ШТУРМ НЕБА

КАК ИЗУЧАЕТСЯ^АТМОСФЕРА БЕЗ ПОДЪЕМА ПРИБОРОВ В ВОЗДУХ

Рошло около 15 лет с тех пор, как люди с помощью ракет получили возможность посылать приборы на высоту, превышающую 40 километров. До ракетных поле­тов эти слои атмосферы изучались другими методами.

Некоторые сведения об атмосферном воздухе позво­ляют получить наблюдения за распространением звука и, радиоволн. О некоторых свойствах атмосферы расска­зывают приходящие на Землю световые лучи. Исполь­зование этих методов пополняет наши сведения об ат­мосфере и раскрывает некоторые особенности ее строе­ния. Рассмотрим их подробнее.

Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был

Слышен в радиусе 55 километров. Далее, в кольце ши­риной около 100 километров, простиралась «зона молча­ния», где взрыва совсем не было слышно. А на еще боль­шем расстоянии от Москвы взрыв был отчетливо слы­шен (рис. 19).

Профессор В. И. Виткевич заинтересовался стран­ным поведением звука и предположил, что такая слы­шимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоев, отражающих звук.

Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своем пути среду с иной температурой, он изменяет свое направление. При этом если звук переходит в слой более теплого 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 20. Слой воздуха с пониженной тем­пературой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 20, а), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч Л на рис. 20, 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. Отраженные волны возвращаются на зем­лю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 20, б). Этим и объясняется возникнове­ние зон молчания.

Производя ряд взрывов в целях исследования и за­мерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, ученые 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, ученые определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 30—50° 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. Действительная температура
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 ки­
лометров имеет повышенную температуру. Наибольшей величины температура воздуха достигает на высоте около 45 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 нем 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 и атомов газов, составляющих воз­дух, в результате воздействия на них лучей Солнца и космических лучей. При большой плотности воздуха ионы долго существовать не могут, они теряют свои за­ряды при столкновении 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 своем пути зону дождя или снега, он от них отразится и воз­вратится к радиолокетору; таким путем можно опреде­лить их местоположение, а также направление и ско­рость передвижения.

Радиолокаторы оказываются весьма полезными для наблюдений над дождями. Радиолокационная станция кругового обзора имеет возможность обнаружить дожди, где бы они ни появились в зоне действия станции. Это,

Койе*шо, значительно эффективнее, чем сбор сведений о дождях от отдельных метеорологических станций, рас­положенных, как правило, на расстояниях больше 50 километров друг от друга.

Метеоры. В мировом пространстве находится огром­ное количество метеорных тел, которые 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» рас­каленного 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 над метеорами ученые собрали све­дения о скорости и направлении ветра в атмосфере. Если метеор появляется ночью, в воздухе на непродол­жительное время остается след в виде светящейся линии. Метеоры, появляющиеся днем, 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 возрастает с увеличением высоты. На высоте от 80 до 105 километров средняя скорость ветра 60, а наи­большая— около 100 метров в секунду. Однако если бы на эти высоты поместить дощечку флюгера, которая указывает силу ветра, она бы не шелохнулась, так как на этих высотах плотность воздуха слишком мала.

Облака. Облака, которые мы обычно наблюдаем, представляют собой скопления мелких капелек или

Ледяных кристалликов. Они располагаются в тропосфере и имеют самую разнообразную форму[22]).

Есть облака и на значительно больших высотах. Ино­гда на высоте 22—30 километров можно видеть так на­зываемые перламутровые облака. Ученые предполагают, что 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 лед.

Но и перламутровые облака, оказывается, не самые высокие. В 1885 году профессор В. К. Цераский в Мо­скве наблюдал серебристые, или светящиеся облака. Это — яркие тонкие быстроперемещающиеся облака. Они располагаются на высоте примерно 80 километров и перемещаются со скоростью около 100 метров в секун­ду. Эти облака бывают видны летней ночью на темном фоне неба.

Сначала ученые 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 советским ученым И. А. Хвостиковым было высказано предположение, что серебристые облака состоят из мел­ких кристаллов льда. Они действительно находятся в очень холодном слое атмосферы, где условия для кон­денсации водяного пара наиболее благоприятны.

Наблюдения за облаками помогают ученым получить сведения о наличии водяных паров в отдельных слоях 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 желто-зеленого цвета или светло-голубых полос, разде­ленных темными промежутками. Иногда на ночном небе вспыхивают пучки ярких дрожащих лучей, которые сое -

Дйняются в корону, и тогда небо превращается в огром­ный светящийся купол, по которому катятся разноцвет­ные волны. Чаще можно видеть, как по небу разверты­вается 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. Свое предположе­ние Ломоносов основывал на им же проведенных опытах: если из стеклянного шара выкачать воздух и про­пустить через разреженное пространство электрический ток, то «...электрическая сила в шаре... внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же 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 ученым опреде­лить и состав атмосферы на больших высотах. Здесь на помощь пришел спектральный анализ, то есть опреде­ление состава вещества по его спектру.

Белый солнечный свет состоит из разноцветных лу­чей. Если его пропустить через стеклянную призму, то белый свет распадется 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 раскаленные тела в твердом и жид­ком состоянии, а также газы при большом давлении.

Иначе выглядит спектр раскаленных паров и газов. Этот спектр состоит из цветных линий, разделенных темными 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 несет сведения не только об излучаю­щем веществе. Если луч проходит через охлажденный пар или газ, то в сплошном спектре появляются тем­ные линии — полосы поглощения. По этим полосам мож­но определить состав пара или газа, находящегося на пути света.

Ученые использовали спектральный анализ для ис­следования состава высоких слоев атмосферы. Изуче­ние спектров полярных сияний показало, что до высоты 1000 километров воздух в основном состоит из азота и кислорода, на больших высотах эти газы находятся не в виде молекул, а в виде атомов.

Сумерки и ночное небо. После захода Солнца лучи его еще долго освещают земную атмосферу, так как воздух рассеивает их. Это рассеяние и является причи­ной сумерек.

Наблюдения показали, что сумеречное освещение неба падает ступеньками (скачками). Первый скачок соответствует моменту, когда заходящее Солнце опус­тится под горизонт на 8 градусов. В этот момент осве­щаются слои атмосферы на высоте 9—11 километров, т. е. на верхней границе тропосферы. Второй скачок воз­никает при опускании Солнца под горизонт на 18 гра­дусов и относится к слою атмосферы высотой 80—90 ки­лометров. Третий скачок сумеречной освещенности неба, выражающийся в исчезновении последних следов голу­бой окраски, соответствует высоте слоя 200—220 кило­метров. Яркость сумеречного неба в каждый момент определяется в основном рассеянием света в опреде­ленном слое атмосферы, расположенном на некоторой высоте. Это же в свою очередь позволяет определять плотность воздуха и другие его физические свойства на соответствующих высотах.

Еще 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, наклоненного к горизонту. Оно появляется потому, что между Землей 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 определенные 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 слоев атмосферы в плоскости земной орбиты происходит более интенсивно в направлении, противоположном Солнцу. С этой стороны верхняя часть атмосферы имеет форму газового хвоста, протяженность которого около 100 000 километров.

Спектральный анализ свечения ночного неба привел ученых к выводу, что и в самых верхних слоях, и даже в газовом хвосте, атмосфера Земли имеет также 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 своем пути другой частицы.