ЗАГАДКА ИОНОСФЕРЫ

РОЖДЕНИЕ ИОНОВ

Звестно, что чем выше, тем воздух всё более и более разрежён, плотность его становится всё меньше и меньше. Чем выше поднимается человек, тем труднее ему дышать, «нехватает воздуха». Поэтому лётчики высотной авиации пользуются специальными кислородными прибо­рами. Однако это не значит, что атмосфера кончается на небольшой высоте от поверхности земли. Установлено, что воздушный слой простирается ввысь более чем на тысячу километров. Далее атмосфера постепенно переходит в без­воздушное пространство.

В ионосфере электрические свойства воздуха совсем иные, чем в нижней части атмосферы — тропосфере и стратосфере*); там воздух проводит электрический ток.

Чем это объясняется?

Газы, из смеси которых состоит воздух, как и все окружающие нас вещества, построены из отдельных, очень маленьких материальных частиц, называемых мо­лекулами. Молекулы разных веществ различны. Но все они настолько малы, что их размеры даже трудно себе представить. Например, в одной водяной капле молекул не меньше, чем капель воды в Чёрном море! А в одном кубическом сантиметре воздуха содержится 27 ООО ООО ООО ООО ООО ООО молекул различных газов (азо­та, кислорода и др.).

») Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, простираю­щийся на высоту 9—17 Км от земной поверхности; стратосфера распо­ложена над тропосферой до высоты 70—80 Км.

Молекулы, в свою очередь, построены из ещё бо­лее мелких частиц, называемых атомами. Например, моле­кула газа азота состоит из двух атомов азота; молекула газа кислорода состоит из двух атомов кислорода; моле­кула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула поваренной соли состоит из одного атома натрия и одного атома хлора.

Долгое время атом считали такой частицей, которую разделить на более мелкие уже нельзя. Даже само слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый».

Однако теперь доказано, что атомы можно разделить, так как они состоят из ещё более мелких частиц — электронов, протонов и нейтронов (рис. 1). Электроны несут отрица­тельный электрический заряд (обозначаемый знаком «ми­нус»), протоны — положительный (знак «плюс»), а ней­троны никакого электрического заряда не имеют. В центре атома находится очень малое по размеру тяжёлое ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра на неко­тором расстоянии от него обращаются электроны, которые образуют электронную оболочку атома.

Атом весьма устойчив, так как электроны и ядро свя­заны между собой силами электрического притяжения. Ядро имеет положительный электрический заряд, а элек­тронная оболочка — отрицательный.

Несмотря на то, что отдельные части атома обладают электрическими зарядами, в целом атом в нормальном состоянии электрически нейтрален; он не имеет заряда, так как положительный заряд ядра уравновешивается та­ким же по величине отрицательным зарядом всех электро­нов, которые входят в состав атома. Величина заряда ядра
различна у разных атомов. У атома водорода заряд при­нят равным 1; у атома кислорода он равен 8, и т. д.

То же самое можно сказать и о молекуле. Она так же, как и атом, в нормальном состоянии электрически ней­тральна.

Однако электрически нейтральные атом или молекула могут терять один или несколько электронов; тогда они становятся положительно заряженными. Наоборот, если к электронейтральным атому или молекуле присоеди­нятся лишние электроны, то эти частицы станут отри­цательно заряженными.

Атомы или молекулы, имеющие электрический заряд, называются ионами.

Если в газе есть свободные электроны, а также ионы, то он проводит электрический ток; если же их нет, то газ не проводит электрического тока. Окружающий нас воздух является хорошим электрическим изолятором именно по­тому, что в нём почти нет свободных электронов и ионов.

Совсем другое дело на большой высоте — там имеется сравнительно много таких атомов и молекул, которые по­теряли один или несколько электронов. Свободный же электрон, двигаясь между частицами воздуха, может быть захвачен нейтральным атомом или молекулой.

Так как в высоких слоях атмосферы имеются свобод­ные электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, воздух в ионосфере проводит электри­ческий ток. Процесс отщепления электронов от нейтраль­ных атомов или молекул называют ионизацией.

Изучение процесса ионизации представляет большой научный интерес и ведёт к важным следствиям. В самом деле, любой атом или молекула — это чрезвычайно устой­чивая группировка мельчайших материальных частиц. Электроны каждого атома прочно удерживаются у поло­жительно заряженного ядра силами электрического при­тяжения и при нормальных условиях не могут оторваться от ядра.

Что же заставляет электрон покинуть атом или моле­кулу, с которыми он так прочно связан?

В ионосфере это происходит под действием излучения Солнца.

В мощном потоке лучей солнечного света есть невиди­мые лучи, под действием которых наша кожа покрывается
коричневым загаром. Это — ультрафиолетовые лучи. В больших дозах они могут убить живой организм. От гу­бительного действия ультрафиолетовых лучей нас предо­храняет атмосфера. Она почти не задерживает видимого света, но ультрафиолетовых лучей пропускает к Земле только очень небольшое количество. Большая часть этих лучей совсем не доходит до земной поверхности потому,
чение богаче ультрафиолетовыми лучами, способными вы­зывать ионизацию. Однако эти гигантские светила нахо­дятся так далеко от Земли, что их ионизирующее действие на земную атмосферу в тысячу раз слабее действия на­шего Солнца. И всё-таки ионизирующим действием уль­трафиолетовых лучей звёзд нельзя пренебречь, особенно в период долгих зимних ночей.

Кроме лучей Солнце выбрасывает в пространство огромное количество электронов, ионов и нейтральных атомов. Этот поток мельчайших частиц также производит ионизацию верхних слоев атмосферы (рис. 2).

Что же происходит с электронами и ионами, образовав­шимися в ионосфере?

Частицы воздуха находятся в постоянном движении. Они быстро перемещаются в различных направлениях, сталкиваются и, отскочив в разные стороны, продолжают свой безостановочный бег, пока каждая из них снова не наскочит на такую же быстро мчащуюся частицу. В этих столкновениях участвуют, конечно, и частицы, получаю­щиеся при ионизации,— ионы и электроны.

Может случиться, что какой-нибудь свободный, блуж­дающий электрон окажется вблизи положительно заря­женного иона. Частицы притянутся одна к другой, элек­трон займёт место во встречном ионе, и в результате снова возникнут нейтральные атом или молекула. Но свободный электрон может наскочить и на нейтральную частицу, «примкнуть» к ней. Тогда получится отрицательно заря­женный ион. Образовавшийся ион может встретиться с положительно заряженным ионом. Произойдёт обмен за­рядами. Наш электрон перейдёт к другому иону и в ре­зультате получатся две нейтральные частицы.

Все эти превращения ведут к тому, что количество сво­бодных электронов, полученных при ионизации, умень­шается. Таким образом в противовес ионизации в верхних слоях атмосферы всё время идёт и обратный процесс — воссоединение ионов и электронов.

На разной высоте это происходит по-разному. В низ­ких, довольно плотных слоях атмосферы столкновения частиц происходят чаще и воссоединение идёт быстрее. В более высоких, разрежённых слоях столкновения частиц реже, и воссоединение ионов и электронов в нейтральные атомы и молекулы идёт очень медленно.