Рис. 16. Зоны слышимости взрыва, который был произведён 9 мая 1920 года в Москве.
Профессор В. И. Виткевич заинтересовался странным поведением звука и предположил, что такая слышимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоёв, отражающих звук.
Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своём пути среду с иной температурой, он изменяет своё направление. При этом, если звук переходит в слой более тёплого 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 17.
Рис. 17. Направление распространения звуковых волн, когда на их пути встречается слой более холодного (а) или более тёплого (б) воздуха.
Слой воздуха с пониженной температурой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 17, а), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч А на рис. 17, 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. Отражённые волны возвращаются на Землю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 17, б). Этим и объясняется возникновение зон молчания.
Произведя ряд взрывов в целях исследования и замерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, учёные нашли, что звук отражается от слоя атмосферы, расположенного на высоте 4050 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, учёные определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 5070° 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. Чем объяснить повышение температуры в этом слое атмосферы?
Сейчас установлено, что в слое воздуха от 20 до 50 километров имеется повышенное содержание озона. Молекулы озона состоят из тех же атомов, что и молекулы кислорода, только в каждой молекуле кислорода содержится два атома, а в молекуле озонатри. 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 километров имеет повышенную температуру. Особенно резко возрастает температура на высоте около 40 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 нём большого количества ионов. Поэтому этот слой атмосферы назвали ионосферой.
«Ион»греческое слово, означающее «блуждающий», «идущий». В физике ионами называют мельчайшие частицы веществаатомы или группы атомов, имеющие электрический заряд.
Ионы имеются во всех слоях атмосферы. Они образуются из молекул газов, составляющих воздух, в результате воздействия на них лучей Солнца и космических лучей, которые представляют собой поток быстрых частиц, летящих из мирового пространства. При большой плотности воздуха ионы долго существовать не могут, они теряют свои заряды при столкновениях 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 80100 километров. Верхняя граница ионосферы расположена на высоте 5001000 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 своём пути полосу дождя, грозу, зону шторма или тайфуна, он от них отразится и возвратится к радиолокатору; таким путём можно определить их местоположение, а также направление и скорость передвижения.
Метеоры. В мировом пространстве находится огромное количество песчинок и камней, которые называются метеорными телами. Эти тела могут иметь самую разнообразную массуот 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 воздухаперед ним образуется «подушка» раскалённого 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 за метеорами учёные черпают много сведений о земной атмосфере. Ещё раньше, чем стали возможны ракетные полёты на большие высоты, эти наблюдения позволили собрать сведения о плотности и температуре воздуха на высотах от 30 до 150 километров.
Особенно ценный материал был получен о направлении ветра на этих высотах. Если метеор появляется ночью, в воздухе на непродолжительное время остаётся след в виде светящейся линии. Метеоры, появляющиеся днём, 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 3080 километров дуют преимущественно восточные, а вышезападные ветры. Скорость ветра велика и возрастает с увеличением высоты. Однако, если бы на эти высоты можно было поместить дощечку флюгера, которая указывает силу ветра, она бы не шелохнулась, так как на этих высотах плотность воздуха слишком мала. Например, на высоте 80 километров плотность воздуха примерно в 26 000 раз меньше, чем у поверхности Земли.
Облака. Облака, которые мы обычно наблюдаем, представляют собой скопления мелких капелек или ледяных кристалликов. Они располагаются в тропосфере и имеют самую разнообразную форму.
Есть облака и на значительно больших высотах. Иногда на высоте 2230 километров можно видеть так называемые перламутровые облака. Богатство цветов перламутровых облаков позволило учёным сделать предположение, что и 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 2230 километров. Низкая температура заставляет содержащиеся в поднимающемся воздухе водяные пары превращаться в лёд.
Но и перламутровые облака, оказывается, не самые высокие. В 1885 году профессор В. К. Цесаркий в Москве наблюдал серебристые, или светящиеся облака. Это яркие, тонкие, быстро перемещающиеся облака. Они располагаются на высоте примерно 80 километров и перемещаются со скоростью около 100 метров в секунду. Эти облака бывают видны летней ночью на тёмном фоне неба.
Сначала учёные 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 было высказано предположение, что и серебристые облака состоят из воды. Возможно, что в них содержится и пыль.