Открытия в области физики околоземного пространства и земной атмосферы

Атмосфера Земли - это газ, состоящий из взаимодействующих друг с другом нейтральных и заряженных частиц.

Газовая (воздушная) оболочка земного шара простирается на высоту свыше 1000 км. Состав воздуха представляет собой механическую смесь газов: 78,09% азота, 20,95 - кислорода, 0,93 - аргона, 0,03. - углекислого газа, 0,01% - водорода и небольших количеств неона, гелия, криптона, ксенона и озона. Этот состав остается почти неизменным до высоты примерно 100 км благодаря тому, что атмосфера постоянно "перемешивается". Однако многочисленные примеси органического и неорганического происхождения, попадающие в атмосферу с поверхности Земли (вода в виде паров, капелек или кристалликов льда, углекислота, споры растений, минеральная пыль и т. п.) или из межпланетного пространства (метеоритная пыль, вода), а также образующиеся в атмосфере (озон и т. п.), распределены по высотам неравномерно. Под действием излучения Солнца и других факторов значительная часть газов в верхних слоях атмосферы разлагается на атомы и ионизируется.

Плотность атмосферы быстро убывает с высотой - примерно в 10 раз с каждыми 20 км. Для атмосферы характерно резко выраженное слоистое строение. Какова структура атмосферы? Нижний ее слой называется тропосферой. Он содержит большое количество влаги и характеризуется понижением температуры с высотой. Толщина его в умеренных широтах - 10-12 км. В тропосфере идут мощные процессы образования облаков и осадков.

Выше располагается стратосфера. Она тянется до высоты примерно 35 км. Температура здесь меняется мало (в средних широтах около 50° С (Далее везде, где нет других указаний, градусы даны по Цельсию)). Наблюдаемое иногда медленное возрастание температуры над границей тропосферы называют метеорологической инверсией. Затем температура растет примерно до 20° (на высоте около 60 км) и вновь падает до -80-100° на высоте 80 км. Выше 80 км температура вновь растет, достигая на высоте 120 км примерно 50°, а на высоте 200-250 км - свыше 1000°. На высотах 100-120 км и 200-300 км располагаются слои атмосферы с повышенной концентрацией ионов (ионосфера), отражающие радиоволны и обладающие электрической проводимостью.

Условия, существующие в высоких слоях атмосферы, связаны с деятельностью Солнца и с другими воздействиями космоса. Они существенно сказываются на земной погоде, и знание их важно для составления ее прогнозов. Изучение ионосферы имеет значение и для радиосвязи, так как качество приема радиоволн существенно зависит от ее состояния. В последние годы исследования верхней атмосферы Земли интенсивно расширяются. Заметим, что термин "верхняя атмосфера Земли" относится к области высот более 60 км. С ростом высоты верхняя атмосфера становится все более разреженной, переходя либо постепенно, либо скачком в межпланетный газ.

Сейчас атмосферу изучают как единую непрерывную среду, неделимую по высоте на отдельные физически ограниченные области, в которой существует сильная взаимосвязь между различными уровнями. На пути исследователей встречается много трудностей, которые во многом объясняются отсутствием единой разработанной теории атмосферы. Дело в том, что лучистая энергия Солнца издавна считалась фактором, управляющим многими процессами в верхней атмосфере, и по этой причине ее постоянно и успешно изучали. Однако помимо энергии, приносимой непосредственно солнечной радиацией, значительное количество энергии поступает в верхнюю атмосферу из нижней благодаря их динамической связи, а также при взаимодействиях магнитосферы (т. е. области локализации геомагнитного поля, обтекаемого солнечным ветром) и межпланетной среды и, возможно, при прямом попадании в верхнюю атмосферу энергичных солнечных частиц. В связи с этим пока все еще нет ясного понимания взаимодействия указанных явлений.

Ученые проводят не менее важные исследования околоземного пространства за пределами атмосферы Земли. Это пространство заполнено заряженными частица" ми, распределение которых существенно влияет на распространение низкочастотных радиоволн вблизи Земли.

Эксперименты, проведенные при помощи спутников Земли и других космических аппаратов в течение последних 20 лет, привели к существенным изменениям представлений о физических свойствах околоземного пространства. Было установлено, в частности, что размеры плазменной оболочки Земли - ионосферы, состоящей из заряженных частиц весьма низких (тепловых) энергий, оказались гораздо большими, чем это предполагалось. Были открыты радиационные пояса Земли и другие ранее неизвестные закономерности и явления физики околоземного пространства. Первые советские спутники, запущенные в космос в октябре и ноябре 1957 г. и в мае 1958 г., позволили сделать ряд важных научных открытий. С помощью установленного на третьем искусственном спутнике Земли прибора - магнитометра - было измерено магнитное поле Земли.

Магнитометр, подобно компасу, показывает направление силовых линий магнитного поля. Кроме того, он автоматически отмечает величину его напряженности. Раньше в школьных учебниках магнитное поле Земли изображалось в форме яблока. На рисунках, помещенных там, магнитные силовые линии выходили из Северного полюса и входили в Южный. Полеты спутников показали, что, начиная с расстояния, равного 10 радиусам Земли, магнитное поле резко меняется. Его контуры напоминают не яблоко, а дирижабль или грушу, образуя как бы магнитный парус Земли. Это происходит потому, что со стороны Солнца на Землю дует солнечный ветер - солнечная плазма. Магнитные силовые линии не пускают поток заряженных частиц близко к Земле, отклоняя их. Вокруг Земли работает как бы невидимая надземная электростанция. Солнечная плазма - солнечный ветер, соприкасаясь с магнитным полем Земли, разделяется на протоны и электроны, образуя электрический ток.

Не каждое небесное тело обладает магнитными полюсами и упорядоченным строем магнитных силовых линий. У Луны, например, нет заметного магнитного поля. Солнце, наоборот/имеет, как, скажем, доказывают работы астрофизиков Крымской обсерватории, сложное маг^ нитное поле, даже как бы множество магнитных полюсов. Его силовые линии перепутались и словно завязались в крепкие узлы. Многие ученые предполагают, что магнитные силы Солнца тесно связаны с динамикой движения масс его вещества. Солнце в отличие от Земли не твердое, а газообразное тело, и его различные шпротные пояса вращаются с разной скоростью.

Уже более десяти лет Советский Союз совместно с социалистическими странами проводит в мирных целях всесторонние исследования околоземного пространства, Луны и планет Солнечной системы по программе "Интер-космос". Яркий пример этому - работа в 1978 г. на борту советской орбитальной станции нового поколения - "Салют-6" - международных- экипажей с представителями социалистических стран. За годы исследований по программе "Интеркосмос" были запущены десятки спутников, геофизических ракет и метеоракет.

Важные данные получены по исследованию коротковолнового излучения Солнца, динамике и пространственной структуре солнечных вспышек, определены их рентгеновские ядра и т. п. Со спутников "Интеркосмос" и ракет "Вертикаль" велись наблюдения ультрафиолетового излучения Солнца, систематически определялось содержание молекулярного кислорода и озона на разных высотах атмосферы Земли. Изучалась обширная область околоземного пространства, которая оказывает заметное влияние на состояние атмосферы и биосферы.

Подводя некоторые итоги успешно проведенного космического эксперимента по программе "Интеркосмос" с помощью геофизической ракеты "Вертнкаль-4", запущенной 14 октября 1976 г. для комплексного исследования верхней атмосферы и ионосферы Земли, председатель Совета по международному сотрудничеству в области исследования космического пространства при АН СССР академик Б. Н. Петров отмечал:

"В верхних слоях атмосферы происходят интересные физические процессы, которые изучены еще недостаточно полно. Чтобы всесторонне разобраться в этих сложных явлениях, необходимо, наряду со спутниковыми измерениями, проводить исследования на вертикально запускае* мых ракетах.

Такие эксперименты позволяют получить вертикальный разрез атмосферы до высоты 1500 км, за короткий интервал времени (до 15 мин.) измерить основные физические параметры нейтральной верхней атмосферы и ионосферы-плазмы.

Запуск "Вертикали-4" - продолжение и развитие планомерных многолетних исследований верхней атмосферы и ионосферы, начатых учеными социалистических стран на геофизических ракетах "Вертикаль-1, -2, -3" и спутниках "Интеркосмос-2, -8, -10, -12 и -14".

Газовый состав в верхней атмосфере и ионосфере меняется с высотой: внизу (до высоты примерно 200 км) расположены наиболее тяжелые (молекулярные) частицы, выше - атомарный кислород. Наиболее высокий слой атмосферы содержит самый легкий из газов - нейтральный водород и ионы водорода (протоны).

Все предыдущие ракеты серии "Вертикаль" не выходили за пределы кислородной части ионосферы. "Вертикаль-4" пересекла переходную зону между кислородной и водородной частями ионосферы, располагающуюся в зависимости от времени суток и года на высотах 600- 1000 км, и достигла водородной области ионосферы, называемой иногда протоносферой.

Научная аппаратура на "Вертикали-4" была установлена в приборном контейнере. Он отделяется от ракеты, что позволяет обеспечить высокую чистоту и качество научных экспериментов, а его стабилизация и ориентация на Солнце в полете исключают влияние на показания приборов ряда эффектов от вращения контейнера.

Специалисты Болгарии, ГДР, Советского Союза и Чехословакии разработали и изготовили для "Вертикали-4" более десятка сложных разнообразных научных приборов. Некоторые параметры ионосферной плазмы измерялись разными методами с помощью различных приборов. Это существенно повысило достоверность измерений.

Во время полета ракеты вблизи места старта проводились измерения характеристик ионосферы радиометодами до высот около 300 км. В измерениях кроме других участвовали специалисты Ростовского государственного университета с разработанной ими уникальной многочастотной аппаратурой для изучения поглощения радиоволн.

В целом ионосферные исследования на ракете "Вертикаль-4" являются наиболее полными из всех проведенных до настоящего времени".

В конце сентября 1976 г. в Калуге состоялся международный симпозиум по космосу с участием ученых Болгарии, Венгрии, ГДР, Польши, Румынии, Советского Союза и Чехословакии. На симпозиуме были подведены итоги некоторых совместных космических исследований за последнее десятилетие. Участники симпозиума рассмотрели, в частности, новые данные, полученные при помощи ракет и спутников серии "Интеркосмос". Были намечены работы, предусматривающие исследование околоземного пространства, Луны и планет Солнечной системы с помощью более сложных космических средств.

Внешний радиационный пояс Земли

Ученые Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ академик С. Н. Верное, член-корреспондент АН СССР А. Е. Чудаков, кандидаты физико-математических наук П. В. Вакулов, Е. В. Горчаков и Ю. И. Логачев открыли и объяснили явление образования внешнего радиационного пояса Земли. Они обнаружили ранее неизвестное в околоземном космическом пространстве постоянное присутствие интенсивных потоков энергичных электронов, захваченных геомагнитным полем. В соответствии с законами движения заряженных частиц в магнитном поле эти электроны совершают колебания от одного земного полушария к другому и дрейфуют вокруг Земли по долготе. Область существования таких электронов ограничена сило.выми линиями геомагнитного поля, удаленными от центра Земли в плоскости экватора на два с половиной - шесть земных радиусов.

Обнаруженное явление было подтверждено экспериментально при полете третьего советского искусственного спутника Земли в мае 1958 г. В дальнейшем внешний радиационный пояс регистрировался всеми советскими и американскими космическими аппаратами, пересекавшими область существования энергичных электронов.

Внешний радиационный пояс Земли существует в состоянии некоторого динамического равновесия: потери частиц компенсируются постоянным пополнением за счет частиц солнечного ветра и процессов ускорения, присущих геомагнитной ловушке. Очень интересные результаты были получены при полетах искусственных спутников Земли серий "Электрон", "Молния" и "Космос", пересекавших радиационные пояса Земли на разных высотах и широтах. Исследования, проводимые при полетах, показали существование механизмов заброса частиц в глубокие слои магнитосферы и резонансного ускорения частиц во время магнитных бурь, возникающих при возмущениях в межпланетном пространстве, связанных с солнечной активностью. Теория этих явлений дана советскими учеными, сотрудниками Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, докторами физико-математических наук Б. А. Тверским и В. П. Шабан-ским.

Открытие явления образования внешнего радиационного пояса Земли имеет большое научное и практическое значение. Внешний радиационный пояс Земли непосредственно взаимодействует с межпланетной средой и оказывает воздействие на верхние слои атмосферы. - Многие геофизические явления тесно связаны с поведением заряженных частиц внешнего радиационного пояса. Так, при магнитных бурях наблюдаются сброс частиц из радиационных поясов и полярные сияния. Заметное воздействие на характеристики внешнего радиационного пояса Земли оказывает Солнце. С изменением солнечной активности положение и интенсивность движения элементарных частиц во внешнем радиационном поясе изменяются.

Механизм воздействия активных процессов на Солнце на различные явления на Земле, в том числе и на явления в атмосфере Земли, т. е. на погоду, до настоящего времени не вполне ясен. Внешний радиационный пояс играет известную роль в процессе передачи возмущений от солнечного ветра к ионосфере Земли и ниже. Дальнейшее изучение областей магнитосферы Земли, заполненных частицами внешнего радиационного пояса, может дать ответ на многие вопросы, имеющие важное значение как с чисто научной, так и с практической точки зрения.

Открытие советских ученых внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 23 с приоритетом от июля 1958 г. В выданных авторам дипломах содержится такая формула открытия:

"Установлено, что в области пространства, где расположены силовые линии магнитного поля, пересекающие поверхность Земли, между 50° и 65° геомагнитной широты находится радиационная зона (названная впоследствии внешним радиационным поясом), состоящая из захваченных магнитным полем интенсивных потоков электронов с энергией от сотен до тысяч килоэлектронвольт".

Наша планета окружена ореолом заряженных частиц, состоящим из двух радиационных зон - внутренней и внешней. На первых порах казалось, что внутренний и внешний радиационные пояса существуют обособленно друг от друга и их границы нигде не пересекаются. Однако уже к середине 1965 г. в результате многочисленных наблюдений, проведенных с помощью спутников серий "Космос" и "Электрон", космических станций "Марс-1", "Луна-4" и "Зонд-1" и космических кораблей "Восток" и "Восход", стало ясно, что все околоземное космическое пространство сплошь заполнено частицами разных сортов, обладающими различными зарядами и энергиями.

Сначала считалось, что основную долю частиц внутреннего радиационного пояса Земли составляют протоны (ядра атомов водорода) высоких энергий. Однако дополнительные наблюдения показали, что здесь преобладают электроны небольших энергий.

Количество частиц в плоскости геомагнитного экватора на расстоянии от трех до семи земных радиусов от центра планеты, т. е. на высоте приблизительно от 12 тыс. до 36 тыс. км от поверхности Земли, непостоянно: оно меняется в зависимости от уровня солнечной активности и состояния земного магнитного поля.

Радиационный ореол нашей планеты тесно связан с земным магнетизмом. Расчеты показывают, что вблизи Земли существует своеобразная магнитная ловушка для заряженных частиц. Для того чтобы заряженная частица могла проникнуть близко к поверхности Земли и попасть во внутреннюю радиационную зону, она должна пройти сквозь своеобразный барьер - магнитное поле нашей планеты. Преодолеть его могут лишь частицы, обладающие большой энергией.

Каким же образом возникают радиационные зоны? Установлено, что преобладающая масса частиц радиационных зон попадает в магнитную ловушку Земли из потоков заряженных частиц, низвергающихся с поверхности Солнца со скоростью от 100 до 1000 км/с.

В околоземном космическом пространстве на расстоянии около 36 тыс. км от поверхности Земли существует не только магнитное, но и электрическое поле. Оно возникает благодаря движению частиц ионосферы по отношению к магнитным силовым линиям Земли, Спутники "Интеркосмос-3, -5, -13, -14" внесли заметный вклад в познание процессов, протекающих в радиационных поясах и магнитосфере, - механизмов возникновения электромагнитных излучений, их основных характера стик и закономерностей распространения.

Явление возбуждения квазипериодических колебании магнитного поля Земли нарастающей частоты

Доктор физико-математических наук В. А. Троицкая и научный сотрудник М. В. Мельникова (Институт физики Земли АН СССР) открыли неизвестное ранее явление возбуждения квазипериодических колебаний магнитного поля Земли нарастающей частоты в период развития магнитных бурь. Явление принадлежит к классу быстропеременных процессов в магнитном поле Земли, объединяемых общим названием - геомагнитные пульсации. Эти пульсации занимают диапазон частот от мил-лигерц до единиц герц и имеют малые амплитуды. В высокочастотной части спектра, к которому относится открытое авторами явление, они составляют примерно 10^-7 и менее эрстед.

Систематическое наблюдение геомагнитных пульсаций началось с 1957 г. в связи с проведением Международного геофизического года. Регистрация столь малых и быстрых изменений геомагнитного поля стала возможной, когда по инициативе и под руководством В. А. Троицкой была создана широкая сеть станций наблюдения и разработана аппаратура, которая на три порядка превышала чувствительность стандартных установок на магнитных обсерваториях.

Явление, обнаруженное авторами, возникает в ходе развития магнитных бурь и связано с инжекцией протонов с энергиями 20-200 кэВ в область захваченной радиации. Сущность открытия состоит в обнаружении особого типа возмущений электромагнитного поля Земли, представляющего собой совокупность геомагнитных пульсаций с последовательно уменьшающимся во времени периодом - приблизительно от 10 до 0,5 с. Возмущения этого типа - интервалы КУП (колебания убывающего периода) - составляют тонкую структуру наиболее интенсивной фазы развития магнитных бурь.

До открытия В. А. Троицкой и М. В. Мельниковой тонкая структура магнитных бурь в диапазоне высокочастотной части спектра пульсаций, происходящих практически во всех областях окружающей Землю плазменной оболочки, была неизвестна.

Последующие теоретические и экспериментальные исследования, в которых были использованы наземные наблюдения и прямые измерения в околоземном пространстве, показали, что возникновение квазипериодических колебаний связано с увеличением потоков протонов, вторгающихся в область радиационных поясов, резким усилением интенсивности свечения протонных полярных сияний (красного свечения), дрейфом энергичных частиц на запад, свидетельствующим о том, что дрейфующие частицы являются протонами, развитием взаимодействия волн и частиц области радиационных поясов.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 179 с приоритетом от 4 июля 1959 г. Оно сформулировано так:

"Установлено неизвестное ранее явление возбуждения квазипериодических колебаний магнитного поля Земли нарастающей частоты, обусловленное инжекцией заряженных частиц в пред по луночный сектор магнитосферы в период развития магнитной бури".

Созданные за последние годы спутники "Интеркосмос-15, -17" представляют собой новую, более совершенную модификацию спутников. Это автоматические универсальные орбитальные станции (АУОС). Они дают возможность выполнять значительно более широкий круг научных экспериментов.

"Работающий сейчас "Интеркосмос-17" - первенец новой серии,- рассказывает заместитель директора Института космических исследований доктор физико-математических наук Г. С. Нариманов,- оборудован аппаратурой и приборами для исследования распределения энергичных заряженных и нейтральных частиц, потоков микрометеоров в околоземном космическом пространстве. Эти эксперименты и наблюдения помогут лучше понять динамические процессы, протекающие в магнитосфере Земли в спокойные периоды геомагнитной активности, а также сложный комплекс явлений, возникающих во время геомагнитных возмущений и бурь".

Потоки мягких электронов за пределами радиационных поясов Земли

В 1959 г, доктора технических наук К. И. Грингауз, В. В. Безруких, В. Д. Озеров и Р. Е. Рыбчинский открыли ранее неизвестное явление образования потоков мягких электронов (т. е. электронов с умеренной энергией) за пределами радиационных поясов. Это открытие было сделано при помощи первых советских межпланетных станций "Луна-1" и "Луна-2" вслед за открытием радиационных поясов Земли. По тем временам открытие это было неожиданным. Теперь оно подтверждено десятками измерений, проведенных различными советскими и американскими космическими аппаратами. Ученые США наблюдали обнаруженное явление лишь через несколько лет после авторов открытия.

Сейчас ясно, что потоки мягких электронов с дневной стороны околоземного пространства возникают в ударной волне в результате разогрева электронов, принадлежащих к потокам плазмы, идущим от Солнца (к солнечному ветру). С ночной стороны околоземного пространства эти электроны относятся к мощному плазменному образованию, названному плазменным слоем.

Дальнейшие исследования, проведенные в 1966 г. при участии К. И. Грингауза и В. В. Безруких на советской межпланетной станции "Луна-10", показали, что длина плазменного слоя во всяком случае не менее расстояния от Земли до Луны. Плазменный слой магнитосферы имеет решающее значение для процессов, вызывающих геомагнитные бури и другие возмущения магнитного поля Земли.

Авторство советских ученых в названном открытии отмечается в многочисленных научных работах по исследованию космоса. Так, известный американский ученый Дж. Ван Аллен в статье, опубликованной в журнале "Джорнел джеофизикл ресэрч" в 1964 г., писал: "Мы восхищены сделанным Грингаузом открытием малоэнергичных электронов с большими интенсивностями на расстояниях от 9 до 13 земных радиусов от Земли... которое мы впоследствии подтвердили и дополнили..."

В статье, помещенной в 1970 г. в журнале "Спэйс сайенс ревьюз", американские ученые Дж. Вулф и Д. Интрилигейтер, говоря об измерениях, проведенных авторами открытия с помощью аппаратов "Луна-1", "Луна-2" и "Луна-3", отмечают, что "данные измерения показали сложную природу процессов на границе геомагнитного поля и были, без сомнения, первыми, доказавшими существование солнечного ветра и его взаимодействия с магнитным полем Земли".

В докладе американского ученого В. Василюнаса на Международном симпозиуме по солнечно-земной физике в Ленинграде в 1970 г. говорилось, что при исследованиях плазменного слоя с помощью советской межпланетной станции "Марс-1" авторами данного открытия в 1962 г. были впервые обнаружены так называемые "рога" этого слоя, существующие на высоких широтах.

Большой вклад в дальнейшее изучение потоков мягких электронов, открытых советскими авторами, сделан с помощью советских спутников серии "Электрон" и американских космических аппаратов серий "Эксплорер" и "Вела".

Открытие потоков мягких электронов стало одним из краеугольных камней, заложенных в фундамент современных представлений о структуре"околоземного пространства.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 32 с приоритетом от 15 октября 1959 г. Авторам вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Обнаружена неизвестная ранее зона существования потоков мягких электронов за пределами радиационных поясов. Эта зона в плоскости, близкой к геомагнитному экватору, находится на расстоянии 55-85 тыс. км от центра Земли. Величина потоков электронов в этой зоне- порядка 10^-8 см^-2 с^-1, а их энергия выше 200 эВ".

Плазменная оболочка Земли

Доктора технических наук К. И. Грингауз, В. В. Безруких, В. Д. Озеров и Р. Е. Рыбчинский открыли и плазменную оболочку Земли, находящуюся на расстоянии примерно от 2- тыс. до 20 тыс. км от ее поверхности и состоящую из заряженных частиц. Они установили, что плазменная оболочка на расстоянии 2-15 тыс. км от поверхности Земли имеет концентрацию порядка 103 частиц на 1 см3, тогда как на расстоянии 15-22 тыс. км концентрация ее уменьшается до 102 частиц на 1 см³.

Это открытие было сделано в 1959 г. при помощи приборов, установленных на советских автоматических станциях "Луна-1" и "Луна-2". В 1963 г. оно было подтверждено американским ученым Д. Карпентером. Явления, открытые в 1959 г., включая обнаружение значительных отрицательных градиентов вблизи верхней границы плазменной оболочки Земли, наблюдались с помощью многих космических аппаратов, в частности советских спутников серий "Электрон" и "Прогноз" и американских серии "ОГО".

В настоящее время за областью околоземного пространства, которая была открыта советскими учеными, в мировой литературе закрепилось название плазмосфера Земли, а за верхней границей этой области - плазмопау-за. Известный американский ученый И. Аксфорд, лауреат золотой медали 1970 г. Международного научного радиосоюза, писал по-этому поводу следующее: "Первые прямые наблюдения солнечного ветра были произведены в сентябре 1959 г. при полете "Лунника-2" (Грингауз и др., 1960 г.). Эти эксперименты вместе с опытами на "Луннике-1" были замечательны в том отношении, что помимо первых наблюдений солнечного ветра они также дали профили верхней ионосферы, впервые показали существование плазмопаузы... и открыли области, содержащие потоки м-ягких электронов, которые теперь называются каспом и переходной зоной" (журнал "Спэйс сайенс ревьюз", 1968 г.).

Теперь доказано, что плазмопауза отделяет плазму, вращающуюся вместе с Землей, от плазмы, содержащейся в околоземном пространстве и не принимающей участия во вращении Земли. Именно в плазмосфере могут распространяться низкочастотные электромагнитные волны, в то время как распространение их прекращается над границей области околоземного пространства.

Сейчас все модели околоземного пространства, как советские, которые ежегодно дополняются, так и зарубежные, обязательно включают в себя плазмосферу, открытую при помощи первых советских автоматических межпланетных станций.

Описанное открытие зарегистрировано под № 27 с приоритетом от 2 января 1959 г. Авторам его вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Установлено существование на высотах (расстояниях от поверхности Земли) примерно от 2 тыс. до 20 тыс. км ранее неизвестной области плазменной оболочки Земли с повышенной, по сравнению с межпланетным газом, концентрацией заряженных частиц, убывающей с высотой. Величины отрицательных градиентов концентрации заряженных частиц в верхней части этой области составляют примерно сотни частиц в 1 см³ на 1000 км высоты. Концентрация вблизи верхней границы области не пре* вышает 102 частиц на 1 см³".

Инфракрасные пояса Земли

В результате многолетних исследований углового и высотного распределения излучения верхней атмосферы Земли в инфракрасной (0,8-40 мк) области спектра, проводившихся с помощью ракетного зондирования в различных районах Советского Союза, доктором физико-математических наук М. Н. Марковым и кандидатами технических наук Я. И. Мерсоном и М. Р. Шамилевым (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР) было обнаружено интенсивное инфракрасное излучение в верхней атмосфере (100-500 км от поверхности Земли). Это излучение локализуется в слоях толщиной около 10 км на высотах 280, 420 и 500 км. Оно коррелятивно связано с солнечной активностью.

Дальнейшие исследования с помощью спутников серии "Космос" позволили установить, что такие слои распространяются на высоты 120, 180 км и т. д. от поверхности Земли. Излучение наблюдается в глобальных масштабах, имеет место географическая и временная изменчивость его интенсивности. Оказалось, что наблюдаемая интенсивность, спектральный состав, высотный ход слоев и т. п. могут быть объяснены тем, что излучающим агентом являются двухатомные молекулы, возбуждаемые в процессе химических реакций и благодаря электронному удару в верхней атмосфере.

Ранее отмечалось, что при полетах космических аппаратов, при изучении тепловых свойств и структуры верхней атмосферы и т, п. необходимо учитывать инфракрасное излучение верхней атмосферы в ряде участков спектра. В последнее время выяснилось, что инфракрасное излучение верхней атмосферы может играть большую роль в солнечно-земных связях. В частности, в работах Гидро-метеоцентра СССР указывается, что наиболее вероятным механизмом воздействия солнечной активности на погоду служит преобразование энергии корпускулярных солнечных потоков -в верхней атмосфере Земли в энергию инфракрасного излучения. Открытое явление имеет важное практическое значение для прогнозирования погоды.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 40 с приоритетом от 20 марта 1959 г. Авторам вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Экспериментально установлено, что верхняя атмосфера Земли содержит расположенные один за другим, на высотах, близких к 280, 420 и 500 км, слои толщиной порядка 10 км, излучающие в инфракрасной области спектра (0,8-40 мк) потоки интенсивностью 10^-3 эрг/см³ с, при этом интенсивность потоков находится в корреляционной зависимости от солнечной активности".

Явление вертикально-лучевой структуры дневного излучения верхней атмосферы Земли

К числу научных открытий, относящихся к исследованиям физики атмосферы, следует отнести открытие явления вертикально-лучевой структуры дневного излучения верхней атмосферы Земли. Его авторы - летчики-космонавты СССР дважды Герои Советского Союза Г. Т. Береговой, А. Г. Николаев и В. И. Севастьянов, Герой Советского Союза Е. В. Хрунов, а иакже советские ученые член-корреспондент АН СССР К. Я. Кондратьев, кандидат технических наук А. А. Бузников (Ленинградский государственный университет), доктора технических наук М. М. Мирошников и А. И. Лазарев (Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова) и кандидат физико-математических наук О. И. Смоктий (Ленинградский, гидрологический институт), которые, тщательно анализируя результаты длительных визуальных наблюдений с пилотируемых космических кораблей "Союз-3", "Союз-5" и "Союз-9", объяснили ранее неизвестное оптическое явление - "светящийся жгут".

Наблюдая ночной горизонт Земли из космоса, космонавты смогли обнаружить вертикально-лучевую структуру, свидетельствующую о горизонтальной неоднородности сумеречного излучения эмиссионного слоя. При изучении атмосферы с Земли и с помощью ракет подобного явления зарегистрировать не удавалось. Космонавты заметили необычное явление: до высоты 90-95 км поднимался светящийся, пепельно-серого цвета, слой. Перед восходом Солнца верхняя граница его как бы размывалась, становилась шире и множество тонких светящихся "итей устремлялось вертикально вверх от видимого горизонта до высоты 200-250 км.

"Особенно ясно мы видели светящуюся полосу на горизонте, когда летали на ночной стороне Земли, - рассказывает В. И. Севастьянов. - Верхний край ее более яркий. Мы назвали ее светящимся, венцом-жгутом. При подлете к сумеречному горизонту мы обратили внимание на то, что венец покрывается волоконцами - тоненькими столбиками. Корабль находился в сумерках - ничто не мешало наблюдению, и мы отчетливо видели эти светящиеся столбики. А. Г. Николаев сделал зарисовку в бортжурнале".

На основе анализа результатов визуальных наблюдений с пилотируемых космических кораблей ученым удалось установить ранее неизвестное явление вертикально-лучевой структуры (горизонтальной неоднородности) дневного излучения верхней атмосферы Земли.

Каково научное н практическое значение сделанного открытия? Прежде всего оно расширяет наши представления о процессах, протекающих в ворхней атмосфере Земли, проливает свет на ее энергетику. Открытие представляет большой интерес для решения ряда важных проблем современной геофизики, связанных с энергетикой верхней атмосферы. "Явление "светящегося жгута", - рассказывает Г. Т. Береговой, - космонавты могут использовать при навигации, а также для ориентация своих кораблей на орбитах. Дальнейшие всесторонние исследования структуры излучения верхней атмосферы Земли позволят более детально изучить характер солнечно-земных связей и влияния солнечного излучения на околоземную космическую сферу".

Открытие зарегистрировано под № 106 с приоритетом от 19 мая 1971 г. Формула открытия опубликована в следующей редакции:

"Установлено ранее неизвестное явление вертикально-лучевой структуры (горизонтальной неоднородности) дневного излучения верхней атмосферы Земли в переходной области от ночного эмиссионного слоя до зоны цветного сумеречного ореола".

Заряженные частицы в нижней атмосфере (свойства атмосферы Земли)

Если бы излучения из космоса и от Солнца попадали на поверхность Земли, не претерпев существенных изменений, все живое на Земле погибло бы. От губительного воздействия жесткого космического излучения нас предохраняет плотная нижняя атмосфера, состоящая из взаимодействующих нейтральных и заряженных частиц. Жизнь организмов, полет птиц и многое другое зависят от состава и плотности этих частиц.

Заряженных частиц в нижней атмосфере несравненно меньше, чем нейтральных, однако они играют весьма важную роль. В частности, они определяют условия радиосвязи на нашей планете. Когда в начале века была осуществлена первая передача радиосигналов через Атлантический океан, попробовали объяснить, как радиоволны распространяются над поверхностью Земли. Попытки найти суть явления в дифракции, огибании Земли радиоволнами, внесли в проблему лишь частичную ясность. Только в 20-е годы радиофизикам удалось экспериментально подтвердить существование в атмосфере на большой высоте проводящего электрического слоя. Последующие исследования обнаружили несколько таких слоев, позднее названных ионосферой.

Ионосфера Земли, как утверждает ряд ученых, простирается до высоты 20 тыс. км. Вместе с нейтральными частицами в ней есть заряженные - электроны и ионы. Основной источник возникновения заряженных частиц в ионосфере - излучение Солнца. Ниже 60-70 км излучение, способное вызывать появление значительного количества заряженных частиц, не проникает. Поэтому поначалу предполагалось, что на высотах ниже 60 км ионосферы не существует.

Развитие ракетных методов исследований позволило детально "прощупать" и этот диапазон высот. Ракеты были оборудованы аппаратурой для определения содержания ионов и электронов в нижней атмосфере. Радиосигналы, поступившие с ракет, зафиксировали неожиданно большое содержание ионов на высотах до 70 км. Их максимум наблюдался между 10 и 40 км, а минимум - между 50 и 70 км.

Происхождение заряженных частиц на таких высотах можно объяснить действием космических лучей. Влетая в земную атмосферу, космические частицы разбивают молекулы и атомы на ионы и электроны. Электроны, в свою очередь, "прилипают" к молекулам воздуха, образуя отрицательный ион. Общая электрическая нейтральность атмосферы поддерживается равным количеством положительных и отрицательных ионов.

Открытие доктором физико-математических наук Е. Г. Швидковским и кандидатами физико-математических наук Ю. А. Брагиным и О. К. Костко (Центральная аэрологическая обсерватория Главного управления гидрометеослужбы при Совете Министров СССР) ранее неизвестного свойства ионизации атмосферы Земли на высотах 10-70 км относится к 1965 г. В 1968 г. рабочая группа Интернационального совета Научного союза по солнечно-земной физике признала исследования этих ученых наиболее надежными. Измерения ионизации заряженных частиц, проведенные в США, Японии и в других странах, подтвердили максимум концентрации ионов в стратосфере и минимум - в мезосфере.

Названные, ученые также впервые установили зависимость изменения концентрации ионов в стратосфере и мезосфере от геомагнитной широты и от времени суток.

Открытие зарегистрировано под № 56 с приоритетом от 31 января 1965 г. Авторам вручены дипломы с такой формулой открытия:

"Экспериментально установлено ранее неизвестное свойство атмосферы Земли (10-70 км), заключающееся в существовании области повышенной ионизации (с максимумом ионов порядка 10⁴ см³) на высоте 10-40 км и области пониженной ионной концентрации (с минимальным количеством ионов, равным или менее 0,510³ см^-3) на высотах 50-70 км".

Продолжая исследования ионизации нижней атмосферы, Центральная аэрологическая обсерватория Главного управления гидрометеослужбы Совета Министров СССР совместно с Новосибирским университетом начала изучать свойства электризации атмосферы.

"Ракетными исследованиями, проведенными после 1967 г., - рассказывают авторы открытия Ю. А. Брагин и О. К. Костко, - установлено одно из основных свойств атмосферного электричества. На поверхности Земли сосредоточены отрицательные электрические заряды. Они уравновешиваются положительными зарядами в проводящем слое атмосферы - словом, мы имеем как бы две обкладки гигантского конденсатора. До последнего времени было неясно, на какой высоте находится "положительная обкладка" такого конденсатора. Ракетные исследования позволили определить, что "положительная обкладка" находится на высотах между 15-30 км. Эксперименты показали, что и внутри конденсатора "Земля- стратосфера" существуют слои пространственных зарядов, т. е. конденсатор можно уподобить слоеному пирогу.

Между "обкладками" глобального конденсатора постоянно течет так называемый ток разрядки, обусловленный проводимостью атмосферы. За несколько минут конденсатор может разрядиться, но этого не происходит. Значит, какие-то силы должны поддерживать разность потенциалов на его "обкладках". Иначе говоря, поверхность Земли и стратосфера постоянно получают новые порции зарядов. А может быть, все дело в мощных разделительных процессах между "обкладками"? Считалось, что одним из таких разделительных процессов служит грозовая деятельность, и поэтому атмосферное электричество не зависит ни от Солнца, ни от земных недр.

Сравнительно недавно выяснилось, что солнечное и галактическое излучения воздействуют на атмосферное электричество и на погоду. Например, во время солнечных вспышек напряженность электрического поля часто возрастала. И в момент землетрясений и извержений вулканов электрическое поле атмосферы тоже претерпевает изменения. Значит, есть определенная связь между электричеством атмосферы и Земли. Точное установление такой взаимосвязи поможет объяснить многие геофизические явления".

О результатах прямых исследований свойств электризации стратосферы и мезосферы было доложено на секции по атмосферному электричеству 15-й Генеральной ассамблеи Интернационального союза геодезии и геофизики в Москве в 1971 г.

Один из авторов открытия - Ю. А. Брагин предложил следующую картину формирования электрических полей в атмосфере, которая пока рассматривается как дискуссионная. Каждую секунду от Солнца к Земле устремляется огромное количество заряженных частиц, в основном протонов и электронов. На расстоянии от Земли, меньшем, чем 10 земных радиусов, они испытывают отклоняющее действие ее магнитного поля. Частицы противоположных зарядов отклоняются в разные стороны, образуя пространственные электрические поля. Более энергичные частицы вторгаются в атмосферу Земли, менее энергичные остаются в магнитных ловушках (радиационных поясах, приземной плазме). Часть их "высыпается" из ловушек и также попадает в земную атмосферу.

Частицы различных видов и энергий поглощаются слоями атмосферы на разных высотах. Между этими слоями возникает дополнительная разность потенциалов. Верхняя, положительная "обкладка" питается потоками солнечных протонов. Они же и создают основное поле в конденсаторе. Нижняя, отрицательная "обкладка" конденсатора- "сфера влияния" земных недр. Но что же служит главным регулятором поведения гигантского конденсатора? Земля, Солнце, погода?

Гипотеза Брагина позволяет нарисовать один из возможных вариантов воздействия корпускулярных потоков на погоду. Ведь облака - это области с ярко выраженными слоями электрических зарядов. Поскольку при колебаниях интенсивности потока протонов изменяются электрические поля в глобальном конденсаторе, можно предположить, что меняются и свойства облачных образований - объемные заряды в облаках перераспределяются, облака вследствие этого опускаются или поднимаются, вода в них испаряется или кристаллизуется. Следовательно, энергии протонов, приходящих извне в конденсатор, вполне достаточно для смещения пространственных слоев зарядов в стратосфере. А это, в свою очередь, ведет к выделению колоссальной энергии, заключенной в массах плотного воздуха. Речь идет о грозах, ураганах и тому подобных явлениях. Потоки протонов служат для них своеобразным "спусковым механизмом".

Любая гипотеза нуждается в строгой объективной проверке. Дело только во времени. А в наши дни путь от гипотез к научным истинам резко сократился.

Заведующий сектором Института космических исследований АН СССР Н. Ф. Писаренко рассказывает, что за ряд лет с помощью многочисленных спутников удалось изучить радиационную обстановку на высотах до нескольких тысяч километров от Земли. Наибольший интерес представляли малые высоты - ведь именно с них человек начал обживать открытый космос. Изучение процессов на нижней границе радиационных поясов, т. е. на высотах 200-400 км, важно и с другой точки зрения. Здесь наблюдается взаимодействие частиц этих поясов с атмосферой Земли, происходит их проникновение в ионосферу. Очень важно досконально разобраться в физике различных процессов, определить время жизни частиц в радиационном поясе, выяснить зависимость их поведения от геомагнитных возмущений. Длительные измерения с по-млщыо спутников "Космос" позволили составить карты распределения в ближнем космосе потоков частиц разной природы в широком энергетическом диапазоне. Удалось определить зависимость интенсивности радиации от высоты, условий геомагнитной и солнечной активности.

Проблема взаимодействия частиц радиационных поясов с атмосферой Земли привлекае; внимание ученых разных специальностей. Попадающие с ионосферу космические частицы возбуждают холодную- плазму и становятся источниками различных нестационарных процессов и ионосферных возмущений. Их изучение представило несомненный интерес для радпофизиков и специалистов в области плазмы.

Явление аномального рассеяния радиоволн атмосферными облаками

Доктора физико-математических наук А. М. Боровиков и И. П. Мазин, доктор технических наук В. В. Костарев, кандидаты физико-математических наук А. Н. Невзоров и А. А. Черников (Центральная аэрологическая обсерватория Главного управления гидрометеослужбы при Совете Министров СССР) открыли явление аномального рассеяния радиоволн атмосферными облаками.

Процессы образования и развития облаков, приводящие к формированию осадков, чрезвычайно сложны. Известно, что облака, не дающие осадков, состоят из мелких капель воды, кристалликов льда или из тех и других. Каждый кубический километр капельных облаков несет сотни тонн воды. К середине 50-х гг. было установлено, что почти вся эта масса воды сосредоточена в каплях радиусом от 2-3 тысячных до нескольких сотых долей миллиметра. В кубическом сантиметре таких капель десятки и сотни. Был найден закон их распределения по размерам. Все эти данные были получены на основе самолетных методов исследований.

К 1959 г. авторами открытия был создан специальный самолетный прибор для измерения размеров и концентрации составляющих облака частиц радиусом более 75 мкм и разработана методика параллельных самолетных и радиолокационных наблюдений, реализованная в апреле - мае 1960 г.

"Первые же совместные наблюдения показали, - рассказывает один из авторов открытия А. А. Черников, - что в облаках существуют сверхкрупные частицы радиусом более 75 мкм в концентрации хоть и малой, но достаточной для того, чтобы радиолокационный сигнал от облака определялся, по существу, только ими. Было установлено, что каждое облако как бы представляет собой своеобразное сочетание двух облаков разного сорта с несовпадающими границами.

Одно из них состоит из частиц, размеры которых не превосходят нескольких десятков микрон. Именно его мы видим. Оно содержит основную массу облачной воды, от него зависят видимость в облаках, обледенение самолетов, вклад облаков в радиационный баланс атмосферы и т. д. Другое облако состоит из частиц, размеры которых составляют сотни микрон. Радиолокационная отражаемость от него увеличивается на два-три порядка по сравнению с радиолокационной отражаемостью от первого облака. Такое облако играет большую роль в процессе формирования осадков и свидетельствует о том, что в облаках существуют достаточно эффективные механизмы формирования и удержания сверхкрупных частиц.

Рассматриваемое явление имеет большое научное и практическое значение. С одной стороны, обнаружение сверхкрупных капель и кристаллов в облаках, не дающих осадков, и установление особенностей их распределения по размерам явилось импульсом для поисков механизмов, объясняющих эти особенности. С другой стороны, ясное понимание того, что является носителем радиолокационного сигнала от облаков, дает возможность не только правильно интерпретировать радиолокационные данные, но и разрабатывать новые способы получения метеорологической информации на основе радиолокационных наблюдений.

В настоящее время интенсивное развитие получили радиолокационные методы измерения важнейших параметров облаков и осадков - их водности, микроструктуры, поля движения внутри облаков и т. п. Эти методы нашли широкое применение не только в исследованиях физики облаков - в стране создана сеть метеорологических радиолокаторов, обеспечивающая информацией службу управления воздушным движением и прогноза погоды".

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 165 с приоритетом от декабря 1960 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление аномального рассеяния радиоволн атмосферными облаками, обусловленное образованием в атмосферных облаках скоплений сверхкрупных облачных частиц размером порядка 100 и более микрон".

Явление воздействия сейсмичности Земли через акустические волны на ионосферу

До недавнего времени причиной любых изменений в состоянии верхней части атмосферы - ионосферы - считалась солнечная активность. Поэтому при прогнозировании этого состояния во внимание принимались только физические характеристики Солнца.

Мы знаем, что ионосфера отражает электромагнитные колебания. Без этого невозможна была бы коротковолновая радиосвязь на огромных расстояниях. Еще не так давно в науке господствовало мнение, что время от времени Солнце сотрясают взрывы и изменения солнечной радиации сказываются на ионосфере.

В 60-е гг. геофизики и специалисты по радиосвязи обратили внимание на следующий парадокс. Во многих случаях, когда Солнце активизируется, ионосфера ведет себя нормально и, наоборот, при спокойном Солнце в ней могут происходить сильные возмущения.

Несколько лет советские исследователи Я. Г. Бирфельд (Междуведомственный совет по сейсмологии и сейсмостроительству при президиуме АН СССР) и А. В. Таранцев (Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по атомной науке и технике) наблюдали явления в ионосфере за Полярным кругом. С помощью радиолокатора были сделаны фотографии ионосферы в самых разных ситуациях. Все это привело их к открытию явления воздействия сейсмичности Земли через акустические волны на ионосферу.

А. В. Таранцев установил математическую зависимость, позволяющую с достаточной точностью предсказывать начало возмущения ионосферы над тем или иным районом земного шара.

"Нами были зафиксированы, - рассказывает он, - многочисленные факты, такие, например, как И января 1962 г., когда Солнце было безмятежно, а радиолокаторы полярной станции дважды отметили возмущение ионосферы. На рассвете, а затем в 10 ч утра раздались подземные толчки в районе югославского города Скопле, проснулся вулкан Вильярик в Чили, произошло землетрясение на Японских островах, напомнил о себе Карымский кратер... И каждый раз приборы показывали бурю, разыгравшуюся над планетой. Резко ухудшалась радиосвязь. Так же вела себя ионосфера и при ядерных взрывах в американском штате Невада.

По разработанной нами схеме можно наглядно представить, как влияют колебания земной коры на высотные слои воздуха. Произошло, например, землетрясение. По поверхности планеты пробегает легкая дрожь, словно зыбь по океанским просторам. Сейсмические колебания, в свою очередь, рождают акустическую волну, которая распространяется вертикально от Земли. С высотой плотность атмосферы уменьшается, возрастают скорость и амплитуда колебаний частиц воздуха, вызванные акустической волной. На расстоянии 150-300 км от Земли это увеличение достигает десятков и сотен тысяч раз. Такой мощный "маятник" изменяет структуру ионосферы, в ней возникают очаги повышенной и пониженной электронной концентрации, влияющей на радиосвязь.

Сначала акустическая волна устремляется по восходящей линии. Затем, под влиянием температуры, которая на высоте 300 км достигает более 1000°, ее путь искривляется. Колебания распространяются уже почти параллельно поверхности планеты, проникая на огромные расстояния от источника возникновения. Акустическая волна может обогнуть земной шар".

Открытие советских ученых имеет большое научное и практическое значение. Оно позволяет понять ранее неизвестные взаимодействия между земной корой, стратосферой, мезосф.ерой и ионосферой, по-новому прогнозировать ионные возмущения, влияющие на радиосвязь и метеорологические условия. Мощные подземные толчки и действующие вулканы, по существу, отдают весь свой потенциал атмосфере. Особенно сильное воздействие на воздушное пространство оказывают как раз вулканы, хотя на Земле их не так много. Однако энергия, вырабатываемая ими, колоссальна. При извержении, например, вулкана Шивелуч на Камчатке 12 ноября 1964 г. сила воздушной волны была равна полной энергии взрыва сорокатрехкилотонной атомной бомбы. В вулкане Карымском за сутки 27 октября 1962 г. произошло 900 взрывов.

Открытие А. В. Таранцева и Я. Г. Бирфельда внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 128 с приоритетом от 25 сентября 1963 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление возникновения ионосферных возмущений, наиболее сильных в полярных областях, обусловленное воздействием акустических волн, возникающих в атмосфере Земли в результате землетрясений, вулканических извержений, подземных, приземных и воздушных взрывов".