Популярная аэрономия

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.

1. Как устроена атмосфера

Большинство современных проблем аэрономии связано с физикохимией верхней атмосферы. Иначе говоря, ученых волнуют вопросы "почему?", "в результате каких процессов?". Конечно, вопросы эти, как правило, возникают после того, как установлен факт существования того или иного явления (скажем, высоких концентраций окиси азота или присутствия ионов-связок), которое надо объяснить. Но и сам процесс установления того или иного факта представляет собой решение проблемы или поиск ответа на вопрос: "как устроена?". Описание таких проблем и всевозможных коллизий, возникающих при их решении, ничуть не менее интересно, чем описание проблем физикохимии.