Об истории исследования верхних слоев атмосферы Земли
Об истории исследования верхних
слоев атмосферы Земли
Мы живем на дне воздушного океана, который простирается вверх на тысячи
километров. И все наблюдаемые нами погодные явления происходят в его
самом нижнем, тончайшем слое – тропосфере. Ее мощность по высоте в
умеренных широтах составляет 10 – 12 км, в полярных широтах 8 – 10 км и
16 – 18 км в тропиках. По сравнению с протяженностью всей толщи
атмосферы это ничтожно мало. Но в тропосфере, как уже было отмечено
выше, сосредоточена вся наша погода со всем многообразием явлений и
циркуляций. Также в ней сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного
воздуха.
Тем не менее, вышележащие слои земной атмосферы не менее важны для всего
живого на нашей планете. Слой озона, находящийся в следующем за
тропосферой слое – стратосфере, – является надежной преградой на пути к
поверхности Земли гибельной для всего живого ультрафиолетовой радиации.
Помимо этого установлено, что межгодовые вариации общего содержания
озона (ОСО) в глобальном масштабе являются индикаторами изменений
климата. А по изменениям ОСО в отдельных географических точках можно
судить о предстоящих аномалиях приземной температуры в удаленных от этой
точки географических районах в долгосрочной (до 40 дней) перспективе,
что, несомненно, со временем может быть использовано для более точных
долгосрочных прогнозов погоды.
Для изучения верхних слоев атмосферы длительное время применялись
различные косвенные методы, к которым относятся прежде всего наблюдения
за распространением звуковых волн, сумеречным небом, метеорными следами,
перемещением перламутровых
и серебристых
облаков и др.
В 1930 году впервые для исследования атмосферы выпущен радиозонд,
изобретенный советским метеорологом П.А. Молчановым, а в 1933 году Г.А.
Прокофьев, К.Д. Годунов и Е.К. Бирнбаум поднялись на стратостате
«СССР-1» на высоту 19 км.
В 1934 году состоялся выдающийся полет в стратосферу на высоту 22 км,
однако при спуске экипаж в составе П.Ф. Федосеенко, А.Б. Васенко и И.Д.
Усыскина погиб. Но записи научных наблюдений сохранились.
В 40–50-х годах прошлого столетия благодаря техническому прогрессу и
оснащению метеорологии радиотехническими средствами стало возможным
непосредственное измерение многих параметров атмосферы на высотах
вначале до 20 – 30 км, а затем и до 60 – 100 км. Запуски
метеорологических ракет и искусственных спутников Земли значительно
расширили эти возможности.
Высокие радиозондовые подъемы позволили сделать важное открытие в
стратосфере. Были обнаружены значительные сезонные (муссонные) изменения
градиента температуры экватор – полюс и связанные с ними изменения
режима давления и ветра.
Важным этапом стал Международный геофизический год, который длился с 1
июля 1957 года по 31 декабря 1958 года. Ученые из 64 стран вели
исследования Земли по единой программе. За это время в СССР было
запущено 112 метеорологических и 13 геофизических ракет. Полученные
международными командами ученых данные позволили детально изучить
строение атмосферы и особенности ее циркуляции до высоты 20 – 30 км.
Высотные наблюдения в верхней экваториальной стратосфере обнаружили
многоцикличность воздушных течений – квазидвухлетнюю
в нижней стратосфере и шестимесячную в верхней. При этом оба цикла
находятся в определенной взаимосвязи.
21 февраля 1958г. в СССР был произведен запуск метеорологической ракеты
весом 1520 кг, которая достигла рекордной высоты для одноступенчатых
ракет этого класса – 473 км, а в конце лета того же года ракета
поднялась на высоту 450 км, имея вес 1690 кг.
Использование в исследованиях атмосферы метеорологических и
геофизических ракет позволило ученым получать надежные данные до высоты
около 80 – 100 км.
Существенно новые данные о явлениях в околоземном пространстве были
получены с помощью автоматических межпланетных станций «Луна-1»,
«Луна-2» и «Луна-3», запущенных соответственно 2 января, 12 сентября и 4
октября 1959 года. Так была обнаружена водородная геокорона,
простирающаяся на 20 тысяч километров от Земли.
Добытая научная информация показала, что в атмосфере существует
несколько слоев, которые отличаются друг от друга прежде всего и
наиболее отчетливо характером вертикального распределения температуры. И
если в начале XX века было принято разделять атмосферу только на две
части: тропосферу (нижний слой) и стратосферу, под которой вначале
понимались все слои атмосферы, расположенные выше тропосферы,
то в настоящее время по рекомендации Всемирной метеорологической
организации (ВМО) атмосферу принято делить на тропосферу, стратосферу,
мезосферу, термосферу и экзосферу.
Об открытии озонового слоя
Ученые давно установили, что солнечный спектр постоянно обрывается в
ультрафиолетовой части на одной и той же длине волны. Атмосфера
оказалась непрозрачной для еще более коротких волн. Причина этого долго
оставалась непонятной, так как внизу в составе атмосферы не был известен
газ, который не пропускал бы ультрафиолетовых лучей. Наконец, в 1840
году в одной из физических лабораторий такой газ был найден. Разлагая
воду на ее составные части – кислород и водород, удалось получить новый
газ, обладающий чрезвычайно сильным характерным запахом. Его так и
назвали «сильно пахнущим», по-гречески «озон».
Исследования показали, что с поднятием над земной поверхностью
содержание озона сначала изменяется незакономерно, и только с высоты 10
км намечается его увеличение, особенно отчетливо выраженное выше 12 – 15
км. На высоте 20 – 25 км наблюдается максимум содержания озона, а выше
количество озона постепенно убывает и становится ничтожным к высоте 55 –
60 км.
Как получали данные о содержании озона на высотах? Во-первых, путем
анализа проб воздуха, взятых на высотах. Во-вторых, оптическим методом
по измерениям интенсивности полос поглощения озона. Сначала на
стратостатах, а позднее при помощи ракет в вышележащие слои атмосферы
поднимали спектрограф, регистрирующий солнечный спектр. По интенсивности
поглощения в ультрафиолетовой области спектра можно определить
изменение количества озона с высотой.
Литература:
П.Н. Тверской. Курс метеорологии. Гидрометеоиздат, 1962.
Атмосфера Земли. Сборник. Москва, 1953.
А.Л. Кац. Циркуляция в стратосфере и мезосфере. Гидрометеоиздат, 1968.
Использованы также материалы журналов «Метеорология и гидрология» и
«Наука и жизнь».