн.
Иногда метеорные тела попадают в земную атмосферу. Они летят со скоростью в десятки километров в секунду. При такой огромной скорости движения впереди летящего тела происходит сильное сжатие и нагревание воздуха — перед ним образуется «подушка» раскалённого светящегося газа. От движения в воздухе нагревается и само метеорное тело. Оно тоже начинает светиться, образуя явление метеора. Большинство метеорных тел сгорает в воздухе, и только некоторые из них падают на поверхность Земли.
Высоты «возгорания» и «потухания» метеоров можно определить, если наблюдать за ними из двух пунктов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Метеоры становятся видимыми на высоте от 150 до 80 километров и обычно полностью сгорают на высоте от 60 до 30 километров.
Из наблюдений за метеорами учёные черпают много сведений о земной атмосфере. Ещё раньше, чем стали возможны ракетные полёты на большие высоты, эти наблюдения позволили собрать сведения о плотности и температуре воздуха на высотах от 30 до 150 километров.
Особенно ценный материал был получен о направлении ветра на этих высотах. Если метеор появляется ночью, в воздухе на непродолжительное время остаётся след в виде светящейся линии. Метеоры, появляющиеся днём, оставляют иногда след, похожий на струйку дыма. Эти следы состоят из ионизированного воздуха или из мельчайших пылинок, отделившихся от метеорного тела.
Наблюдения за перемещением этих следов показали, что на высотах 30–80 километров дуют преимущественно восточные, а выше — западные ветры. Скорость ветра велика и возрастает с увеличением высоты. Однако, если бы на эти высоты можно было поместить дощечку флюгера, которая указывает силу ветра, она бы не шелохнулась, так как на этих высотах плотность воздуха слишком мала. Например, на высоте 80 километров плотность воздуха примерно в 26 000 раз меньше, чем у поверхности Земли.
Облака. Облака, которые мы обычно наблюдаем, представляют собой скопления мелких капелек или ледяных кристалликов. Они располагаются в тропосфере и имеют самую разнообразную форму.
Есть облака и на значительно больших высотах. Иногда на высоте 22–30 километров можно видеть так называемые перламутровые облака. Богатство цветов перламутровых облаков позволило учёным сделать предположение, что и эти облака состоят из кристалликов льда. Перламутровые облака наиболее часто наблюдаются в Норвегии. Они образуются при сильных западных ветрах, когда воздушные массы обтекают Скандинавские горы и отбрасываются вверх. Восходящие потоки воздуха достигают высоты 22–30 километров. Низкая температура заставляет содержащиеся в поднимающемся воздухе водяные пары превращаться в лёд.
Но и перламутровые облака, оказывается, не самые высокие. В 1885 году профессор В. К. Цесаркий в Москве наблюдал серебристые, или светящиеся облака. Это яркие, тонкие, быстро перемещающиеся облака. Они располагаются на высоте примерно 80 километров и перемещаются со скоростью около 100 метров в секунду. Эти облака бывают видны летней ночью на тёмном фоне неба.
Сначала учёные предполагали, что серебристые облака состоят из пепла, выбрасываемого вулканами. Однако более тщательные наблюдения показали, что эти облака появляются почти каждый год и подолгу не исчезают с неба, независимо от того, произошло ли перед этим извержение какого-либо вулкана или нет. Поэтому было высказано предположение, что и серебристые облака состоят из воды. Возможно, что в них содержится и пыль.
Наблюдения за облаками помогают учёным получить сведения о наличии влажности в воздухе отдельных слоёв атмосферы, а также о направлении и скорости ветра.
Полярные сияния. Полярные сияния — величественное явление, наблюдаемое в полярных районах Земли. Иногда полярные сияния имеют вид параллельных дуг жёлто-зелёного цвета или светло-голубых полос, разделённых тёмными промежутками. Иногда на ночном небе вспыхивают пучки ярких дрожащих лучей, которые соединяются в корону, и тогда небо превращается в огромный светящийся купол, по которому катятся разноцветные волны. Чаще можно видеть, как по небу развёртывается складчатое полотнище, беспрерывно колеблющееся.
Впервые природу полярного сияния попытался объяснить М. В. Ломоносов. Он предположил, что это явление вызывается электрическими разрядами, происходящими в высоких слоях атмосферы. Своё предположение Ломоносов основывал на им же проведённых опытах: если из стеклянного шара выкачать воздух и пропустить через разреженное пространство электрический ток, то «…електрическая сила в шаре… внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется». Ломоносов решил, что подобные явления наблюдаются в атмосфере во время полярного сияния.
Гениальная догадка Ломоносова в основном подтвердилась. Теперь достоверно известно, что полярное сияние представляет собой свечение разреженного ионизированного воздуха в слоях атмосферы на высоте от 80 до 1000 километров.
Полярные сияния доказывают, что воздух есть и на высоте 1000 километров. Они помогли учёным определить и состав атмосферы на больших высотах. Здесь на помощь пришёл спектральный анализ т. е. определение состава вещества по его спектру.
Белый солнечный свет состоит из разноцветных лучей. Если его пропустить через стеклянную призму, то белый свет распадётся на множество составляющих его цветных лучей, начиная с фиолетового и кончая красным. Эта разноцветная полоска и называется спектром. Спектр получается потому, что цветные лучи, составляющие белый свет, отклоняются призмой от первоначального направления или, как говорят, преломляются по-разному.
Если в спектре цвета непрерывно переходят один в другой, то такой спектр называется сплошным. Сплошной спектр дают раскалённые тела в твёрдом и жидком состояниях, а также газы при большом давлении.
Иначе выглядит спектр раскалённых паров и газов. Этот спектр состоит из цветных линий, разделённых тёмными полосами. Поэтому он называется линейчатым. Каждое химическое вещество имеет свой, характерный только для него спектр. По виду спектра можно заключить, какое вещество излучает свет.
Световой луч несёт сведения не только об излучающем веществе. Если луч проходит через охлаждённый пар или газ, то в сплошном спектре появляются тёмные линии — полосы поглощения. По этим полосам можно определить состав пара или газа, находящегося на пути света.
Учёные использовали спектральный анализ для исследования состава высоких слоёв атмосферы. Изучение спектров полярных сияний показало, что до высоты 1000 километров состав воздуха почти не изменяется, но азот и кислород находятся на больших высотах не в виде молекул, а в виде атомов.
Сумерки и ночное небо. После захода Солнца лучи его ещё долго освещают земную атмосферу, так как воздух рассеивает их. Это рассеяние и является причиной сумерек.
По продолжительности сумерек можно установить высоту рассеивающего слоя. Сумерки исчезают, когда солнечные лучи попадают в слои воздуха, расположенные выше 200 километров. В этих слоях воздух настолько разрежен, что отражённый им свет становится незаметным. Изучение сумеречного света с помощью спектрального анализа позволило узнать и состав этого слоя.
Ещё более интересные результаты были получены при изучении ночного неба.
После того, как исчезнет последний свет сумерек, на небе можно иногда заметить свечение. Это свечение наблюдается в южных районах (у нас, например, вблизи г. Алма-Ата) весной и осенью в форме светлого конуса, наклонённого к горизонту. Оно появляется потому, что между Землёй и Солнцем, в плоскости орбиты Земли, имеются облака космической пыли, которые рассеивают солнечные лучи и отбрасывают их на поверхность Земли.
В последние годы советский астроном академик В. Г. Фесенков и его сотрудники заметили, что свечение ночного неба можно наблюдать и летом около 21 июня (летнее солнцестояние). С помощью спектрального анализа было доказано, что это свечение обусловлено атомами кислорода и азота. Появление такого свечения в определённые периоды времени говорило о том, что оно вызывается верхними слоями атмосферы, а не случайными облаками пыли, блуждающими в мировом пространстве. Наблюдения за этим свечением позволили заключить, что атмосфера не имеет правильной шарообразной формы. Она вытянута, главным образом, в плоскости вращения Земли вокруг Солнца. При этом растекание внешних слоёв атмосферы в плоскости земной орбиты происходит более интенсивно в направлении, противоположном Солнцу. С этой стороны верхняя часть атмосферы имеет форму газового рукава.
Спектральный анализ свечения ночного неба привёл учёных к выводу, что и в самых верхних слоях, и даже в газовом рукаве, атмосфера Земли имеет всё тот же азотнокислородный состав. Снизу атмосфера резко ограничена земной поверхностью, сверху такой границы нет — атмосфера постепенно переходит в безвоздушное межпланетное пространство.
Переходная зона называется зоной рассеяния. В этой зоне атмосфера настолько разрежена, что газовая частица может пролететь сотни километров, не встретив на своём пути другой частицы.