"CQ-SKW", №19, октябрь, 1930 год, стр. 154-157

Земная атмосфера

проф. М. А. Бонч-Бруевич.

1. Структура атмосферы

Газовая атмосфера, окружающая землю, играет чрезвычайно большую роль в распространении коротких волн. Нижний слой атмосферы носит название «тропосферы» и простирается, примерно, на 20 км вверх от земли. Тропосфера характеризуется тем, что в ней непрерывно происходит перемешивание газов благодаря восходящим токам, идущим от нагретой земной поверхности. Эта часть атмосферы достаточно хорошо изучена с помощью непосредственных опытов и, в частности, посредством небольших воздушных шаров, так называемых шаров-зондов, которые поднимались до высоты в 30 км над поверхностью земли и имели на себе автоматически записывающие приборы.

У поверхности земли атмосфера состоит в основном из 78% азота, 21% кислорода, 1% аргона и очень небольшой примеси других благородных газов. Кроме того, в ней присутствуют пары воды и углекислота, количество которых постоянно меняется. Этот состав, как было уже сказано, остается постоянным примерно до 20 км над поверхностью земли, температура постепенно падает, понижаясь, примерно, на 6° Цельсия на км. Достигнув —53°С (или 220° по шкале Кельвина, т. е. абсолютной температуры), она остается далее постоянной. Давление газа также постепенно уменьшается с высотой, приблизительно следуя барометрической формуле, о которой мы скажем дальше. На высоте 10 км кончается зона метеорологических явлений. Пары воды задерживаются здесь уже в очень небольшом количестве.

Следующая область, которая уже в значительной своей части совершенно недоступна непосредственному экспериментальному изучению, носит название «стратосферы». Она характеризуется прежде всего тем, что восходящие газовые токи, обусловленные нагретой земной поверхностью, отсутствуют, и поэтому здесь не происходит перемешивания газов. Это приводит к тому, что давление каждого из газов, входящего в смесь, уменьшается по мере дальнейшего увеличения высоты, независимо от присутствия остальных газов, т. е. так, как если бы только он один заполнял все пространство. Это уменьшение давления следует барометрической формуле, согласно которой давление Р на высоте h километров может быть найдено, если известно давление Р₀ на той высоте, с которой мы начинаам отсчет и известна также масса грамм-молекул данного газа М и его температура в градусах шкалы Кельвина Т. Все эти величины связываются следующей формулой:

Массы грамм-молекул газов, входящих в состав атмосферы, имеют следующее значение:

Если мы предположим, что температура все время остается равной 220°К, и подставим эти цифры в барометрическую формулу, то получим следующий замечательный результат: на протяжении 40 км давление кислорода уменьшится в 1 000 раз, давление азота — 400 раз, аргона — в 4 500 раз, гелия — в 2½ раза, а водорода — всего лишь в 1,6 раза.

Таким образом, с увеличением высоты, более тяжелые газы, как, например, аргон, будут быстро исчезать из состава атмосферы, в то время как давление гелия или водорода будет изменяться чрезвычайно мало.

Если мы возьмем разность высот в 100 км, то та же формула даст нам уменьшение давления, например, гелия всего лишь в 8 раз, в то время как давление аргона должно уменьшиться уже в 1½ миллиарда раз.

Можно думать, что уже на высоте 40 км над поверхностью земли общее давление всех газов не превышает ¹/₁₀₀₀ атмосферного, что, разумеется, делает совершенно невозможным непосредственное исследование этой части атмосферы. Любопытно заметить, что если бы мы углубились под поверхность земли на 40 км, то давление, наоборот, возросло бы, примерно, в столько же раз и газ сделался бы настолько плотным, что пустотелый толстостенный стальной шар был бы способен играть роль дирижабля, плавая на некоторой высоте над дном такой пропасти. Таким образом, область, доступная человеку непосредственно при современных технических средствах, не превышает нескольких километров вверх и вниз от земной поверхности.

Тем не менее, относительно больших высот мы можем сделать целый ряд теоретических заключений, а во многом нам помогает изучение условий прохождения коротких волн, которые являются одним из наилучших средств для исследования свойств верхних слоев атмосферы.

Прежде всего известно, что на высоте около 50 км над землей начинается область, в которой солнечные лучи и различного рода излучения (радиации) вызывают появление значительного количества ионов (т. е. молекул газа, заряженных положительно или отрицательно) и свободных электронов. Надо иметь ввиду, что хотя давление на этой высоте очень мало и соответствует давлению в наших пустотных приборах, однако, количество молекул здесь еще весьма велико. В 1 куб. см воздуха при атмосферном давлении содержится около 3·10¹⁹ молекул, находящихся в быстром беспорядочном движении. Каждая молекула движется по прямой линии в промежутке между двумя столкновениями с другими молекулами. В среднем при атмосферном давлении каждая молекула испытывает 5·10⁹ столкновений в секунду, имея средний свободный путь немного менее ¹/₁₀₀ мм. По мере разрежения число молекул убывает приблизительно обратно пропорционально давлению, средний их путь во столько же раз увеличивается, а число столкновений — соответственно уменьшается. Таким образом то, что мы называем «пустотой» или очень большим «разрежением», на самом деле далеко не соответствует этому названию и даже на высоте в 200 км над поверхностью земли, где разрежение значительно выше самой наилучшей «пустоты» в наших электронных лампах, «молекулярное население» одного кубического сантиметра больше, чем человеческое население всего земного шара.

Несомненно, что деятельность солнца и различных излучений повышает температуру, так как энергия, затраченная на ионизацию, в конце концов превращается в тепло. Повышение температуры в течение дня и, наоборот, понижение ее ночью, вызывают движение больших масс газа вверх и вниз, вследствие чего можно предполагать, что, начиная с высоты 50 км, вновь происходит перемешивание газовой смеси. Поэтому теоретически нельзя установить вполне точно закон, по которому изменяется давление на больших высотах. Спорным является также относительное содержание гелия и в особенности водорода в верхних областях атмосферы. Оба эти газа в небольших количествах присутствуют у поверхности земли, но в верхних слоях их оказывается меньше, чем можно было бы ожидать теоретически. В частности, водород не обнаруживается в спектре северных сияний, соответствующих высоте в 700 км, в то время как азот присутствует здесь в количестве гораздо большем, чем это следует из теории. Многие исследователи полагают, что водород вообще отсутствует в составе верхних слоев атмосферы, уходя за пределы земного притяжения. На высоте более 700 км по всем данным атмосфера почти целиком состоит из гелия. Самая верхняя часть стратосферы начинается на высоте в 500 или 700 км над землей и характеризуется настолько большой разреженностью, что свободные пути молекул достигают нескольких километров или десятков километров. Быстрое увеличение длины свободного пути с увеличением высоты приводит к тому, что молекула, движущаяся вверх, имеет свободный путь гораздо больший, чем молекула, движущаяся вниз. Поэтому тепловое движение в газе должно принять здесь очень своеобразный характер. Молекулы, подобно мячам, подскакивают вверх на значительную высоту, после чего падают вниз до определенного предела, где длина свободных путей мала, и после столкновения вновь подпрыгивают кверху. Здесь время между двумя последовательными столкновениями, испытываемыми молекулой, начинает измеряться сначала минутами, а дальше — часами и сутками. Энергия, которую молекула получает, остается в ее «индивидуальном владении» столь долгое время, что она может быть перенесена в совершенно другую часть земного шара раньше, чем произойдет следующее столкновение.

С точки зрения прохождения коротких волн наибольшее значение имеет средняя часть стратосферы на высоте между 50 и 700 км над землей. Под действием солнца и других источников радиации в этой части образуется значительное количество свободных электронов, обусловливающих преломление электрических волн; в этой же области наблюдаются и другие явления, связанные с ионизацией газа, в частности полярное сияние, которое главным образом происходит на высоте 90—100 км и редко распространяется за указанные пределы высот.

II. Преломление электромагнитных волн в ионизированной среде

Существование мертвых зон вблизи передающей коротковолновой станции указывает с несомненностью, что излученная энергия сначала покинула землю, а затем была возвращена из верхних слоев атмосферы под влиянием какой-то причины обратно. Для объяснения этого можно предположить, или что волны отражаются от какого-то резко ограниченного проводящего слоя в верхних слоях, или что лучи испытывают более или менее постепенное преломление и загибаются таким образом обратно на землю. Первое предположение было выдвинуто в свое время Хевизайдом для объяснения огибания длинными волнами кривизны земли, второе предположение было сделано и обосновано Лярмором и в настоящее время является общепризнанным.

Причиной преломления является присутствие в атмосфере заряженных частиц и, в особенности, присутствие свободных электронов, которые приходят в движение под влиянием электрического поля волны и создают своим движением в пространстве новые волны, складывающиеся с волнами передатчика.

Представим себе, что в пространство, содержащее свободные электроны, приходит электромагнитная волна. Это значит, что в каждой точке пространства существует переменное электрическое поле. Если это поле синусоидально, то в пространстве существует электрическая сила Е = Е₀ sin(ωt); на электрон, имеющий заряд —ε и массу m вследствие присутствия поля действует сила f = —ε · Е = —Е₀ ε sin (ωt). Под влиянием этой силы он получает ускорение, которое, как известно из механики, численно определится частным от деления силы на массу. Таким образом, ускорение будет

а отсюда определится его скорость v

Как мы видим, эта скорость в каждый момент времени различна и меняется по синусоидальному закону. Иными словами, электрон будет совершать колебательное движение по направлению электрического поля. Масса электрона равняется 0,9·10^—27 гр, заряд его 4,5·10^—10 эл.-ст. единиц. Таким образом, если известно напряжение электрического поля, создаваемого волной, то можно вычислить скорость движения электрона.

Так как электрон несет в себе (отрицательный) заряд —ε, то движение его представляет собой ток, сила которого i (или, — что одно и то же, — количество принесенного в единицу времени электричества) будет,

Поэтому мы в праве рассматривать электрон как точечную антенну, в которой существует ток i частоты ω, излучающий электромагнитную волну так же, как ее излучает передающая станция. В этом и заключается механизм, благодаря которому присутствие электрона вносит искажения в распространении волны, приводящее в конечном итоге к искривлению пути электрического луча. То же действие произведут и заряженные молекулы; однако, вследствие большой массы, их скорости будут в несколько тысяч раз меньше, чем скорость свободных электронов, и влияние на распространение волн соответственно меньше.

Как видно из выражений, определяющих изменение поля и изменение скорости по времени, волна, образуемая в пространстве движением электрона, запаздывает по фазе относительно той волны, которая вызвала его движение, на 90°. Поэтому в каждой точке пространства, заключающей свободные электроны, более поздняя фаза волны наступает раньше, чем это имело бы место в отсутствии электрона. Если бы мы следили, например, за движением гребня волны, то вследствие этого он представился бы нам движущимся быстрее в присутствии электронов. Поэтому, вступая в ионизированный слой, волна получает большую скорость фазы (скорость перемещения гребня) в той части, где ионизация больше и благодаря этому загибается в ту сторону, где ионизация меньше.

Как видно из уравнения (3), сила тока, образуемого движением электронов, тем больше, чем меньше частота, т. е., другими словами, чем длиннее волна. Поэтому волны более длинные преломляются сильнее, и для возвращения их на землю нужно меньшее содержание электронов в каждом кубическом сантиметре пространства. В силу этой причины более короткие волны (от 20 до 30 м) возвращаются на землю только в условиях сильной ионизации (летом и днем), в то время как более длинные волны (от 40 до 100 м) возвращаются также и ночью. Если бы электроны находились в пустом пространстве, то преломление электрических волн не сопровождалось бы потерями энергии. Но в действительности электроны находятся среди газовых молекул и участвуют в тепловом движении газа; испытывая столкновения с молекулами, они отдают им энергию, полученную под влиянием электрического поля волны. Иными словами, энергия электрического поля при этом переходит в тепловое движение и нагревает газовую среду. Это ведет к расходу энергии, т. е. к поглощению электрической волны.

Более длинные волны испытывают большее поглощение, потому что период колебаний и скорость движения электронов больше, вследствие чего повышается вероятность столкновения электрона с молекулой. Если, например, под влиянием волны в 20 м электрон успевает в среднем совершить 100 колебаний, а энергию 101-го колебания потеряет при столкновении, то при волне в 100 м он сможет в тех же условиях совершить всего лишь 20 колебаний до момента столкновения. Таким образом, очень грубо говоря, в первом случае израсходуется в среднем 1% энергии, а во втором — 5% энергии, полученной им от волны. Кроме того большему поглощению длинных волн содействует то обстоятельство, что они испытывают преломление в более низких слоях атмосферы, где давление больше и столкновения чаще, но где для преломления этих более длинных волн оказывается уже достаточно электронов. Более короткие волны, требующие для своего возвращения на землю большей концентрации электронов, преломляются при тех же условиях в более высоких слоях атмосферы, где столкновения происходят реже. Вот почему передача волнами между 40 и 100 м становится невозможной днем, когда ионизация сильнее и когда загибание волн происходит на относительно небольших высотах.

III. Причины ионизации и высота преломляющего слоя

Наблюдаемая на опыте разница между дневными и ночными условиями распространения электромагнитных волн объясняется главным образом действием солнечного света. Однако и в областях, лишенных солнечного осващения, в течение весьма длительного промежутка времени, как, например, в области полярной ночи, распространение коротких волн имеет место, причем волны в 30 и 40 м могут служить для радиосвязи в течение всей полярной ночи. Замечательно, что экспедиция Бэрда, находившаяся в 1929 г. на Южном полюсе, сообщалась с Соединенными штатами в течение полярного дня на самых коротких волнах, несмотря на то, что солнечные лучи имеют здесь большой наклон и не могут произвести значительной ионизации. Нашему радиоспециалисту т. Кренкель, находившемуся в то же время на Земле Франца Иосифа, т. е. вблизи Северного полюса, удалось установить радиосвязь с этой экспедицией из области полярной ночи. Этот факт с несомненностью указывает на то, что кроме солнца существуют и другие достаточно мощные источники ионизации, хотя, конечно, солнечный свет является главным источником их.

Рис. 1.

Теоретические вычисления количества ионов, которые могут быть созданы солнечным освещением, затрудняются тем обстоятельством, что нам не известен точно состав крайней ультрафиолетовой части солнечного света. Если допустить, что весь спектр солнца является сплошным и солнце представляет собой черное тело, нагретое до температуры 6 000°, то область наибольшей ионизации должна находиться на высоте около 120 км над землей. Если же допустить, что ультрафиолетовая часть спектра солнца линейчатая, то возможно существование и других максимумов на больших высотах.

Наблюдения над распространением коротких волн показывают, что при самой сильной ионизации на землю могут быть возвращены волны около 8 метров, а в условиях минимальной ионизации — волны около 20 метров. В обоих случаях более короткие волны уходят за пределы атмосферы. На основании этого можно вычислить, какое количество свободных электронов в одном кубическом сантиметре существует во время наиболее сильной и наиболее слабой ионизации атмосферы. Оказывается, что оно изменяется в пределах, примерно, от 2·10⁵ до 10⁶ электронов в 1 куб. см. Вероятное количество ионов, создаваемых солнцем, в несколько раз или в несколько десятков раз больше этого числа, так как малоподвижные ионы, как мы уже видели, ничтожно влияют на прохождение коротких волн.

Положительные ионы образуются путем отщепления электрона от нейтральной молекулы; что же касается отрицательных ионов, то они могут быть образованы только вторичным процессом — присоединением электрона к газовой молекуле. Этот процесс может происходить лишь с некоторыми газами, главным образом с кислородом и парами воды. Поэтому весьма вероятно, что большая масса ионов, производимых солнцем, образуется на тех высотах, где указанные газы присутствуют еще в большом количестве. Иными словами, если бы эти газы отсутствовали или если бы солнце производило ионизацию на больших высотах, то число свободных электронов оказалось бы в несколько десятков раз больше, чем это имеет место в действительности. Поэтому можно допустить, что небесные тела, имеющие очень высокую температуру и содержащие поэтому в своих спектрах более короткие ультрафиолетовые лучи, могут произвести значительное количество свободных электронов на тех высотах, где кислород и пары воды отсутствуют.

Следующая таблица дает сравнение солнечного света при различных положениях солнца со светом звезд; за единицу принят свет луны в полнолуние.

Эдингтон считает, что из общего количества тысячи звезд первой величины 5% имеют температуру выше 18 000°, 10% — выше 12 000°, 20% — выше 9 000°. Эта высокая температура дает повышение активности световой радиации звезд по сравнению с солнцем в 10⁵ раз и поэтому, несмотря на чрезвычайно малую видимую силу света, количество производимых ионов вероятно лишь в тысячи раз меньше, чем при солнечном свете.

Кроме света солнце посылает на землю тучи материальных частиц и электронов; и те, и другие летят с огромными скоростями и способны производить ионизацию. Так как летящий заряд представляет собой ток, то он взаимодействует с магнитным полем земли и пути заряженных частиц искривляются. Вследствие этого эти частицы попадают только в полярную область, производя там, в частности, северные сияния и являясь, вероятно, вместе с тем одной из причин ионизации атмосферы, обусловливающей прохождение коротких волн. На рис. 1 показаны пути полета электронов, искривленные магнитным полем Земли.

Наконец, ионизация атмосферы полярных областей вероятно может производиться частицами, которые, вылетев из верхней части стратосферы в экваториальной или тропической области, поднимаются на значительную высоту (до 100 000 километров над землей), падая обратно под действием силы тяжести. Эти молекулы ионизируются солнцем, отклоняются действием магнитного поля и попадают таким образом в полярную область.

Рис. 2.

Влияние северных сияний до сих пор чрезвычайно мало изучено и здесь представляется широкая область для наблюдений экспериментаторов-коротковолновиков, имеющих связь с полярными областями или находящихся в их пределах.

IV. Высота преломляющего слоя

До последнего времени предполагали, что в дневное время имеется один слой, расположенный на высоте между 80 и 100 километрами с плотностью электронов 10⁶ в 1 куб. см. В течение ночного времени, согласно этому представлению, максимум ионизации движется вверх и достигает высоты 400 или 700 километров, причем количество электронов в куб. см уменьшается до 2,5·10⁵. В последнее время было произведено много экспериментов для определения высоты слоя, причем в некоторых случаях было обнаружено по меньшей мере 2 или 3 слоя, в которых плотность электронов достигает максимума, в то время как между этими слоями лежат области с несколько уменьшенной плотностью электронов. Разработано несколько методов для экспериментального определения высоты слоя. На некоторые из них мы здесь укажем.

Первый основан на том, что волны, вышедшие из точки а, попадают в точку b (рис. 2) несколькими путями: непосредственно по земле (земная волна — путь №1) и после отражения от верхнего слоя (путь № 2). Так как эти лучи проходят пути различной длины, то они приходят в точку b с различной фазой. Если разница в длине путей представляет собой целое число волн, т. е. четное число полуволн, то лучи усилят друг друга; если же это будет целое нечетное число полуволн, то фазы будут противоположны, и они друг друга ослабят или уничтожат вовсе. Изменяя длину волны в точке а (например, постепенно удлинняя ее), мы будем иметь в точке b ряд максимумов и минимумов. Зная длины волн, для которых наступает максимум и минимум, можно определить разность в длине путей, а следовательно и вычислить высоту слоя, в котором произошло преломление. Этот метод может быть пригоден для более длинных волн, так как требует, чтобы преломление носило характер быстрого загибания луча обратно, аналогичного отражению.

Рис. 3.

Другой метод заключается в измерении промежутка времени между приходом сигнала, идущего по земле, и сигнала, претерпевшего отражение от верхнего слоя, на приемной станции. Для этой цели передатчик дает сигналы чрезвычайно малой длительности (например, около 0,0002 секунды), а на приемнике эти сигналы регистрируются осциллографическим путем или при помощи прибора для передачи изображений. Это позволяет определить время запаздывания пространственной волны и, следовательно, вычислить ту разницу в длине путей, которая имеет место между земным и пространственным лучом. При определении этим методом осциллограф отмечает не только приход первого луча, один раз отразившегося от преломляющего слоя, но также и приходы последующих лучей, отразившихся от этого слоя дважды или трижды, как это показано на рис. 3. При помощи этого метода Кеннерик и Джэн нашли в ночное время высоту отражения в 350 км, а Хевстедт и Тюв определили характер изменения высоты отражения, которая изменялась закономерно в пределах от 220 км днем до 425 км ночью, как это показано на рис. 4.

Рис. 4.

Аппельтон при помощи первого описанного здесь метода установил, что волна в 100 метров отражается днем с высоты 100 км, а ночью — с высоты 226 км, причем во время перехода от дневных условий к ночным он обнаружил очень любопытный эффект — внезапное изменение высоты отражающего слоя со 100 на 226 км и обратно. Этот эффект имел место иногда несколько раз под ряд в период захода и восхода солнца и может быть истолкован следующим образом. На указанной высоте имелся слой с максимальной плотностью электронов около 10⁵, являющийся предельным для возвращения 100-метровой волны на землю. В опытах Аппельтона, как только ионизация этого слоя уменьшалась ниже указанного значения, волна была в состоянии пресечь слой и получала отражение от более высоко расположенного слоя. Повторные перескакивания с одной высоты на другую должны быть объяснены некоторым неустойчивым состоянием нижнего слоя в период восхода и заката солнца (изменением плотности электронов в нем в некоторых пределах).