Новые данные, полученные с помощью радиозондов и метео-рологических ракет, показали, что в стратосфере, как и в верхней тропосфере, осуществляется интенсивная циркуляция воздуха с большими изменениями температуры и ветра. Здесь, как и в тропосфере, воздух испытывает значительные вертикальные перемешивания, турбулентные движения при сильных горизонталь- ных воздушных течениях. Всё это – результат неоднородного распределения температуры.
Переходным слоем между стратосферой и вышележащей сферой является стратопауза.
3.3. Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ра-кет и другими способами установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50 – 55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км.) достигает -75°,-90°. Давление воздуха вверху мезосферы примерно в 200 раз меньше, чем у земной поверхности. На уровне 80 км. от поверхности Земли заключено свыше 99,5% всей массы атмосферы. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.
Интересно отметить, что характерное для мезосферы пониже- ние температуры с высотой происходит неодинаково на различ- ных широтах и в течение года. В низких широтах падение темпе- ратуры происходит более медленно, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответст- венно 0,23°— 0,31° на 100 м. или 2,3°— 3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой.
В верхней мезосфере на высоте около 80 км. в слое мезопаузы понижение температуры с высотой прекращается и начинается её повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, освещенные солнцем, находящимся за горизонтом. На темном фоне неба они светятся серебристо-синим светом. Поэтому эти облака названы серебристыми.
Природа серебристых облаков ещё недостаточно изучена. Долгое время полагали, что они состоят из вулканической пыли. Однако отсутствие оптических явлений, свойственных настоящим вулканическим облакам, привело к отказу от этой гипотезы. Затем было высказано предположение, что, серебристые облака состоят из космической пыли. В последние годы предложена гипотеза, согласно которой эти облака состоят из ледяных кристаллов, подобно обычным перистым облакам. Уровень расположения се- ребристых облаков определяется задерживающим слоем в связи с инверсией температуры 1 при переходе из мезосферы в термо- сферу на высоте около 80 км. Так как в подынверсионном слое температура достигает -80° и ниже, то здесь создаются наиболее благоприятные условия для конденсации водяного пара, который попадает сюда из стратосферы в результате вертикального движения или путём турбулентной диффузии. Серебристые облака обычно наблюдаются в летний период, иногда в очень большом количестве и в течение нескольких месяцев.
Наблюдениями за серебристыми облаками установлено, что летом на их уровне ветры обладают большой изменчивостью. Ско- рости ветра колеблются в больших пределах: от 50—100 до не-скольких сотен километров в час.
1 Инверсией температуры в атмосфере называется слой воздуха, где температура с высотой повышается вместо обычного понижения.
3.4. Термосфера. Выше мезосферы расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По полученным данным, преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км. температура воздуха достигает 220°—240°, а на уровне 200 км. более 500°. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500—600 км. превышает 1500°. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термо-сфере температура достигает около 2000° и в течение суток значительно колеблется. Возникает вопрос, чем объяснить такую высокую температуру в высоких слоях атмосферы. Напомним, что температура газа - это мера средней скорости движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется; к тому же молекулы более легких газов движутся с большей скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различной.
В разреженных газах сравнительно немного молекул весьма малых размеров (лёгких газов). Если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет велика. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха со- держатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности земли их около сотни миллионов милли- ардов. Поэтому чрезмерно высокие значения температуры в высо- ких слоях атмосферы, показывая скорость перемещения молекул в этой весьма неплотной среде, не могут вызвать даже неболышого нагревания находящегося здесь тела. Подобно тому, как человек не чувствует высокой температуры при ослепительном освещении электрических ламп, хотя нити накала в разреженной среде мгновенно раскаляются до нескольких тысяч градусов.
В нижней термосфере и мезосфере сгорает, не долетая до по-верхности земли, основная часть метеорных потоков.
Имеющиеся сведения о слоях атмосферы выше 60— 80 км. еще недостаточны для окончательных выводов о строении, режиме и процессах, развивающихся в них. Однако известно, что в верхней мезосфере и нижней термосфере режим температуры создаётся в результате превращения молекулярного кислорода (О2) в атомар- ный (О), которое происходит под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В термосфере на режим температуры боль- шое влияние оказывает корпускулярная, рентгеновская и ультра- фиолетовая радиация Солнца. Здесь даже в течение суток проис- ходят резкие изменения температуры и ветра.
3.4.1. Ионизация атмосферы. Наиболее интересной особенностью атмосферы выше 60—80 км. является её ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряжённых частиц — ионов. Так как ионизация газов является характерной для нижней термосферы, то её называют также и ионосферой.
Газы в ионосфере находятся большей частью в атомарном состоянии. Под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, обладающих большой энергией, происходит процесс отщепления электронов от нейтральных атомов и молекул воздуха. Такие атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле и наделить их своим отрицательным зарядом. Такие положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами, а газы — ионизированными, т.е. полу-чившими электрический заряд. При большей концентрации ионов газы становятся электропроводными.
Процесс ионизации наиболее интенсивно происходит в мощных слоях, ограниченных высотами 60—80 и 220—400 км. В этих слоях существуют оптимальные условия для ионизации. Здесь плотность воздуха заметно больше, чем в верхней атмосфере, а поступление ультрафиолетовой и корпускулярной радиации Солнца достаточно для процесса ионизации.
Открытие ионосферы является одним из важных и блестящих достижений науки. Ведь отличительной особенностью ионосферы является её влияние на распространение радиоволн. В ионизи-рованных слоях радиоволны отражаются, и поэтому становится возможной дальняя радиосвязь. Заряженные атомы-ионы отражают короткие радиоволны, и они вновь возвращаются на земную поверхность, но уже в значительном отдалении от места радиопередачи. Очевидно, этот путь короткие радиоволны совершают несколько раз, и таким образом обеспечивается дальняя радиосвязь. Если бы не ионосфера, то для передач сигналов радиостанций на большие расстояния было бы необходимо строить дорогостоящие радиорелейные линии.
Однако известно, что иногда радиосвязь на коротких волнах нарушается. Это происходит в результате хромосферных вспышек на Солнце, благодаря которым резко усиливается ультрафиолетовое излучение Солнца, приводящее к сильным возмущениям ионосферы и магнитного поля Земли — магнитным бурям. При магнитных бурях нарушается радиосвязь, так как движение заряженных частиц зависит от магнитного поля. Во время магнитных бурь ионосфера хуже отражает радиоволны или пропускает их в космос. Главным образом с изменением солнечной активности, сопровождающейся усилением ультрафиолетового излучения, увеличивается электронная плотность ионосферы и поглощение радиоволн в дневные часы, приводящее к нарушению работы радиосвязи на коротких волнах.
Согласно новым исследованиям в мощном ионизированном слое имеются зоны, где концентрация свободных электронов достигает несколько большей концентрации, чем в соседних слоях. Известны четыре такие зоны, которые располагаются на высотах около 60—80, 100—120, 180—200 и 300—400 км. и обозначаются буквами D, Е, F1 и F2. При усиливающемся излучении Солнца заряженные частицы (корпускулы) под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается их свечение. Так возникают полярные сияния — в виде красивых многокрасочных дуг, загорающихся в ночном небе преиму-щественно в высоких широтах Земли. Полярные сияния сопровождаются сильными магнитными бурями. В таких случаях полярные сияния становятся видимыми в средних широтах, а в редких случаях даже в тропической зоне. Так, например, интенсивное сияние, наблюдавшееся 21— 22 января 1957г., было видно почти во всех южных районах нашей страны.