Рис. 55. Плазма
Современную стадию развития человечества можно сравнить с первыми шагами ребенка, открывающего новый мир, во многом еще непонятный, сложный и далеко не всегда дружественный. При его освоении нельзя избежать потерь и ошибок, но мы постепенно учимся распознавать новые опасности и преодолевать их. А опасностей этих немало. Это и радиационный фон в верхних слоях атмосферы, и потеря связи со спутниками, самолетами и наземными станциями, и даже катастрофические аварии на линиях связи и электропередач, происходящие во время мощных магнитных бурь.
Биосфера человека расположена на суше, в пограничной области поверхности водного и дна воздушного океанов Со всех сторон она окружена благодатной воздушно-водяной средой, поддерживающем жизнь Однако плотность атмосферы резко падает по мере удаления от поверхности Земли. В верхних слоях атмосферы разреженный воздух непригоден для дыхания, но он задерживает все губительные излучения, идущие от Солнца и из космического пространства.
Верхняя атмосфера (стратосфера) Земли служит своеобразным воздушным щитом для отражения многочисленных метеоритов. Такие метеорные тела даже небольшого размера вследствие огромной скорости обладают большой разрушительной силой. Сталкиваясь с газовыми частицами атмосферы, они сильно разогреваются и испаряются, оставляя в небе характерные следы "падающих звезд".
Начиная с высоты около 50 километров над поверхностью Земли расположен тот ярус воздушной оболочки, который носит название "ионосфера". Ионосфера простирается до высот в несколько сотен километров, плавно переходя в мантию плазмосферы. Воздушная среда здесь существенно меняет свой состав, растет относительная концентрация легких газов, и она становится в миллиарды раз более разреженной. У поверхности Земли воздух в основном состоит из двухатомных молекул азота, кислорода и углекислого газа. А на большой высоте - в ионосфере - молекулы этих газов под воздействием жесткого излучения Солнца распадаются на отдельные атомы (рис. 56).
Рис. 56. Солнечный ветер
На высотах в тысячи километров основными элементами экзосферы (внешней атмосферы) становятся водород и гелий. Среда ионосферы все время находится в бурном движении, перерастающем в настоящие ураганы, правда, незаметные на земной поверхности. Однажды, в середине прошлого века, ученые даже наблюдали загадочные облакообразные полярные сияния, мчавшиеся со скоростью свыше 3000 км/ч.
Поскольку на границе экзосферы плотность газов ничтожно мала, молекулы и атомы могут беспрепятственно разгоняться до второй космической скорости. При такой скорости любое тело преодолевает земное притяжение и уходит в космос. То же самое происходит с газовыми частицами водорода и гелия. Но, несмотря на утечку легких газов из земной атмосферы, ее состав не меняется, так как происходит непрерывный процесс восполнения за счет газов земной коры и испарения океанов. К тому же часть тех же атомов и молекул поступает из межпланетной среды при обтекании земной экзосферы.
Много затратили ученые, чтобы раскрыть основные черты ионосферы и нарисовать ее "портрет". Каждый шаг в этом направлении требовал новых экспериментов, остроумных гипотез и сложных вычислений…Портрет ионосферы, который предстает перед нашими глазами, - не застывшая картина. Он все время меняется, и не только из-за того, что сама ионосфера изменчива, а в основном потому, что все более и более богатыми и достоверными становятся наши знания. Некоторые элементы этого своеобразного портрета вдруг бледнеют, а затем исчезают совсем. Это значит, что определенное научное предположение оказалось опровергнутым новыми данными. Другие же элементы портрета, наоборот, становятся более четкими и ясными. Это получается тогда, когда удачные эксперименты неопровержимо подтверждают выдвинутую гипотезу.
Ф.И. Честнов. В глубинах ионосферы
Отсюда следуют многие удивительные эффекты, и в частности сильное влияние состояния ионосферы на наземную радиосвязь. Вот почему изучение свойств и процессов верхних воздушных слоев стало одной из важных задач современной науки И недаром в последние годы оформилась и быстро развивается новая область научного знания, занимающаяся этой проблематикой, - аэрономия. Несомненно, что перед ней очень большое будущее.
Видный радиофизик Ф. И. Честное в научно-популярной книге "В глубинах ионосферы" писал:
"Высокое небо. Прозрачный воздух. На первый взгляд кажется, что на большой высоте царят покой и безмятежность. Но если бы мы обрели волшебную способность видеть молекулы и атомы, нас поразило бы зрелище мира, который поистине никогда не знает покоя. Часто случаются взрывы и катастрофы. Разрушаются одни частицы, рождаются другие. И виновником этих непрекращающихся превращений является Солнце" (см. рис. 57 на вклейке).
Рис. 57.
Но так ли уж легко космические электромагнитные колебания могут преодолеть толщу ионосферы? В приповерхностном слое - тропосфере - воздух представляет собой смесь нейтральных молекул различных газов (в основном азота, кислорода и углекислого). Следовательно, если нас окружает сухой воздух, то его можно считать хорошим изолятором.
Иначе обстоит дело в глубинах ионосферы. Там воздушная среда вполне способна проводить электрический ток, поскольку вместо нейтральных молекул и атомов она содержит электроны и ионы. Вспомним, что ионы - это положительно или отрицательно заряженные частицы, возникающие под воздействием каких-либо внешних факторов из первичных нейтральных атомов и молекул. Наличие ионов и дало соответствующее название - "ионосфера" - этой части воздушного океана Земли.
Ученые давно выяснили, что молекулы воздуха на всем протяжении стратосферы постоянно находятся в сложном движении. Потоком этого непрекращающегося движения захвачены и ионы с электронами. Они непрерывно участвуют в противоположных процессах ионизации и нейтрализации - рекомбинации ионов, идущих с различной скоростью на разных высотах.
Предоставим еще раз слово Федору Ивановичу Честнову:
"Представьте себе толпу, в которой каждый человек торопится в нужном ему направлении. Люди будут сталкиваться друг с другом почти на каждом шагу. Но вот толпа поредела, стало свободнее; теперь уже столкновение - редкий случай. Примерно то же мы будем наблюдать и в мире молекул.
Вот мы спускаемся ниже и попадаем в более плотные слои. Частицы воздуха здесь гуще, значит, столкновения происходят чаще и рекомбинация идет быстрее. Поднимаемся выше, в разреженные слои: столкновения частиц становятся реже, а воссоединение ионов и электронов в нейтральные молекулы идет очень медленно.
Что же произойдет, если действие ионизирующего излучения в верхней атмосфере прекратится?
Очевидно, электроны снова "вернутся на свои места", ионизированные частицы в конце концов станут нейтральными, а свободные заряды постепенно исчезнут и воздух потеряет электрическую проводимость. Если же ионизирующее излучение будет действовать постоянно и с неизменной силой, то появление новых свободных электронов уравновесит их убыль - насыщенность воздуха свободными зарядами меняться не будет".
Именно так возникают замечательные по своей красоте полярные сияния (лат. - auroras borealis), давшие свое название этому удивительному природному феномену.
Поверхность Земли - не самое лучшее место для наблюдения за полярными сияниями: во-первых, почти всегда их надо наблюдать ночью, когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдениям могут помешать облака.
Этих трудностей можно избежать, если следить за полярными сияниями из космоса, где к тому же нет искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы. Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и о многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. При этом одинаково удобно исследовать сияния и в Северном, и в Южном полушарии. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.
Интересно, что энергичные протоны, вторгаясь в верхнюю атмосферу и вызывая протонные сияния, часть своего пути движутся как нейтральные атомы водорода. В этом случае они свободны от действия магнитного поля Земли и, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, отличаются большой протяженностью. Вспышки северного сияния обычно появляются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.
Полярные сияния - "собственность" не только Земли. Например, они четко наблюдаются в плазмосферах планет - газовых гигантов Юпитера и Сатурна, а также на некоторых их спутниках, окруженных собственными атмосферами (рис. 58).