Мы только что рассмотрели главнейшие явления, происходящие в нижнем слое атмосферы — тропосфере. Перейдём теперь к более высоким слоям — стратосфере и ионосфере. Они интересуют нас не только потому, что необходимо изучить воздушную оболочку Земли в целом (иначе мы не разберёмся полностью во всех совершающихся в ней явлениях), но и потому, что на этих высотах вскоре будут осуществляться сверхскоростные полёты.
До сих пор метеорологические приборы проникли в воздушную оболочку Земли до небольшой высоты в сорок километров, и имеющиеся в нашем распоряжении прямые данные о состоянии атмосферы ограничиваются верхним слоем. Но мы имеем другие способы, которые позволили сделать некоторые выводы о состоянии высоких слоёв атмосферы. Правда, в значительной части эти выводы пока остаются предположениями.
Уже давно были замечены яркие, так называемые «перламутровые», облака. Высота их достигает тридцати километров, т. е. они находятся в стратосфере. Богатство цветов перламутровых облаков и световых явлений в них заставили прийти к выводу, что эти облака состоят из переохлаждённых капелек воды и ледяных кристаллов, т. е. сходны по строению с нашими обычными облаками в тропосфере. Стало быть, приходится признать, что слияние водяного пара в капельки происходит и на таких больших высотах. Но отсюда следует, что и на этой высоте происходит подъём воздуха вверх, как и внизу в тропосфере, так как только таким образом «мы можем получить его охлаждение, достаточное для образования водяных облаков.
1885 г. принёс новые данные, относящиеся к ещё более высоким слоям. В этом году наблюдались «светящиеся облака», — очень яркие, тонкие, прозрачные, быстро несущиеся на большой высоте. В 1887 г. удалось точно измерить эту высоту. Она оказалась равной 70 — 80 километрам над поверхностью Земли, а скорость этих облаков доходила до ста метров в секунду. Тогда же было дано и объяснение их происхождению. Ещё в 1883 г. произошло сильное извержение вулкана Кракатау (в Зондском проливе между островами Ява и Суматра), сопровождавшееся сильным взрывом, выбросившим на большую высоту вулканический пепел и водяной пар. В течение нескольких лет после извержения Кракатау на большей части земного шара наблюдались очень яркие и многокрасочные зори. Их объяснили тем, что в атмосфере в это время находился пепел, выброшенный вулканом. Наличием этого же пепла объясняли и светящиеся облака.
Однако в последующие годы светящиеся облака наблюдались ещё несколько раз и при других обстоятельствах. Такие облака были видны, например, после падения знаменитого Тунгусского метеорита 30 июня 1908 г. Появление светящихся облаков в этих случаях заставляло предполагать, что своим происхождением они обязаны мельчайшим вулканическим или космическим (т. е. попадающим к нам из мирового пространства) пылинкам, которые освещаются Солнцем.
Но когда стали внимательнее следить за ночным небом, то выяснилось, что светящиеся облака появляются в каждом году и очень часто помногу дней не сходят с неба. Сейчас накопилось большое количество наблюдений над такими облаками, хотя новых сильных извержений вулканов давно не было. Поэтому было выдвинуто предположение, что и светящиеся облака, как и облака в тропосфере и как перламутровые облака, состоят из водяного пара. Это ещё больше меняет наши представления о высоких слоях атмосферы. Значит, влага, хотя и в ничтожных количествах, имеется в атмосфере и на таких больших высотах, как 70 — 30 километров; и здесь происходят подъёмы воздуха вверх, приводящие к его охлаждению и образованию облаков.
Другим способом изучения верхних слоев атмосферы оказался способ звуковой. Профессор В. И. Виткевич исследовал взрывы артиллерийских складов в Москве 9 мая 1920 г. (в дальнейшем взрывы стали производиться специально для изучения верхних слоёв атмосферы). Оказалось, что звук слышен сперва в определённой зоне вблизи взрыва, дальше слышимость звука пропадает, а затем он становится опять хорошо слышным. При московском взрыве нормальная слышимость была отмечена в зоне радиусом в 60 километров, дальше шла зона молчания, шириной около 100 километров, а за ней слышимость взрыва вновь появлялась (рис. 17). Стараясь объяснить это явление, учёные пришли к очень интересным выводам. Оказалось, что такое распространение звука — можно наблюдать только при его отражении от верхних слоёв атмосферы. Предполагается, что отражение происходит на высотах в 40 — 60 километров. Но при этом температура воздуха с высотой должна меняться приблизительно так: на высоте 10 — 25 километров должно быть 55 градусов мороза, на высоте 30 километров — 50 градусов мороза (это подтверждается наблюдениями), но на высоте 40 километров температура должна повышаться до 15 градусов тепла, а на высоте 50 километров — даже до 65 градусов тепла! Хотя величина температуры на таких больших высотах ещё не измерена и её величина не подтверждена, по, так или иначе, отражение звука с несомненностью доказывает наличие па высоте 40 — 60 километров ещё достаточно плотной атмосферы.
Для суждения о свойствах и плотности атмосферы на больших высотах уже давно были использованы «падающие звёзды». Это — небольшие тельца, которые попадают в земную атмосферу из межпланетного пространства и иногда создают целые «дожди падающих звёзд». Учёные установили, что «падающие звёзды», или, как их иначе называют, — метеоры, становятся видимыми на высотах от 130 до 80 километров и исчезают на высотах от 100 до 30 километров (рис. 18). Скорость их движения огромна. Она достигает 70 километров в секунду. Иногда мы видим ослепительно яркие «падающие звёзды». Их называют болидами. Размеры самих метеоров ничтожны: они обычно не превышают одного миллиметра. Но огромная скорость движения приводит к колоссальному нагреванию воздуха и самого метеорного тела, которое поэтому испаряется; то, что мы видим в виде метеора, является раскалённым газом, окружающим метеор как бы «шапкой».
Изучение скорости движения метеоров, их массы и быстроты испарения привели к очень интересным выводам, подтверждающим полученные ранее данные о плотности и температуре высоких слоёв атмосферы. Подтвердилось, что температура воздуха на этих высотах должна быть близкой к 30 градусам тепла.
Метеоры дали нам ещё некоторые другие сведения. Наблюдения за движением следов, оставляемых многими яркими метеорами, обнаружили, что они перемещаются с большой скоростью, на высотах 30 — 80 километров — на восток, а выше — на запад. Таким образом, и на таких больших высотах мы находим очень сильные ветры.
Некоторые сведения о высоких слоях атмосферы были получены при изучении сумерек. Когда вечером Солнце опускается за горизонт, то его лучи ещё продолжают освещать земную атмосферу, простирающуюся до большой высоты, и, рассеиваясь ею, попадают на Землю. По продолжительности сумерек после захода Солнца легко вычислить высоту слоя земной атмосферы, освещённого солнечными лучами. Уже в XIII веке арабский учёный Альтгазен пытался сделать это. Установлено, что сумеречная освещённость неба уменьшается не равномерно, а тремя скачками. Первая стадия совпадает с опусканием Солнца под горизонт на 8 градусов. Это даёт среднюю высоту рассеивающего слоя атмосферы в одиннадцать километров, что соответствует средней высоте тропосферы. Следующее резкое уменьшение сумеречного света наступает при опускании Солнца на 18 градусов, — это соответствует высоте рассеивающего слоя в восемьдесят километров (стратосфера). И, наконец, исчезновение последних следов освещённости наступает при прекращении освещения Солнцем воздушного слоя высотой в 200 километров.
Развитие радиосвязи позволило изучить чрезвычайно любопытные явления, имеющие непосредственное отношение к земной атмосфере. Было установлено, что радиосигналы слышны на значительно большем расстоянии, чем это должно было бы наблюдаться по их мощности и силе. Здесь происходит то же, что и при взрывных волнах: установлены зоны непосредственной слышимости радиоволн, затем зоны молчания и новые зоны хорошей слышимости. Все эти явления в настоящее время подробно исследованы и показали, что их причиной является отражение радиоволн от обладающих специальными свойствами слоёв, расположенных на разных высотах в атмосфере.
Вся атмосфера содержит заряженные положительным и отрицательным электричеством частички, так называемые ионы. В нижних слоях, при большом давлении, отрицательно заряженные частички обычно не могут существовать долго. Зато на больших высотах, где атмосфера чрезвычайно разрежена, долговременное существование таких частичек становится возможным и число их здесь резко возрастает. Поэтому верхние слои атмосферы и названы ионосферой (по-гречески йон — блуждающий, идущий).
На некоторых высотах количество отрицательно заряженных частичек ещё более возрастает. Это сильно сказывается на распространении радиоволн и вызывает то их отражение, о котором мы только что говорили.
Лучше всего выражены два таких слоя: слой Кеннели-Хевисайда и слой Аппльтона, названные так по именам изучивших их учёных. Слой Кеннели-Хевисайда лежит на высоте 80 — 100 километров (рис. 18), слой Аппльтона — на высоте около 200 километров. Позднее было установлено, что слой Аппльтона при известных условиях раздваивается, и в этом случае отмечают нижний слой на высоте около 180 — 200 километров и верхний на высоте 250 — 350 километров.
Установлено также существование ещё более низкого слоя, чем слой Кеннели-Хевисайда. Он лежит на высоте всего 55 — 65 километров, т. е. в стратосфере. Его отражающие свойства менее выражены, чем свойства слоёв Кеннели-Хевисайда и Аппльтона.
В некоторых случаях расчёт отражения радиоволн побуждает предположить существование отражающих слоёв на огромных высотах — до 1000 километров. Но этот вывод ещё далеко не доказан.
Богатые результаты были получены при изучении полярных сияний. Полярные, или, как их иногда неправильно называют, «северные» сияния часто наблюдаются в высоких широтах северного и южного полушарий. Их высота над земной поверхностью определена давно, Она оказалась устойчивой для каждого типа сияний. Например, так называемые «драпри», т. е. сияния, имеющие вид колышатейся завесы из лучей, наблюдались на высотах в пределах от 37 до 370 километров. Второй тип полярных сияний представляет однородные дуги, в которых нельзя заметить отдельных лучей. Такие сияния лежат обычно на высотах 500 — 700 — 1000 километров. Таким образом, и полярные сияния подтверждают существование атмосферы с заметной плотностью на указанных высотах.
Расчёт высоты рассеивающего слоя атмосферы, придающего небу голубой цвет, дал две тысячи километров!
Итак, мы видим, что высота воздушной оболочки Земли, даже той её части, в которой наблюдаются заметные физические и метеорологические явления, очень велика Поисгине, мы находимся на дне мощного воздушного океана.</
Источник:
