Основные физические свойства атмосферы, т. е. химический состав, плотность или давление и температура, определяются методами прямых и косвенных измерений.
К прямым методам относятся измерения: состава, давления и температуры атмосферы с помощью подъема стратостатов и шаров-зондов. В последние годы для этих целей стали применять приборы, установленные на геофизических ракетах и искусственных спутниках Земли. С помощью шаров-зондов атмосфера изучена до высот порядка 40 км. Данные о строении атмосферы на больших высотах получают с помощью ракет и спутников Земли.
К косвенным методам относятся наблюдения за: полярными сияниями, свечением ночного неба, траекториями метеоров, распространением вертикально направленных радиоволн и др.
Совокупность всех применяемых методов исследования атмосферы позволила определить ее состав и строение.
Состав атмосферы. По данным наблюдений за атмосферой установлено, что приблизительно до высоты 100 км химический состав газов в ней приблизительно такой же, как и у поверхности Земли. Это объясняется тем, что нисходящие и восходящие воздушные течения, которые бывают на этих высотах, хорошо перемешивают атмосферу.
Сухой воздух на уровне моря содержит 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и лишь около 1% легких газов (аргон, неон и др.).
Выше 100 км молекулы кислорода и азота под действием солнечных лучей, обладающих большой энергией, расщепляются (диссоциируются) на атомы. Поэтому в воздухе, помимо молекулярного кислорода и азота, имеются атомарный кислород и азот.
Кроме диссоциации, на высотах более 100 км происходит расслоение атмосферы. Более тяжелые газы, такие как кислород, располагаются в более низких слоях, а менее тяжелые, например азот, в более высоких слоях. Схематическая структура состава атмосферы показана на рис. 1.
Температура и давление атмосферы. Температура воздуха по мере увеличения высоты убывает. В среднем на каждый километр подъема температура понижается на 6° С. Происходит это потому, что воздух пропускает солнечные лучи и сам почти не нагревается. Основной поток солнечной энергии поглощается поверхностью Земли. Нагретая земная поверхность излучает тепловые лучи, которые и нагревают воздух. Поэтому слои воздуха, прилегающие к поверхности Земли, нагреваются сильнее.
Убывание температуры воздуха происходит приблизительно до высоты 10—12 км, где она падает примерно до минус 65° С. Но на высотах более 20 км она снова начинает возрастать. Это непонятное, на первый взгляд, явление объясняется процессами, связанными с присутствием озона, обладающего свойством поглощать энергию ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому скорость хаотического теплового движения молекул воздуха возрастает, т. е. увеличивается его температура.
Более сильное возрастание температуры с высотой начинается приблизительно со 100 км. Во-первых, это обусловлено поглощением солнечного излучения при образовании ионизированной области, во-вторых, бомбардировкой молекул и атомов воздуха потоками микрометеоритов, которые, попадая в атмосферу, сгорают в ней.
На рис. 2 показана зависимость температуры воздуха от высоты, измеренная приборами, установленными на геофизических ракетах.
Ионизация и ее источники. Согласно современным представлениям атомы газов состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. В нейтральных атомах заряд ядра компенсируется зарядом электронов.
Процесс ионизации заключается в отрывании одного или нескольких электронов от ядра. В результате электрическое равновесие в атоме нарушается и он приобретает один или несколько положительных зарядов, т. е. атом превращается в положительный ион. В нейтральных атомах электроны притягиваются к ядру. Чтобы оторвать электрон от ядра, необходимо затратить некоторую работу, называемую работой ионизации.
Один из способов ионизации газов заключается в так называемой фото ионизации. При этом молекулы и атомы газа подвергаются действию электромагнитных волн, например ультрафиолетовых лучей Солнца. Если энергия кванта волны превосходит энергию ионизации какого-либо газа, то происходит его ионизация, т. е. атом или молекула разбиваются на электрон и положительный ион. При ударной ионизации вырывание электрона из сферы притяжения ядра происходит в результате столкновения атома или молекулы газа с частицей, обладающей большой скоростью движения.
Основной источник ионизации атмосферы — Солнце. Оно излучает электромагнитные волны в очень большое диапазоне частот и выбрасывает потоки частиц. Из всего диапазона волн только ультрафиолетовые лучи обладают энергией, достаточной для ионизации газов атмосферы.
Ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца сильно поглощаются в верхних слоях атмосферы и не достигают поверхности Земли. Поэтому до последнего времени экспериментальное исследование ионизирующего излучения было чрезвычайно затруднено. Только в результате успешных запусков искусственных спутников Земли и космических ракет удалось измерить интенсивность ионизирующего излучения.
В настоящее время установлено, что основной источник ионизации заключается в ультрафиолетовом излучении. Интенсивность корпускулярного излучения составляет примерно половину интенсивности ультрафиолетовых лучей.
Следующий по степени важности источник ионизации — ультрафиолетовое излучение звезд. Ионизирующее действие звезд составляет примерно 1/1000 действия солнечной радиации.
Источником ионизации служит также сгорание космической пыли, непрерывно вторгающейся в земную атмосферу. Размер пылинок составляет тысячные доли миллиметра, а число их, попадающее за сутки в атмосферу, достигает 1020.
Помимо перечисленных постоянно действующих источников ионизации, существуют нерегулярные источники, т. е. действующие время от времени. Во-первых, это мощные потоки корпускул, выбрасываемые Солнцем в периоды солнечных извержений; попадая в земную атмосферу, они нарушают регулярное состояние ионосферы, вызывая ионосферные возмущения. Во-вторых, это потоки метеоров, пронизывающие атмосферу. Сгорая в ее плотных слоях, приблизительно на высоте 100 км, метеоры вызывают ионизацию окружающего воздуха.
Мерой ионизации служит количество cвободных электронов в 1 см3, и называется она электронной концентрацией.
Чтобы выяснить, как изменяется ионизация по высоте, предположим, что атмосфера в своем составе однородна и ее температура не меняется с высотой.
У верхней кромки атмосферы на высоте примерно 20 000 км ионизирующее излучение обладает наибольшей энергией. Все атомы воздуха будут ионизированы. Однако электронная концентрация там будет чрезвычайно малой, так как на этих высотах плотность атмосферы ничтожна. Таким образом, у кромки атмосферы не может быть наибольшего значения ионизации. У поверхности Земли ионизация также не может быть максимальной. Действительно, чтобы достигнуть поверхности Земли, ионизирующему излучению придется пройти всю толщу атмосферы. Энергия излучения при этом почти полностью поглотится атмосферой. Следовательно, максимальная ионизация будет на какой-то высоте над поверхностью Земли. В действительности атмосфера не однородна, а ее температура по высоте изменяется по сложному закону. Поэтому в реальной атмосфере ионизация по высоте изменяется также по сложному закону. Экспериментально установлено, что ионосфера имеет ступенчатый вид с плавным изменением ионизации от ступеньки к ступеньке. Различают четыре области ионизации, называемые слоями Е, D, F1 и F2.
На рис. 3 приведена зависимость изменения электронной концентрации от высоты. Из рисунка видно, что самый нижний слой D расположен на высоте 60—80 км, а самый высокий слой F2, обладающий, кроме того, наибольшей электронной концентрацией,— на высоте 300—450 км в летнее время и на высоте 250—350 км в зимнее время.
Отражение радиоволн от ионосферы. До высоты примерно 60 км свободные электроны в атмосфере отсутствуют. С точки зрения электрических свойств атмосфера представляет собой диэлектрик, и радиоволны распространяются в ней по прямолинейной траектории, не испытывая поглощения. Как известно, свойства диэлектрика характеризуются диэлектрической проницаемостью, которая для воздуха приблизительно равна диэлектрической проницаемости вакуума.
На больших высотах в ионизированных слоях атмосферы существуют свободные электроны. Под действием радиоволн они приводятся в колебательное движение, в процессе которого часть электронов сталкивается с молекулами газа, находившимися в беспорядочном тепловом движении. Вследствие подобных столкновений общее тепловое движение молекул усиливается, т. е. энергия радиоволн частично расходуется на тепловые потери. Таким образом, радиоволны при распространении в ионизированном газе испытывают поглощение.
С увеличением частоты поглощение радиоволн уменьшается. Действительно, из-за инерции массы электрона амплитуда его колебаний с возрастанием частоты будет уменьшаться, и, следовательно, вероятность столкновения колеблющегося электрона с близлежащими молекулами газа становится меньше. Поэтому на коротковолновых линиях связи, использующих отражение радиоволн от ионосферы, всегда стремятся работать на более высоких частотах.
Очевидно, что число столкновений колеблющихся электронов с молекулами газа будет больше в низких слоях ионосферы, где давление воздуха больше. В вышележащих ионизированных слоях, где атмосферное давление меньше, число столкновений уменьшается. Следовательно, количество электронов, находящихся в свободном колебательном движении, больше.
Электромагнитная энергия волны, затраченная па приведение свободных электронов в колебательное движение, в дальнейшем не расходуется, так как электроны не испытывают ни трения, ни столкновений. Подобным свойством обладают идеальные диэлектрики. Это доказывается математическим анализом процесса распространения радиоволн в ионизированном газе, где отсутствуют столкновения электронов с молекулами.
Рассмотрим процесс распространения радиоволн при их падении из воздуха в ионосферу (рис. 4).
Предположим, что ионосфера состоит из ряда плоских слоев, в пределах каждого из которых концентрация электронов остается постоянной. При этом в первом слое она меньше, чем во втором, во втором меньше, чем в третьем, и т. д.
Зная электронную концентрацию слоя N и частоту радиоволн f, можно определить показатель преломления ионизированного слоя по формуле
$$n=\sqrt{1-80,8\frac{N}{f^2}}$$
Из формулы видно, что в первом ионизированном слое показатель преломления меньше единицы. Радиоволна, падающая под углом $\varphi_0$ на ионосферу, переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. В подобных условиях радиоволна испытывает преломление, причем угол преломления $\varphi_1$ больше угла падения $\varphi_2$.
Преломление радиоволны будет происходить также при переходе из слоя 1 В слой 2 и т. д.
Наконец, после нескольких преломлений угол падения радиоволны у какого-то слоя станет равным приблизительно 90°. Это значит, что в точке Б луч станет почти параллельным поверхности Земли.
Положение луча в точке Б весьма неустойчиво. Достаточно малейшей неоднородности в ионосфере, вследствие которой луч хотя бы незначительно отклонится от направления параллельного слоя, чтобы дальше он начал все больше и больше приближаться к Земле, повторяя пройденный путь на участке между точками А и Б, но в обратном порядке. Наоборот, всякое случайное отклонение луча в точке Б вверх ликвидируется, и луч будет опять становиться параллельным Земле. В действительных условиях концентрация электронов меняется не скачком от слоя к слою, а непрерывно, поэтому непрерывно будут меняться показатель преломления и траектория движения волны.
Для данной электронной концентрации ионосферы существует максимальная частота, при которой радиоволны еще отражаются ионосферой. Радиоволны более высоких частот не могут отражаться от ионосферы, пронизывают ее и уходят в космическое пространство (рис. 5). Различают два вида максимальных частот: критическую частоту вертикального падения и максимальную частоту наклонного падения волны. Критической частотой для данного ионосферного слоя называют ту наибольшую частоту, при которой радиоволны, направленные вертикально, еще могут быть отражены ионосферой. В отличие от этого максимальной частотой называют ту наибольшую частоту, при которой радиоволны, направленные под каким-то углом $\beta$ к поверхности Земли, еще могут быть отражены ионосферой.
Если известна критическая частота ионосферного слоя fкр, то максимальную частоту наклонного падения fмакс можно определить по формуле
$$f_{макс}=f_{кр}\sqrt{\frac{1+\frac{2h}{R}}{\sin^2\beta+\frac{2h}{R}}}$$
где R — радиус земного шара, равный 6370 км;
h — высота ионосферного слоя, от которого происходит отражение радиоволн.
Из числа регулярных слоев самую высокую максимальную частоту имеет слой F2, который, как это видно из рис. 3, обладает также наибольшей электронной концентрацией.
Суточные, сезонные и 11-летние изменения состояния ионосферы. Суточные изменения концентрации электронов в ионосфере примерно следуют за изменением высоты Солнца. Максимальная концентрация бывает тогда, когда Солнце занимает наивысшее положение. В соответствии с этим критическая частота имеет наибольшее значение в полдень летом и наименьшее значение ночью зимой. Этому правилу подчиняются критические частоты слоя Е. На рис. 6 показаны графики суточных изменений критических частот слоев Е и F2 для зимы и для лета. Из рисунка видно, что в отличие от слоя Е критические частоты слоя F2 достигают наибольшего значения в зимние полуденные часы. Причина такого необычного поведения слоя F2 до сих пор точно не установлена.
На рис. 7 показан ход полуденных критических частот за год для средних широт. Критические частоты слоев Е и F2 в летние месяцы больше, чем в зимние и осенние. Критическая частота слоя F2 2 раза в течение года принимает наибольшее значение.
Помимо суточных и сезонных изменений, состояние ионосферы находится в зависимости от изменения солнечной активности. Во внешних слоях Солнца постоянно происходят интенсивные процессы, сопровождающиеся изменениями температуры его поверхности и изменениями корпускулярного и ультрафиолетового излучений. Эти изменения сопровождаются появлением на Солнце пятен, которые с помощью астрономических приборов могут быть подсчитаны. В результате непрерывных наблюдений за Солнцем, начиная с 1740 г. и по настоящее время, установлено, что количество пятен в год изменяется периодически с 11-летним периодом. Установлено также, что концентрация электронов, а следовательно, и критические частоты в слоях ионосферы изменяются пропорционально количеству пятен на Солнце. Это хорошо видно на рис. 8, где приведены кривые изменения количества пятен на Солнце и критических частот слоя F2 за период с 1933 .по 1947 г. 'При увеличении количества пятен возрастают критические частоты. Убывание количества пятен сопровождается уменьшением критических частот.
Последний максимум солнечной активности был в 1958 г. Прошедший 1963 и настоящий 1964 г. приходятся на минимум солнечной активности. Следовательно, радиолюбители в это время не должны ожидать хорошего «прохождения» коротких радиоволн на большие расстояния.
Помимо суточных, сезонных и 11-летних изменений состояния ионосферы, которые носят регулярный характер, в ионосфере происходят также нерегулярные процессы. К ним относятся: ионосферные возмущения, внезапные поглощения и образование спорадического слоя Еs.
Ионосферные возмущения. В результате вспышек на Солнце извергаются мощные потоки заряженных частиц. Попадая в земную атмосферу, эти частицы нарушают нормальное состояние ионосферы, особенно слоя F2, и служат причиной ионосферных возмущений. Электронная концентрация слоя F2 уменьшается, нарушается правильная структура слоя и появляются промежуточные, быстро меняющиеся слои в виде электронных скоплений. Это приводит к тому, что отражения от слоя F2 исчезают. Ионосферные возмущения особенно сильно проявляются в полярных областях. Их длительность меняется от нескольких часов до 2 суток. Ионосферные возмущения обычно сопровождаются полярными сияниями и резкими изменениями напряженности магнитного поля Земли.
Внезапные поглощения. Помимо корпускулярных извержений Солнца, время от времени на нем происходят вспышки ультрафиолетового излучения. Попадая в атмосферу, это излучение вызывает сильную ионизацию в слоях Е и D, что сопровождается увеличением поглощения коротких волн, в результате этого резко ухудшается их «прохождение». Явление внезапного поглощения длится от нескольких минут до 1 ч и может возникнуть только на освещенной половине Земли.
Спорадический слой Es представляет собой скопление отдельных сильно ионизированных блоков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Такой «решетчатый» слой возникает на уровне слоя Е и имеет протяженность десятков или сотен километров. Чаще всего слой Еs возникает летом в годы минимума солнечной активности.
Необходимо сказать, что структура слоя Еs и его поведение еще окончательно не установлены. Точно не установлены также причины его образования. Некоторые ученые объясняют появление спорадического слоя как следствие попадания потоков метеоров в атмосферу и их сгорания в ней.
Спорадический слой может быть как прозрачным, так и не прозрачным для коротких радиоволн. В первом случае он не нарушает работу коротковолновых линий связи. Во втором случае он обладает экранирующим действием и не пропускает короткие радиоволны. В этом случае он может оказаться серьезной помехой для радиосвязи.
Слой Еs может быть причиной распространения ультракоротких радиоволн на большие расстояния. Например, прием телевизионных программ от телецентров, расположенных за несколько тысяч километров, может объясняться отражением ультракоротких радиоволн от спорадического слоя. Следует отметить, что спорадический слой может быть одной из причин, объясняющей дальнее распространение УКВ. Другими причинами могут быть отражение УКВ отслоя F2 в годы максимума солнечной активности и распространение УКВ в так называемых тропосферных волноводных каналах.
Процессы в ионосфере, особенно нерегулярные (кратковременные), изучают путем непрерывного наблюдения за состоянием ионосферы с помощью сети ионосферных станций.