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 220240 °С, а на уровне 200 км более 500 °С. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500600 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 110120 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 300400 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 400500 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.
7.2. Ионосферные слои в атмосфере
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 700800 км в 1 см3 содержится 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 (nе) 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 60470 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 110120 км находится слой Е ~ 100 км, слой F1 (120200 км) и слой F2 (250400 км). Средняя концентрация ионизованных частиц (электронов/см3): слой D имеет концентрацию 104, слой Е 105, слой F1 5105, слой F2 106 [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: