Защитный пояс земли

А. Хргиан

Защитный пояс Земли

Мы привыкли к тому, что окружающий нас воздyx, которым мы дышим, облака, поливающие дождем наши посевы, ветры, то тихие, то ураганные, разрушающие, все это обычные для нас атмосферные явления, постоянные спутники нашей жизни. И все эти явления связаны с нижним, плотным слоем атмосферы.

Мы знаем, также, что атмосфера становится тем более разреженной, чем выше подниматься над землей На высоте 4 км человеку уже становится трудно дышать - ему не хватает кислорода, до 9 км, где плотность воздуха составляет 30% от приземной его плотности, может подниматься лишь самая сильная птица - кондор На высоте 30 км плотность воздуха составляет сотую, а на 100-километровой высоте 0,00005 долю от плотности нижней атмосферы В этом отдаленном от Земли слое атмосферы -космическом предместье нашей планеты - происходят свои процессы и удивительные явления видимые и невидимые для глаз человека но чрезвычайно важные для него и всего живого что есть на Земле Познакомимся с некоторыми из этих явлений.

Летней ночью можно увидеть на небе следы «падающих звезд» - метеоров. Эти твердые частицы врываются в атмосферу из межпланетного пространства с огромной скоростью - 15-17 м/сек, и представляют, начинаяая с высоты около 160 км, еле заметный голубоватый след Ближе к Земле полет метеоров тормозится все Ниже 120 светлый сопротивлением атмосферы Ниже 120 км светлый след падающего тела становится все ярче, метеор иногда разбрасывает искры и, ярко вспыхнув на высоте около 80 км быстро угасает Через несколько секунд затухает и его след на фоне ночного неба Под воздействием высокой температуры метеор испарился, не дойдя до поверхности Земли Иногда на небе появляется настоящий метеорный дождь - до 50-100 метеоров в час, следы которых кажутся выходящими из одной точки - «радианта» Такой поток носит название созвездия, в котором и расположен радиант

Размер метеоров, как правило, очень мал Даже довольно яркие «падающие звезды» метеоры - это частицы вещества весом не более 5-10 мг и диаметром 1-2 мм, состоящие из силикатов, подобных земным горным породам, или железа, содержащего до 6-8% никеля Еще меньшие метеоры, диаметром всего в несколько микрон, видимые лишь в телескоп, тормозятся в верхней атмосфере столь рано, что не успевают нагреться и сгореть Они лишь чуть оплавляются с поверхности и затем медленно оседают в воздухе Количество их довольно значительно - на Землю выпадает сотни тысяч т метеорной материи в год Микрометеориты можно обнаружить на морском дне, на больших глубинах, вдали от берегов материков, где из морской воды почти не оседает других частиц мути

Наблюдая, как быстро тормозится в атмосфере метеор, геофизики научились определять сопротивление воздуха и затем его плотность на высотах 80-120 км Они выяснили также, что в метеорном следе часть энергии метеора тратится на ионизацию, образуя до 1012 пар положительных ионов и электронов на каждый сантиметр пути метеора Замечательно, что этот столбик ионов сохраняется несколько минут, прежде чем рассеяться в атмосфере Его можно наблюдать, например, с помощью радиолокатора и определить, какой ветер и какие вихри господствуют в этой части атмосферы

Изредка самые крупные метеоры все-таки «пробивают» атмосферу и падают на Землю в виде метеоритов Так, Сихотэ-Алиньский метеорит, выпавший 12 февраля 1947 г , имел первичный вес несколько сотен т, а в момент падения он раздробился на множество осколков Если бы не было плотной атмосферы, то дождь таких метеоритов, больших и малых, но всегда очень быстрых, бомбардировал бы поверхность Земли и вырыл бы на ней бесчисленные разных размеров кратеры, подобные лунным.

Теплоход «Космонавт Владимир Комаров» - один из кораблей науки, предназначенный для изучения верхних слоев атмосферы и космического пространства

Всем также известно такое замечательное атмосферное явление, как полярное сияние Взаимодействие космоса и верхней атмосферы Земли может быть нигде не проявляется более эффектно, как в полярных сияниях Помимо красивого зрелища (фото, стр 21) они доставляют нам очень разнообразную информацию о составе, плотности, ионизации, температурах и других свойствах верхней атмосферы

Полярные сияния возникают в атмосфере на высотах более 100-150 км, иногда до 1100 км, в период, когда усиливается поток испускаемых Солнцем электронов и протонов, - так называемый солнечный ветер Еще не очень ясно, как эти частицы покидают магнитное поле Солнца (и солнечных пятен) и проникают в магнитное поле Земли Но так или иначе они приближаются к Земле, фокусируясь главным образом в двух узких кольцеобразных зонах, окружающих и северный и южный магнитные полюса нашей планеты Сталкиваясь здесь с частицами газов атмосферы, они заставляют их светиться атомарный кислород светится красным и желто-зеленым светом, азот - синим и т д Одна из зон сияний проходит через Мурманск, мыс Челюскин и юг Гудзонова залива Изредка, при особенно сильных потоках солнечного ветра, сияния эти можно видеть сразу почти на всем земном шаре В атмосфере космические протоны, летящие со скоростью 2-3 тыс км/сек, могут перехватывать электроны чужих атомов и становиться при этом атомами водорода. Последние отличаются уже темно-красным или голубым свечением. Была даже смелая гипотеза, что из этого «солнечного» водорода в атмосфере образовалась за миллиарды лет вода облаков, рек и океанов.

Электроны солнечного происхождения удавалось наблюдать при помощи счетчиков частиц, поднимаемых в верхнюю атмосферу на «рокунах» - малых ракетах, выстреливаемых с высотных аэростатов Более того, на высотах 30 км и более таким же способом удалось под яркими полярными сияниями лучистой формы наблюдать также вспышки рентгеновских лучей. Оказалось, что это тормозное излучение (излучение таких светящихся электронов наблюдал впервые в 1937 г. академик П. А. Черенков, по имени которого и было названо это явление За это открытие ему впоследствии была присуждена Нобелевская премия) космических электронов, имеющих энергию в 20-250 тыс элект-роновольт. Излучение это, к нашему благополучию, поглощается в более плотных слоях атмосферы и не достигает поверхности Земли.

В особенно светлых лучах полярных сияний, яркость которых сильно возрастает к их нижнему концу на высоте около 105 км, космические протоны и электроны отдают молекулам разреженного воздуха так много энергии, что последний сильно нагревается - порой до 3100° С. Это в свою очередь может порождать другие необычные явления. Не раз в прошлом наблюдатели сообщали о звуках, издаваемых полярным сиянием, - слабом свисте, шипении и т. д. Возможно, будущие наблюдения подтвердят, что внезапное разогревание столба воздуха более чем до 3000° действительно рождает ударные волны, а последние - звуковые волны, распространяющиеся в нижнюю атмосферу. Так рождается, например, гром при разряде молнии.

Среди излучений, посылаемых нам Солнцем, важную роль играют ультрафиолетовые лучи, очень активные, поскольку несомые ими кванты энергии велики и могут вызывать многочисленные превращения в молекулах и атомах.

Мы знаем о пользе ультрафиолетовых лучей Солнца, вызываемой ими красноты кожи (эритемы) и загара, слышали о том, что они убивают болезнетворные микробы и т. д. Опыт показывает, что и эритема и загар создаются сильнее всего ближним ультрафиолетом, точнее, лучами с длинами волн около 2960 А [1А- 1 ангстрем - единица длины, равная 0,0001 микрона (микрометра, мкм); применяется в оптике, молекулярной физике и пр.] и несколько более дальним ультрафиолетом с длинами волн порядка 2400А. Но лучи Солнца в области этого первого максимума всегда более или менее ослаблены, а в области второх о максимума нацело отсечены атмосферным озоном. Озон - трехатомный кислород - присутствует в воздухе стратосферы, главным образом между высотами 10 и 30 км, в ничтожных количествах и к тому же изменчивых (не более 8 миллионных по весу), но, как уже говорилось, очень сильно пот лощает ультрафиолетовые лучи Вероятно, лучи тропического солнца особенно «жгучи» потому, что в атмосфере над тропическим поясом довольно мало озона, который защитил бы человека от избытка ультрафиолетовых лучей.

В отличие от «полезных» ультрафиолетовых лучей совершенно другое воздействие на органическую жизнь оказывает ультрафиолет с длинами волн около 2650А. Воздействуя на хроматин ядра клетки, он приостанавливает процесс ее деления и размножения, а следовательно, смертелен для нее. В таких условиях на Земле не могли бы существовать даже низшие формы жизни - бактерии, грибки, одноклеточные растения. И только озон, защищающий поверхность Земли почти целиком от этой части ультрафиолетовою спектра Солнца, смог сохранить растительную жизнь на Земле в ее истоках и позволил ей затем столь пышно развиться.

Еще дальше в ультрафиолетовом спектре Солнца находится так называемая лайманов-ская серия - группа очень ярких линий, излучаемых очень горячим водородом солнечной атмосферы. Главная из них - «Лайман-альфа», или La ( названная по фамилии описавшего эту серию американского физика), имеет длину волны 1215А. Для нее и кислород, и водяной пар атмосферы довольно прозрачны, и La может проникать сверху в глубь атмосферы до высоты около 70 км. Когда в атмосфере Солнца загораются «вспышки» - изменчивые, кратковременные ослепительно яркие белые области вблизи больших солнечных пятен, вспышки эти излучают особенно много энергии в виде линии La. В это время возникает и усиливается так называемый D - слой иойосферы, содержащий много ионов и электронов на высотах 70-90 км

Известно, что именно благодаря существованию ионосферы и ее способности отражать радиоволны, посылаемые с Земли, стало возможной дальняя радиосвязь. Но в период солнечных вспышек этот слой D над всей освещенной Солнцем стороной Земли так сильно поглощает радиосигналы и передачи, что наступает почти полный перерыв радиосвязи, в том числе и на коротких волнах. Это - «внезапное ионосферное возмущение».

Иногда в радиоприемнике среди других радиопомех - тресков, шумов, шипений и т. п. - мы слышим как бы свист, начинающийся с высокого тона. Это - электромагнитные колебания очень низкой, звуковой (2000-10000 колебаний в секунду) частоты, зарождающиеся при разряде молнии в какой-нибудь удаленной грозе. При этом колебания несколько более высокой частоты приходят ранее, более низкой - немного запаздывают. Очень интересен путь таких колебаний - они распространяются не по прямой линии, а вдоль силовых линий магнитного поля - из одного полушария через очень далекие от Земли области пространства в другое полушарие. Так, в Москве могут быть слышны свисты, пришедшие от грозы южного полушария, разразившейся в так называемой сопряженной с Москвой точке. Оказалось, что ионосфера Земли очень обширна и ее радиус в несколько раз больше радиуса Земли. Английский ученый Л. Стори, давший первую теорию таких свистов, недавно доказал, что для их распрос гранения нужны плотные электронные облака, вытянутые вдоль силовых линий.

Таким образом, воздействие космоса порождает много удивительных явлении в верхней атмосфере, еще очень неполно изученных геофизиками. Вместе с геомагнитным полем верхняя атмосфера служит надежным защитным поясом для всего живого на Земле.