Ионосфера

Это было в 1901 г. Передатчик был установлен в Англии, на полуострове Корнуолл, приемное устройство — через океан, на полуострове Ньюфаундленд. С точки зрения теоретиков, это был безнадежный эксперимент. Но, как часто бывает, эксперимент опрокинул теорию—радиосигнал одолел просторы Атлантики, заставив ученых искать объяснение этому «чуду». В результате была открыта ионосфера — один из самых важных в практическом отношении и в то же время один из самых загадочных слоев атмосферы,— обязанная своим существованием нашему светилу.

Планета в космической плазме… Звучит немного торжественно, немного загадочно, немного фантастично. А для современного геофизика-исследователя это привычное понятие, предмет изучения, рабочий термин. Обычно, когда употребляют литературно-публицистическое клише «мы живем в космическом веке», хотят подчеркнуть стремительный темп нашей жизни, обратить внимание на фантастические успехи научно-технической революции. Но можно понять это и так: космос стал местом обитания человека, областью его повседневной деятельности.

И дело даже не в том, что многие десятки людей стали пилотами космических кораблей и несут свою нелегкую вахту на орбитальных обсерваториях, и не в том, что деятельность человека в космосе стала привычной, обыденной и необходимой. А дело в том, что все мы — космонавты, вся наша планета, вся Земля,— корабль в безбрежном космическом океане. Но этот океан — не пустота, а то, что в физике называют четвертым состоянием вещества (первые три — твердое, жидкое, газообразное): плазма.

Вспомним уроки физики: атомы или молекулы любого вещества в обычном состоянии электрически нейтральны, то есть не имеют электрического заряда. Каждый атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра и вращающихся вокруг него легких отрицательно заряженных электронов. В нейтральном атоме суммарный положительный заряд ядра в точности равен суммарному заряду электронов, потому-то атом и нейтрален. Но если в результате какого-нибудь процесса атом теряет хотя бы один электрон, то становится положительно заряженной частицей — положительным ионом. Если же атом приобретает лишний электрон, то становится ионом отрицательным. Смесь нейтральных частиц, электронов, положительных и отрицательных ионов это и есть плазма.

Вообще можно сказать, что почти весь окружающий нас мир, начиная с Земли и кончая далекими уголками Вселенной, состоит в основном из частично или полностью ионизированной плазмы, пронизываемой магнитными полями. Неплазменными являются только такие тела, как межзвездная пыль, ядра комет, планеты, нейтронные звезды, но они занимают ничтожно малую часть объема известной нам Вселенной и содержат лишь небольшую, менее 1%, долю массы вещества.

Мы живем в Солнечной системе, испытывая воздействие всех видов излучения, поступающего к Земле. Замечательный советский ученый А. Л. Чижевский писал, что и наружный лик Земли, и жизнь, наполняющая его, являются результатом творческого воздействия космических сил.

«Не Земля, а космические просторы становятся нашей родиной, и мы начинаем ощущать во всем ее подлинном величии значительность для всего земного бытия и перемещения отдаленных небесных тел, и движения их посланников — радиации…

Эти радиации представляют собой прежде всего электромагнитные колебания различной длины волн и производят световые, тепловые и химические действия. Проникая в среду Земли, они заставляют трепетать им в унисон каждый ее атом, на каждом шагу они вызывают движение материи и наполняют стихийной жизнью воздушный океан, моря и суши. Встречая жизнь, они отдают ей свою энергию, чем поддерживают и укрепляют ее в борьбе с силами неживой природы…»

Сказано несколько возвышенно, но абсолютно верно — все может быть записано на языке строгих научных формул. Мы живем в Солнечной системе, в относительной близости к нашей «собственной» звезде — Солнцу. И как сейчас стало ясно, по существу Земля находится в атмосфере Солнца, точнее, в верхней ее части, расширяющейся во все стороны солнечной короне. Магнитное поле нашей планеты взаимодействует с потоком солнечной плазмы, образуя специфическую область — магнитосферу. Земля своей атмосферой, тонкой газовой оболочкой, простирающейся на сотни километров, и магнитосферой, сдуваемой солнечным ветром (то есть непрерывным потоком плазмы из солнечной короны) так, что ее ночной шлейф достигает орбиты Луны, плавает в плазменном «океане», заполненном электронами, протонами, ядрами элементов и пронизываемом волновыми излучениями,   электрическими   и   магнитными   полями.

Воздух, окружающий нашу планету, ее атмосфера у поверхности — это еще не плазма, а просто смесь многих химических веществ в газообразном состоянии, главным образом азота, кислорода и двуокиси углерода. И если у поверхности планеты и имеются заряженные частицы, то очень немного. Но чем выше мы поднимаемся, тем больше заряженных частиц, тем ближе воздух к плазме. Какая же сила превращает воздух в плазму?

«Виновником» такого превращения прежде всего является излучение самого Солнца, ведь Солнце — источник не только видимого света, но и электромагнитного излучения самых разных видов — от гамма-квантов и жестких рентгеновских лучей до радиоволн, а также мощных потоков заряженных частиц, обладающих фантастическими скоростями. Конечно, свою роль в превращении воздуха-изолятора в плазму-проводник играют и другие виды радиации, приходящей к нам из космических глубин. В результате вокруг Земли создается шаровой слой плазмы, который принято называть ионосферой. Начиная с 50—60 км над Землей и на десяток-другой тысяч километров простирается эта плазменная оболочка нашей планеты.

Появление искусственных спутников Земли, эффективного средства измерений в околоземном космическом пространстве, заставило пересмотреть наши представления о структуре и свойствах верхней атмосферы и магнитосферы Земли и позволило обнаружить много новых явлений в околоземной плазме.

Полярные сияния и магнитные бури (а о них человечество узнало много лет назад) оказались проявлениями мощнейших процессов, которые солнечный ветер время от времени вызывает в околоземном пространстве и которые приводят к нагреву магнитосферной плазмы до десятков миллионов градусов.

В наземных лабораториях физикам еще не удается создать на длительное время сравнительно спокойную и достаточно горячую плазму. А в магнитосфере она существует постоянно и порой разогревается до таких температур, которых достаточно, чтобы «зажечь Солнце на Земле» — получить управляемую термоядерную реакцию. Поэтому изучение сложных процессов в ближайшем космосе представляет интерес не только для геофизики, но и для физики плазмы.

Возникшие в разогретых областях магнитосферы «горячие» частицы — электроны и протоны больших энергий,— направляемые силовыми линиями геомагнитного поля, гигантскими тысячекилометровыми струями вторгаются в атмосферу, «прожигая» ее и вызывая свечение полярного неба. Часть «горячих» частиц выбрасывается в магнитный шлейф Земли, а наибольшее их количество попадает в своеобразную магнитную «ловушку»   и   пополняет  радиационные   пояса   нашей   планеты.

Ионосфера обладает тем замечательным свойством, что она способна отражать радиоволны. Это ее свойство — просто подарок природы человечеству: наличие ионосферы у нашей планеты обеспечивает нам дальнюю и сверхдальнюю радиосвязь. В верхних слоях земной атмосферы происходят сложные физические процессы, которые трудно, а чаще просто невозможно наблюдать в лабораторных условиях на Земле. По существу, ионосфера — это большая естественная лаборатория, которая позволяет нам исследовать процессы взаимодействия разреженных газов с ионизирующими излучениями, различного рода фотохимические реакции, динамику неоднородных газов. Знать свойства ионосферы — на каких высотах она располагается, сколько заряженных частиц она содержит, какова температура, скорость и направление их потоков, как все эти свойства меняются в зависимости от широты (у полюсов, на экваторе, в средних широтах) и долготы, ото дня к ночи, от зимы к лету и т. п.— стало сейчас не только интереснейшей научной задачей, но и практической необходимостью.

И действительно, возникла совершенно новая отрасль науки и техники — космонавтика. Искусственные спутники Земли, пилотируемые космические аппараты, орбитальные обсерватории (типа американской «Скай-лэб» или нашего «Салюта»), челночные космические корабли многоразового использования летают именно в ионосфере: радиосвязь между космическими кораблями, а также между ними и Землей осуществляется также через ионосферу. Есть и еще одна важная сторона проблемы. В последние годы стало ясно, что нельзя удовлетворительным образом прогнозировать погоду и климат без учета космических факторов — солнечной активности в электромагнитном диапазоне и взаимосвязи той нижней части атмосферы, где развиваются погодные процессы, с ионосферой. Таким образом, перед исследователями стоит задача создания самосогласованной модели взаимного влияния космических факторов и погодообразующих процессов. Эта задача требует проведения сложных экспериментов и не разовых, а длительных регулярных измерений. Измерения должны проводиться не в одной точке, а на сети обсерваторий, расположенных в разных геофизических условиях. Чтобы понять и объяснить результаты измерений, надо создать совершенно новую теорию, сочетающую в себе элементы физики плазмы, геофизики, метеорологии и радиофизики.

По существу, на наших глазах в последние десятилетия сформировалось и развивается новое научное направление— солнечно-земная физика, современная многоотраслевая область науки. Солнечно-земная физика исследует процессы, в которых разнообразные формы энергии, генерируемой Солнцем, воздействуют на околоземное пространство, и изучает взаимосвязь физико-химических процессов в каждом элементе системы Солнце — Земля. Солнце, межпланетная среда, магнитосфера, ионосфера и атмосфера составляют эту систему. Знание их свойств необходимо для разработки и использования аэрокосмической техники, обеспечения радиосвязи и радионавигации, совершенствования прогнозов погоды и климата, решения многих практических задач. Конечно, корни солнечно-земной физики уходят в Землю, но многочисленные ветви ее простираются настолько далеко, насколько могут проникнуть приборы для исследования Солнечной системы.

Техника техникой, но нельзя забывать, что сама жизнь, все биологические процессы самым тесным образом связаны с окружающей средой, в том числе с Солнцем и космической плазмой. И здесь практическое значение имеет та последовательность процессов, которая в конце концов оказывает воздействие на все живое. Нельзя забывать также и то, что сам человек своей активной технологической деятельностью вторгается в хрупкое космическое пространство, часто даже и не осознавая, не предвидя последствий такого вторжения.

Я уже не говорю о проблемах промышленного загрязнения природной среды обитания, когда мы оказались на грани экологической катастрофы. Речь идет о необходимости изучения и прогнозирования глобальных, долговременных тенденций во всем околоземном пространстве, о выяснении связи солнечно-земной физики с экологическими проблемами и перспективами развития человечества в целом. Необходимо заранее, пока еще не поздно, определить границы допустимого воздействия и на приземный космос.

Существует такой научный термин, в последнее время получивший довольно мрачный оттенок,— «антропогенное воздействие». И означает он влияние человека на окружающую среду. Так, в последние годы возникла угроза антропогенного воздействия на атмосферный озон. Этот газ, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода, играет существенную роль в сохранении жизни на Земле. Он поглощает почти всю смертоносную для живых организмов дозу солнечной ультрафиолетовой  радиации,  которая  попадает  в  атмосферу.

Дело в том, что ультрафиолет разрушительно действует на такие вещества, как дезоксирибонуклеино-вая кислота и протеин — основные строительные блоки для большинства форм жизни. К счастью, для биосферы, животные и растения разработали очень эффективные защитные механизмы против таких пагубных воздействий. У человека, например, вырабатываются такие дубильные пигменты, как меланин, препятствующий проникновению ультрафиолетовой радиации. А мы при этом просто говорим: человек загорает. И у животных, и у растений идут восстановительные процессы для защиты от радиации. Правда, многие организмы балансируют на грани разрушения и восстановления клеток, и любой внешний фактор, который этот баланс нарушает, может привести к необратимым последствиям.

Живые клетки очень уязвимы, очень чувствительны к росту интенсивности ультрафиолетовой радиации, который может произойти в результате уменьшения содержания озона. Но и уменьшение интенсивности той же радиации в случае обратного процесса — роста содержания озона — тоже опасно. Ведь эта радиация нужна для образования витамина D в живых организмах и растениях в результате их жизнедеятельности.

Что же контролирует содержание озона? В первую очередь  то же Солнце, ведь оно является источником ого ультрафиолетового излучения, которое и необходимо для образования озона. Косвенным образом оно же управляет и процессами уничтожения озона. Интенсивность видимого солнечного излучения меняется во времени очень незначительно (на несколько десятых процента за десятки лет), а вот в ультрафиолетовой, невидимой, части солнечного спектра могут происходить очень заметные и сравнительно быстрые изменения. Наблюдения показывают, что похожие изменения, вариации, характерны и для общего содержания озона. Помимо всего прочего, в изменения содержания озона вносит свою лепту и человек. Химическое производство, работа холодильных установок, испарение всевозможных аэрозолей — все это приводит к появлению в верхней атмосфере соединений хлора, фреонов и т. п. Высотные реактивные самолеты тоже добавляют в атмосферу продукты сгорания топлива. В результате озон вступает в реакции со многими веществами, и его концентрация может и уменьшаться, и увеличиваться в зависимости от конкретных условий. Наблюдающееся в Антарктиде понижение концентрации озона (так называемые озонные дыры) вполне может быть связано с антропогенным воздействием на верхнюю атмосферу. Осознав эту опасность, многие страны заключают сейчас соглашения о запрещении использования ряда химических веществ, потенциально опасных для озоносферы.

И вообще нам, дорогой читатель, нельзя особенно рассчитывать на то, что если какого-то вещества в окружающем нас пространстве содержится крайне мало, то оно не играет для нас существенной роли. Среда, в которой мы обитаем, атмосфера,— это слой вещества, создающий давление всего 1 кг/см . Десять миллиграммов углекислого газа из каждого килограмма этого вещества, взаимодействуя с солнечным теплом и светом, непрерывно поддерживают жизнь на Земле, 300 мкг озона защищают эту жизнь от губительного ультрафиолета, одна миллионная доля микрограмма электронов дает человечеству возможность общаться по радио. Так что, воистину, мал золотник, да дорог.

По всей видимости, хотя поиски внеземных цивилизаций продолжаются, жизнь существует только на Земле. Если мы не хотим просто плыть по течению — куда кривая вывезет, то обязаны задуматься и попытаться понять характер взаимодействия всех звеньев системы Солнце — Земля, включая все ее физические, химические и биологические процессы. В настоящее время научная общественность многих стран готовится к проведению в 90-х годах нашего века грандиозной по своим масштабам международной программы, исследовательского проекта «Геосфера — биосфера, глобальные изменения». За 10—20 лет мы должны выяснить, как влияют процессы в космической плазме на все живое, и понять, можно ли и нужно ли регулировать это влияние. При этом в центре внимания, конечно, будут нижняя атмосфера («рабочее тело» глобальной тепловой машины), океаны (резервуары тепла) и биосфера (глобальный регулятор),

В науке так всегда и бывает. Сначала изучают какие-либо явления по отдельности, а потом оказывается, что они между собой тесно связаны. Именно это и происходит в солнечно-земной физике. Вот, скажем, ионосфера — «волшебное зеркало планеты». Само слово «ионосфера» появилось в научном обиходе только в 1922 г., когда английский ученый Уотсон поместил статью об этой области верхней атмосферы в Британской энциклопедии. И определение было дано следующее: «Ионосфера — часть верхней атмосферы, свойства которой существенны для распространения радиоволн». Конечно, определение далеко не строгое; это и привело к тому, что пространственные границы ионосферы разные исследователи указывают по-разному. Тут ведь надо еще определить, что значит существенны? Для радиоволн какого диапазона, каких длин волн? Но как бы то ни было, вышло так, что долгое время ионосфера изучалась главным образом только как плазма в магнитном поле Земли, как специфическая среда для распространения радиоволн, по существу, без учета общих свойств атмосферы.

А в то же время классическая метеорология, изучая погоду и климат, сознательно ограничивалась исследованием только нижних слоев атмосферы — тропосферы и стратосферы. Но ведь для метеорологии главной проблемой был и остается прогноз состояния приземной атмосферы, то есть в конечном счете управление ее поведением. А если так, то какие основания ограничивать себя только нижней частью атмосферы? С другой стороны, исследователи космоса столкнулись с тем, что важные закономерности в вариациях поведения ионосферы и даже в распространении радиоволн очень трудно — а то и невозможно — объяснить, если рассматривать ионосферу в отрыве от нижележащих атмосферных слоев.

Поэтому в наше время и внутренние законы развития науки, и — самое главное — потребности практики обусловили интерес метеорологов ко все более высоким слоям атмосферы и даже к магнитосфере и межпланетной среде. Во многих странах, в том числе и в СССР, в ведении именно метеорологических организаций находятся службы Солнца, ионосферы и магнитосферы, диагностики и прогноза радиационной обстановки в космосе, магнитосферных и ионосферных возмущений для нужд практической космонавтики, радиосвязи, энергетики, медицины и т. п. Я уже не говорю о проблеме Солнце — погода, которая сейчас вызывает горячие дискуссии и в научной среде, и среди самой широкой публики. С другой стороны, сейчас очень возросла заинтересованность исследователей околоземного космического пространства в изучении нижних слоев атмосферы.

Вот этим взаимным проникновением интересов и обусловлен частично тот факт, что книга о солнечно-земной физике выходит в гидрометеорологическом издательстве, О чем все-таки она? Об основах этой науки, о методах и результатах исследования ближнего космического пространства, о международном сотрудничестве ученых в этой области, о нерешенных проблемах и загадочных явлениях, гипотезах и предположениях. Мне кажется, тем и привлекает наука пытливых и любознательных, что она всегда оставляет место для поиска новых фактов и законов. Недаром физики шутят: «Если в результате честной работы стало ясно, что сделать предстоит гораздо больше, чем сделано, значит, выполнена научная работа». Так что не бойтесь удивляться — природа бесконечно сложна, неисчерпаема и преподносит нам немало сюрпризов.

А вот написать о том, что интересно автору, так, чтобы это было интересно и читателю, очень трудно. Во-первых, все-таки физика. Значит, описание физических законов должно идти на языке математики. Но я сознательно отказываюсь от громоздких математических формул. Альберт Эйнштейн писал: «Книги по физике изобилуют сложными математическими формулами. Однако в основе любой физической теории лежат не формулы, а идеи…» Чтобы понять те идеи, которые лежат в основе солнечно-земной физики, достаточно обычной школьной подготовки. Но чтобы не закрыть эту книгу на первой же странице, нужен непременно интерес к самой проблеме, желание разобраться, мобилизовать свои знания и опыт, пойти чуть дальше в познании окружающего мира. И если задача автора — попытаться рассказать, объяснить, то задача читателя — попытаться понять.

Во-вторых, читатели научно-популярных книг очень разные. Одно дело — специалисты в каких-то смежных областях естествознания, стремящиеся расширить кругозор и видящие в научно-популярной книге путеводитель, который можно использовать как основу для дальнейшего более детального знакомства с проблемой, и совсем другое — молодые люди, скажем старшие школьники, только намечающие свой путь в жизни, выбирающие специальность, чувствующие в себе творческие возможности. Да мало ли еще имеется категорий читателей… И для каждой необходимо найти свой стиль изложения, свой язык. То требуется строгость и информативность, то чуть ли не детективный сюжет.

К сожалению, на мой взгляд, многие популярные книги не имеют адреса. Специалистам они малоинтересны, а неспециалистам недоступны для понимания, поскольку просто-напросто пересказывают научные монографии с их формулами, графиками и т. п.

Я же старался представить себе читателя, плохо знакомого с предметом, проблемами и терминологией солнечно-земной физики. Я считал, что он, может быть, достаточно образован, но совсем в другой сфере и с этой книги начнет знакомство с той областью знаний, которая его заинтересовала по отрывочным сведениям, почерпнутым с помощью средств массовой информации. Значит, мне необходимо пробудить у такого человека уважение к моему делу, раскрыть его значение для человечества, передать ему частицу своей любви, не поступаясь при этом ни научной достоверностью, ни серьезностью предмета, хотя какие-то упрощения, увы, неизбежны.

Насколько это удалось — судить не мне. Я просто последовал совету мудрбго человека, советского физика, академика Льва Андреевича Арцимовича, который говорил, что в предисловии к книге автор должен сочетать чистосердечное признание недостатков своего труда с доказательством их абсолютной неизбежности.

Я благодарен моим коллегам, критически обсуждавшим содержание этой книги, и признателен за молчаливую помощь тем авторам, чьи имена приведены в списке рекомендуемой литературы.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: