Виктор Щукин - Штурм неба [Как изучается атмосфера]

Ракеты позволили собрать ценные сведения и о составе атмосферы. Долгое время учёные считали, что химический состав воздуха должен изменяться с высотой; предполагалось, что самый тяжёлый газ воздуха — кислород — должен убывать с высотой быстрее всего, более лёгкий — азот — несколько медленнее, а содержание водорода, который у поверхности Земли имеется в виде ничтожной примеси, должно непрерывно возрастать. Сейчас окончательно доказано, что состав воздуха практически не меняется с высотой.

Лишь в слабой степени выше 20–30 км намечается относительное уменьшение кислорода сравнительно с азотом и заметное убывание тяжёлых газов — аргона и углекислоты.

Наибольшая высота, на которой побывал человек — 22 километра. Ракеты достигали высоты 400 километров. Но и это не удовлетворило учёных.

Наука имеет в своём распоряжении средства, позволяющие составить представление о слоях атмосферы, ещё не достигнутых ни человеком, ни его приборами. В эти слои человек посылает звук, радиоволны. Используются и сведения, которые приносят на Землю световые лучи. Все эти косвенные методы изучения атмосферы пополняют наши знания и о низших слоях атмосферы. Рассмотрим их подробнее.

Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был слышен в радиусе 55 км. Далее, в кольце шириной около 100 километров, простиралась «зона молчания», где взрыва совсем не было слышно. А на ещё большем расстоянии от Москвы взрыв снова был отчётливо слышен (рис. 16).

Рис. 16. Зоны слышимости взрыва, который был произведён 9 мая 1920 года в Москве .

Профессор В. И. Виткевич заинтересовался странным поведением звука и предположил, что такая слышимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоёв, отражающих звук.

Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своём пути среду с иной температурой, он изменяет своё направление. При этом, если звук переходит в слой более тёплого воздуха, то угол между направлением его движения и границей слоя уменьшается, а если звук переходит в более холодный слой, то угол возрастает. Таким образом звук, идущий вверх, может возвратиться на Землю только в том случае, если в атмосфере есть слой воздуха с повышенной температурой. Это ясно видно из рисунка 17.

Рис. 17. Направление распространения звуковых волн, когда на их пути встречается слой более холодного (а) или более тёплого (б) воздуха.

Слой воздуха с пониженной температурой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 17, а ), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч А на рис. 17, б ). На Землю возвращаются не все звуковые волны. Те из них, которые идут ближе к вертикальному направлению (луч В ), отклоняются от своего направления, но на Землю не возвращаются. Они проходят сквозь этот слой и затухают в атмосфере. Отражённые волны возвращаются на Землю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 17, б). Этим и объясняется возникновение зон молчания.

Произведя ряд взрывов в целях исследования и замерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, учёные нашли, что звук отражается от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40–50 километров.

Отражающая способность слоя воздуха зависит от его температуры. Чем более высокую температуру имеет слой воздуха, тем больше его отражающая способность и тем меньше расстояние между зонами слышимости. Поэтому, изучая расположение зон молчания и слышимости, учёные определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 50–70° выше нуля. Звук сыграл здесь роль термометра.

Наличие отражающего слоя с повышенной температурой было подтверждено через 30 лет, когда применение ракет позволило непосредственно замерить температуру на этих высотах. Чем объяснить повышение температуры в этом слое атмосферы?

Сейчас установлено, что в слое воздуха от 20 до 50 километров имеется повышенное содержание озона. Молекулы озона состоят из тех же атомов, что и молекулы кислорода, только в каждой молекуле кислорода содержится два атома, а в молекуле озона — три. Кислород воздуха может превращаться в озон под действием лучей Солнца или при электрических разрядах во время грозы. В отличие от кислорода и азота, озон способен поглощать значительную часть солнечного излучения. Благодаря этому слой воздуха от 35 до 60 километров имеет повышенную температуру. Особенно резко возрастает температура на высоте около 40 километров.