Михаил Галисламов - Тунгусский и Челябинский метеориты. Научные мифологемы

Над стратосферой, примерно до высоты 80 км, лежит слой мезосферы. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50-55 км. Выше этого слоя температура понижается и у верхней границы мезосферы достигает –90 °С. Понижение температуры в мезосфере с высотой на различных широтах и в течение года происходит неодинаково. Снижение температуры в низких широтах происходит более медленно, чем в высоких. Средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен 0,23–0,31 °С на 100 м. Температура в мезосфере опускается до –138 °С. В верхней мезосфере (в слое мезопаузы) понижение температуры с высотой прекращается. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой [82].

Атмосфера, лежащая выше 80 км, состоит главным образом из азота и кислорода. Выше мезосферы, на высоте от 80 до 800 км над поверхностью Земли, расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220–240 °С, а на уровне 200 км более 500 °С. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500–600 км превышает 1500 °С. С помощью искусственных спутников Земли, было установлено: в течение суток температура в верхней термосфере значительно колеблется и достигает около 2000 °С. Температура газа – мера средней скорости движения молекул. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, очень редки. Чем вызван подъем температуры в высоких слоях атмосферы, ученые не знают. На высотах выше 110–120 км кислород почти весь становится атомарным. В сумерки, или перед восходом солнца, при ясной погоде, здесь наблюдаются тонкие облака серебристо-синего цвета, уходящие за горизонт. Природа серебристых облаков слабо изучена.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Воздух на высоте 300–400 км и выше – разреженный, в течение суток его плотность сильно изменяется. Исследования показывают, что изменение плотности согласуется с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха – около полудня, наименьшая – ночью. Объясняют тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. Предполагается, что газы, составляющие атмосферу выше 400–500 км, находятся в атомарном состоянии. Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. Экзосфера (сфера рассеяния) – самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. Частицы в экзосфере, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

Большой вклад в понимание физики атмосферного электричества в начале XX века внес Вильсон (C.T.R. Wilson). Он обнаружил наличие ионов в атмосфере и показал, что Земля заряжена отрицательно, а космические лучи вызывают разрядку планеты. Согласно теории, атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле, передавая им свой отрицательный заряд. Положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.

Ионосфера – область атмосферы выше 50 км, содержит заряженные частицы. Особенностью атмосферы выше 60-80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц – ионов. Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Ранее предполагали, что верхняя граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Представление ученых о ионосфере изменилось, после запуска искусственных спутников Земли. Результаты исследований показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На основе торможения искусственных спутников Земли было установлено, что на высотах 700–800 км в 1 см 3содержится до 160 тысяч положительных ионов атомного кислорода и азота.

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций. Применение ракет, а позже спутников, позволило непосредственно измерить ионный состав и другие физические характеристики ионосферы на всех высотах. Установлено, что концентрация электронов ( n е ) в слоях распределена по высоте неравномерно: имеются области, где она достигает максимума. Таких слоев, расположенных на разных высотах, в ионосфере несколько, они не имеют резко выраженных границ. На высоте 60–470 км имеется сплошной массив ионизованного газа с отдельными неоднородностями. Ранее предполагалось, что в ионосфере имеются четыре основных ионизованных слоя: слой D (на высоте 50 км), на высотах 110–120 км находится слой Е ~ 100 км, слой F 1(120–200 км) и слой F 2(250–400 км). Средняя концентрация ионизованных частиц (электронов/см 3): слой D – имеет концентрацию 10 4, слой Е – 10 5, слой F 1– 5⋅10 5, слой F 2– 10 6[83]. Приказом № 857-ст Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 1 октября 2019 г. С 1 января 2020 г. в качестве национального стандарта Российской Федерации межгосударственный стандарт «Ионосфера Земли» [84]. Стандарт уточнил местоположение слоев:

Область F: часть ионосферы, расположенная над поверхностью Земли на высоте более 140 км.

Область Е: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 90 и 140 км над поверхностью Земли.

Область D: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 50 и 90 км над поверхностью Земли.

Слой F 2: верхний из двух ионизированных слоев, на которые может распадаться область F.

Слой F 1: нижний ионизированный слой из двух слоев, на которые может распадаться область F.

Слой E S(спорадический): узкий, нерегулярно образующийся слой на высотах области Е.

Максимуму ионизации соответствует верхний слой (F 2). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Все зависит от солнечной активности. В ионосфере наблюдаются полярные сияния, а также резкие колебания магнитного поля – ионосферные магнитные бури. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Проводимость ионосферы в 10 12раз больше, чем у земной поверхности. В ионосфере различают две части: простирающуюся от мезосферы до высот порядка 1000 км и лежащую над нею внешнюю часть. На высоте около 2000-3000 км газы, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полеты на космических кораблях.