Что такое аэрономия?

Если задать этот вопрос разным специалистам, изучающим атмосферу Земли, мы получим несколько разных ответов. Причина этого в том, что граница молодой науки аэрономиии - детища ракето-спутникого энтузиазма начала 60-х годов - все еще довольно размыты. Входит ли в ведение аэрономии стратосферы? А тропосфера? Если нет, то где граница между метеорологией - наукой о приземном слое атмосферы и аэрономией - наукой о верхней атмосфере. И должна аэрономия включать все, что мы изучаем в верхней атмосфере? Например, приливы и ветры, потоки микрометеоров, распространение радиоволн в ионосфере - является ли все это предметом изучения аэрономии?

Однозначных ответов на все эти вопросы пока не существует. И не очень хорошо видна перспектива более четкого определения границ аэрономии. Ибо указанные вопросы появились в последние годы в связи с непрерывным развитием атмосферных исследований. Их дальнейшее развитие может привести к еще большему услажнению( или, если угодно, расширению ) понятия "аэрономия".

Здесь мы будем рассматривать аэрономию как науку прежде всего о строении верхней атмосферы Земли и о происходящих там микропроцессах. Именно так представлял себе аэрономию бельгийский ученный М. Николе, который первым ввел это понятие в обиход исседователей верхней атмосфере и написал в 1961 году первую книгу по аэрономии.

Таким образом в нашем понимании аэрономия должна заниматься поисками ответов на вопросы: как устроена верхняя атмосфера и какие физико-химические процессы ответственны за ее строение? Ответ на первый вопрос предпологает изучения распределения с высотой и различных вариаций так называемых термобарических параметров атмосферы (т.е. плотности, температуры, давления газа) и концентраций различных компонент отмосферного газа, от основных, таких, как азот и кислород, до малых составляющих. К малым составляющим формально относятся и концентрации заряженных частиц (ионов и электронов), которые образуют очень важную область атмосферы - ионосферу. При ответе на второй основной вопрос аэрономии мы должны изучить различные микропроцессы, происходящие в атмосферном газе и контролирующие поведение всех тех параметров, которые интересуют нас в первом вопросе. К таким микропроцессам относятся прежде всего ионизация и диссоциация частиц атмосферного газа под действием внешних источников (солнечное излучение, вторгающееся в атмосферу частицы и т.д.), различные химические превращения одних частиц в другие, молекулярная и амбиполярная диффузия.

Крупномасштабные динамические процессы - ветры, дрейфы, различные волны - должны, видимо, рассматриваться в качестве предмета агрономического изучения лишь постольку, поскольку в некоторых случаях, как мы теперь понимаем, они влияют на состав и строение верхней атмосферы.

Таково предлагаемое читателям этой книги понимание предмета аэрономии. Что касается точного определения высотных границ "сферы действия" аэрономии, то здесь положение не менее сложное. Мы будем рассматривать высоты от 50 - 60 км до нескольких сотен километров, где и сосредоточены основные аэрономические проблемы (вся ионосфера, диссоциация кислорода, окислы азота, возбужденные частицы и т. д.) в классическом понимании аэрономии. Подобный выбор высот, во всяком случае, объясняет, почему за пределами этой книги осталась такая острая проблема современной фотохимии, как стратосферный озон, его вариации и возможность разрушения.

Итак, аэрономия занимается строением и физикохимией верхней атмосферы.

Вопросы, которые первыми возникают при описании нового направления в науке: зачем надо этим заниматься, почему интересно исследовать именно эту область знания? Ведь сегодня любая область исследований должна нести на себе некоторое бремя сегодняшних проблем, должна давать вклад в решение насущных задач науки, техники, народного хозяйства.

Как же обстоит в этом смысле дело с областью науки, которой посвящена настоящая книга?

Наше время - время космических ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ). Чуть ли не ежедневно появляются сообщения о запуске новых, больших и малых ИСЗ, геофизических и метеорологических ракет. И на каждом спутнике, на каждой ракете установлены научные приборы. Они предназначены в основном для исследований характеристик (или параметров) окружающей среды. А среда, которая их окружает,- это верхняя атмосфера Земли и прилегающее космическое пространство. Общая плотность газа на данной высоте, количество нейтральных и заряженных частиц, их "паспорта", т. е. их химическое отождествление, температура атомов, молекул и ионов,- вот далеко не все параметры, которые необходимо изучить в процессе ракетных и спутниковых экспериментов. Знание же характеристик атмосферы и космического пространства необходимо для конкретных прикладных задач.

Земная ионосфера. Ее влияние на распространение радиоволн на Земле огромно. Не будь ее - не была бы возможна радиосвязь на коротких волнах. Малейшие изменения в ионосферных характеристиках влияют на качество радиопередач, на надежность радиосвязи. В связи с бурным развитием наземной радио- и телевизионной сети, радиоастрономии систем ретрансляции сигналов с помощью ИСЗ требуются точные характеристики ионизированной оболочки Земли.

Верхнюю атмосферу Земли бороздят десятки ИСЗ. Как рассчитать время жизни каждого из них? Как подобрать орбиту, чтобы высота полета была наименьшей, но спутник при этом "прожил" бы весь запланированный срок? Для ответа на эти и многие вопросы прикладного характера необходимо надежно знать, как распределяются плотность и температура в верхних слоях атмосферы.

Итак, знать характеристики верхней атмосферы, ионосферы и прилегающего космического пространства необходимо. Это практическое требование сегодняшнего дня. Но при чем тут химические процессы? Здесь нужен не химик, а физик и инженер, которые поставят приборы и измерят все, что нас интересует. Да, несомненно, все было бы так, если бы верхняя атмосфера Земли была образованием, как говорят, статическим, т. е. если бы она не менялась в зависимости ни от времени, ни от места на Земле. Однако первые же опыты на ракетах и спутниках показали, что атмосфера меняется. Меняется очень сильно, причем изменения зависят от многих различных факторов. Только основная характеристика атмосферного газа - плотность - имеет различные формы зависимости: от времени суток, широты места, солнечной активности, сезона, геомагнитной активности и т. д. Изменения эти оказываются весьма значительными. Так, на высоте 300 км плотность меняется от дня к ночи в 3 - 4 раза, а на высоте 600 км - в 10 раз. Сложные изменения претерпевает в течение суток, в течение года, в течение цикла солнечной активности такой важный параметр, как электронная концентрация.

Совершенно ясно, что изучить верхнюю атмосферу Земли нельзя только с помощью экспериментов. Сколько бы запусков со сложнейшей аппаратурой мы ни делали, результат будет соответствовать лишь конкретному набору условий. Скажем, результат мы получим 25 августа в 11 часов на 35° с. ш. при низкой активности Солнца. А что будет 27 августа в 2 часа ночи на 10° ю. ш.? Что будет, если завтра на Солнце появится вспышка?

Очевидно, число космических экспериментов, которое может проводить человечество, учитывая их дороговизну и сложность, ограничено. Невозможно перебрать все мыслимые комбинации внешних факторов: солнечной активности, времени, места и т. п. Значит, надо понять, как и почему изменяются характеристики верхней атмосферы, какие процессы эти изменения вызывают. И только тогда мы сможем рассчитать атмосферные модели, учитывающие все привходящие условия и дающие любой из интересующих нас (народное хозяйство или ученых других специальностей) параметров.

В этом и состоит основная задача аэрономии: подробно и точно описать происходящие в верхней атмосфере процессы, определить влияние каждого из них на изменение различных атмосферных параметров и в конце концов построить настолько полные и детальные модели, описывающие состояние верхней атмосферы, что по ним можно было бы с достаточной для практических целей точностью предсказать поведение всей верхней атмосферы в целом или ее конкретных характеристик в любых заданных условиях.

В разных областях аэрономии мы в разной мере приблизились к этой цели. Скажем, ионный состав атмосферы выше 100 км мы знаем достаточно хорошо и умеем смоделировать его с приемлемой точностью. А тот же ионный состав ниже 100 км известен все еще плохо и его теоретическое моделирование только начинается.

При построении теоретических моделей, описывающих поведение параметров верхней атмосферы, выявляются новые процессы и явления в атмосфере, о которых раньше не знали совсем или не думали о их роли в аэрономии. Так, десять лет назад никто не занимался аэрономией возбужденных частиц, а сейчас без учета этих частиц не мыслится ни одна теоретическая модель верхней атмосферы. Из попыток смоделировать поведение ионосферной области F₂ относительно недавно родилась идея взаимного обмена плазмой между верхней ионосферой и протоносферой. Сейчас уже очевидно, что потоки ионов и электронов из протоносферы в ионосферу - важный механизм поддержания ночной области F₂.

Читатель найдет много аналогичных примеров на следующих страницах этой книги. Собственно, вся она посвящена рассказу о том, что мы знаем в аэрономии, какие новые идеи появились в последнее время и в чем состоят самые острые нерешенные проблемы.

Чтобы облегчить понимание тех глав, где больше говорится о проблемах и загадках аэрономии, в первых двух главах дается очень краткое и схематическое описание (неизбежно сухое, как всякая схематизация) строения атмосферы в целом и ионосферы как ее существенной части - в частности.