1. Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень
высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней
различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от
мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею
внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону.
Воздух в термосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали в п. 13,
что на высотах 300-750 км его средняя плотность порядка Ю-11-Ю-13
кг/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр
воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (Ю9)
молекул или атомов, а на высоте 600 км - свыше 10 миллионов (107).
Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в
межпланетном пространстве.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной
степенью ионизации воздуха. Как уже говорилось в п. 8, содержание
ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря
на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой
в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси
азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км -
порядка 1015-106 на кубический сантиметр.
В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной
ионизацией, в особенности на высотах 100- 120 км (слой Е) и 200-400
км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации
атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и
концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления
электронов с особенно большой концентрацией называются электронными
облаками.
2. От степени ионизации зависит электропроводность' атмосферы.
Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в общем в 1012 раз
больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере
поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще
не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже слоями с
небольшой концентрацией ионов в нижней части ионосферы (на высотах
70-80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими
ионосферными слоями.
Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на
коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной
поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно
распространяться на большие расстояния, огибая поверхность земного
шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно
меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения
радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное
изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением
радиоволн как раз являются средством для такого исследования.
В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по природе
свечение ночного неба - постоянная люминесценция атмосферного
воздуха, а также резкие колебания магнитного поля - ионосферные
магнитные бури.
Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию
ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами
атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и
свободных электронов, о чем говорилось выше.
Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от
колебаний солнечной активности (см. главу первую, п. 6). С
изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке
корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений.
На высотах около 800 км она достигает 1000°С.
Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что
частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями.
Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся
в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем
теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть
от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи
его собственного излучения в окружающее пространство.
3. Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием
экзосферы (внешней атмосферы). Скорости движения частиц газов,
особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной
разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю
по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собой. Отдельные
частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы
преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической
скоростью будет 11 200 м/с. Такие особенно быстрые частицы могут,
двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в
мировое пространство, <ускользать>, рассеиваться. Поэтому экзосферу
называют еще сферой рассеяния.
Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который
является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.
4. Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная
атмосфера, кончается на высотах порядка 2000- 3000 км. Но из
наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что
водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так
называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км.
Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мало. На каждый
кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи
частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц
(преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз
меньше.
5. С помощью спутников и геофизических ракет установлено
существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом
пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте
нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч
километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически
заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным
полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия -
порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно
теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной
корпускулярной радиации.
