ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ. ИОНОСФЕРА. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА НИХ СОЛНЦА

Для дальнейшего понимания солнечного воздействия на земную атмосферу важно иметь правильное представление о ее строении. За последние десятилетия в этом отношении достигнута довольно высокая определенность благодаря теоретическим исследованиям процессов, протекающих в верхней атмосфере, посылке шаров-зондов в нижнюю стратосферу, ракет — в верхнюю атмосферу, искусственных спутников Земли и космических ракет — в экзосферу (так называют верхнюю атмосферу, которая незаметно переходит в межпланетное пространство). В таблице 8 приведены наиболее надежные данные, принятые в настоящее время.

Выше 200 км атмосферная плотность меняется в течение суток, возрастая днем и уменьшаясь ночью; на высоте 800 км эти изменения достигают целого порядка. Спад солнечной активности тоже ведет к уменьшению плотности земной атмосферы. Данные таблицы 8 являются средними за сутки величинами.

Возрастание величины с высотой есть следствие убывания молекулярной массы и роста температуры. До высоты 100 км происходит достаточное перемешивание атмосферы, в результате чего ее молекулярный состав держится на одном уровне. Выше начинает сказываться диссоциация молекул, главным образом , а еще выше проявляет себя прогрессирующее диффузионное разделение составляющих газов. Согласно барометрическому уравнению (4.3) давление газа в атмосфере при отсутствии перемешивания будет падать с высотой тем быстрее, чем больше его молекулярная масса.

Таблица 8. Количественные характеристики земной атмосферы в функции высоты h над поверхностью Земли

(см. скан)

Поэтому с высотой в составе земной атмосферы будет нарастать относительное число молекул гелия и водорода для атомарного , что и приводит к значению на высоте 1700 км. Наличие горячей водородной короны» вокруг Земли, так же как и атомов гелия, подтверждается спектральными наблюдениями.

Широкое применение радио после первой мировой войны вызвало массовые наблюдения распространения радиоволн, что привело в свою очередь к открытию вокруг Земли ионосферы, т. е. слоя атмосферы, находящегося в состоянии частичной ионизации. Как раз ионосфера делает радиосвязь на шаровой поверхности Земли возможной, так как радиоволны огибают кривую поверхность Земли. Длинные и средние волны отражаются от ионосферы всегда, а короткие отражаются до известной, критической частоты , которая, как мы видели в § 5 [см. формулу (5.2)], определяется концентрацией свободных электронов отражающего слоя.

Вертикальное зондирование атмосферы радиоволнами разной частоты привело к открытию трех ионосферных слоев — D, Е и F (распадается на два), расположенных на высотах от 60 до 300 км. Ионосфера создается солнечным излучением, она сильно ослабляется в ночное время (из двух подразделений слоя F нижний слой ночью совсем исчезает) и иногда полностью перестраивается под действием солнечных импульсов. При этом диссоциативное и ионизационное состояние верхней атмосферы с ее сложным газовым составом очень чутко откликается на космические воздействия, земная атмосфера становится как бы естественным прибором, исследующим солнечные влияния, а индикатором в этом приборе служит распространение радиоволн.

С коротковолновой стороны пропускание излучения земной атмосферой кончается у 2900—3000 А. Приходящее извне ультрафиолетовое излучение в области 2000—3000 А поглощается в земной атмосфере, главным образом на высоте от 50 до 20 км, молекулами озона. Сам озон образуется под действием еще более коротковолнового излучения, между 1925 и 1760 А, поглощаемого молекулами кислорода (полосы Рунге — Шумана). Молекула возбуждается и, взаимодействуя с другой молекулой , образует молекулу озона 03, а остающийся атом О может привести к образованию еще одной молекулы . Озон очень сильно поглощает ультрафиолетовое излучение от 2000 до 3000 А, хотя толщина озонного слоя, если в нем собрать весь атмосферный озон, при нормальной температуре (0 °С) и давлении (760 мм) не превышает 4,5 мм. При этом происходит фотодиссоциация: . Возбужденный атом кислорода О соединяется с другой молекулой озона: . Энергия возбуждения атомов передается тепловому движению молекул, в результате чего озоносфера заметно нагревается (см. таблицу 8). Озон простирается в глубь земной атмосферы вплоть до высоты 10 км.

Максимальная же концентрация молекул приходится на высоту 25—30 км.

Возникновение ионосферы тоже сопровождается образованием максимальной ионной концентрации в каком-то слое. Это естественно: ультрафиолетовое или рентгеновское или даже корпускулярное излучение, способное ионизовать атмосферные газы, проникая в глубь атмосферы, ионизует ее и за счет этого ослабляется. Чем ниже оно проникает, тем с большим числом атомов встречается, тем более ионизует их и тем более ослабевает, так что его ионизующая роль начинает падать и сводиться к нулю. Таким образом где-то образуется слой максимальной ионизации. Несколько слоев образуется потому, что в атмосфере есть несколько составляющих, каждая из которых ионизуется своей областью спектра. Глубже других проникает рентгеновское излучение и оно порождает самый низкий слой D, наиболее зависящий от вспышек на Солнце. Среднее значение критической частоты, пропускаемой каждым ионосферным слоем, возрастает по мере роста солнечной активности, что свидетельствует о возрастании ионизации. Спад ионизации в ночное время делает ионосферу более прозрачной для коротких волн, вследствие чего в ночное время связь на коротких волнах ухудшается.