Читаем Популярная аэрономия онлайн бесплатно

Для кого написана эта книга

Что такое аэрономия?

1. Как устроена атмосфера

Сколько на свете сфер

Атомы - молекулы

Эти бесчисленные вариации...

Откуда ветер дует?

2. Сфера заряженных частиц

Кое-что о структуре

Где сколько электронов

Как много разных ионов...

Какова температура электронов

3. Кто отвечает за образование ионосферы

Борьба между ионизацией и рекомбинацией

Главный источник - Солнце

4. Равновесные концентрации ионов

Что такое "время жизни"

Две основные реакции

Что во что переходит или окончательная схема процессов

Важный параметр с длинным названием

Когда зашло солнце

Борьба динамики и фотохимии

5. Загадочная область D

Самая нижняя - самая неясная

Почему это так трудно

Ищем источник ионизации

Не связывайтесь с ионами-связками!

Положительная сторона отрицательных ионов

И вновь о коэффициенте рекомбинации

6. Проблемы нейтральных частиц

Эта неприятная окись азота

Сколько в атмосфере атомного азота?

Возбужденные частицы - жители эксайтсферы

Что же дальше? (Краткое заключение)

Данилов А. Д. 'Популярная аэрономия'

Ленинград Гидрометеоиздат 1978

26.23 Д 18

Впервые в популярной форме, рассказывается об аэрономии - молодой науке, изучающей структуру верхней атмосферы Земли и протекающие там физические и химические процессы. Дается описание современных представлений о структуре атмосферы и ионосферы на высотах 50 - 500 км и проблем, связанных с различными вариациями атмосферных и ионосферных параметров. Подробно излагается современная концепция цикла процессов образования и гибели заряженных частиц, который определяет существование ионосферы.

Книга рассчитана на специалистов в области метеорологии, физики ионосферы и распространения радиоволн, солнечно-земной физики, физики ионно-атомных столкновений, аспирантов и студентов вузов.

It is for the first time that the aeronomy, a new young science, is explained in a popular and clear form. The reader will understand that aeronomy studies the structure of the Earth's upper atmosphere and physical and chemical processes occurring there. The book also presents a description of modern notions of atmospheric and ionospheric structure at the height 50 - 500 km, as well as problems in the field of different variations of atmospheric and ionospheric parameters. The up-to-date theory of process cycle during which the charged particles are formed and destroyed is given in detail.

The book is ment for specialists in meteorology, ionospheric physics, radio-wave propagation, solar-terrestrial physics and will be useful for students and post-graduate students in these fields.

Редактор Л. П. Жданова. Рисунки Л. В. Корнеевой. Обложка В. Д. Бертельса. Технический редактор В. И. Семенова. Корректор И. А. Крайнева

ИБ № 386

Сдано в набор 18.11.77 Подписано в печать 16.05.78 М-09476. Формат 60x841/16. Бум. офсетная № 1. Лит. гарн. Печать офсетная. .Печ. л. усл. 7,91. Уч.-изд. л. 8,84. Тираж 19000 экз. Индекс ПЛ-197. Заказ 4950. Цена 50 коп. Гидрометеоиздат 199053. Ленинград, 2-я линия, 23. Типография им. Анохина Управления по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Совета Министров Карельской АССР г. Петрозаводск, ул. "Правды", 4

Гидрометеоиздат, 1978 г.

Для кого написана эта книга

Есть разные категории научно-популярной литературы. Научно-популярная книга, рассчитанная на массового читателя, - это, пожалуй, самая сложная форма популяризации. Ею блестяще владел замечательный советский популяризатор Я. И. Перельман. Можно написать популярную книжку, адресовав ее детям - школьникам и дошкольникам. Так писали М. Ильин и Е. Сегал. Есть много популярных книг для старших школьников, студентов и прочих достаточно образованных людей, интересующихся реально или потенциально данной областью науки в целом. Наконец, есть прекрасные книги, рассказывающие о большой научной проблеме (они написаны, как правило, крупными специалистами) и доступные любому интеллигентному человеку. Такова "Вселенная, жизнь, разум" И. С. Шкловского.

Данная книга не подходит ни под одну из перечисленных категорий. Она - попытка автора рассказать об очень молодой и относительно узкой области науки - Аэрономии... своим коллегам. Да, да, именно коллегам - ученым, физикам, геофизикам, астрофизикам. Но конечно, не тем, кто сам непосредственно занимается этой наукой. Скорее, тем, кто работает рядом -дверь в дверь. Ведь в наше время - время непрерывно растущего потока информации- становится все уже специализация отдельных ученых, научных коллективов и даже целых направлений. И специалисту все труднее следить за тем, что делается в смежной области, какие сдвиги там происходят, какие проблемы возникают. Когда же научные интересы все же приводят его в эту смежную область, он оказывается в трудном положении. Выясняется, что для того, чтобы получить ответ на интересующие вопросы, необходимо поднять целую гору пухлых журналов и книг. Как правило, на это нет ни времени, ни сил. Кроме того, специалисты разных наук, а подчас и разных направлений одной науки говорят теперь на столь разных языках, что понять специальную литературу даже в соседней области трудно, а порой и невозможно.

Молодая наука аэрономия не составляет в этом отношении исключения. Здесь есть и большой поток информации, и уйма обзоров и толстых серьезных книг, и, конечно, свой научный жаргон, и... практически полное отсутствие популярной литературы.

А литература такая нужна. Родившись на стыке нескольких наук - метеорологии, астрономии, физики плазмы, геофизики,- аэрономия представляет интерес для специалистов многих областей знаний.

Именно поэтому и появилась эта книга; в ней автор делает попытку рассказать о тех, подчас довольно сложных проблемах, которыми занимается современная аэрономия.

В том, что такая книга нужна и в первую очередь коллегам, убедил автора опыт изданий такого рода "Химия, атмосфера и космос"*. По отзывам многих коллег, эта книга оказалась им полезной, когда нужно было познакомится с проблемой атмосферной фотохимии, при подготовке к чтению лекций для студентов, при сдаче аспирантами кандидатского экзамена.

* ( Данилов А. Д. Химия, атмосфера и космос. Л., Гидрометеоиздат, 1969)

Автор надеется, что данная книга будет не менее полезной в этом отношении. Со времени выхода в свет "Химии, атмосферы и космоса" прошло семь лет - для такой быстро развивающейся науки, как аэрономия, срок большой. Многие проблемы в 1969 году, перестали быть проблемами. К большенству загадок того времени найдены ответы. Но появились новые проблемы и загадки. О них - то и пойдет речь.

В отличиии от книги 1969 года, здесь автор стремился построить изложение системотичнее, описать не только острые проблемы, но и области аэрономии, где положение относительно спокойнее. Это неизбежно связано с риском сделать книгу более скучной, однако автор надеется, что полнота изложения компенсирует этот недостаток.

Конечно, хотелось бы, чтобы книга нашла и более широкого читателя. Именно поэтому автор старался свести к минимуму число формул и менее существенных деталей. И естественно, хотелось бы, чтобы чтение этой книги побудило читателей, далеких атмосферных проблем, особенно будущих исследователей - студентов, асперантов, - познакомиться с аэрономией глубже, прочесть более серьезные труды в этой области. Но это - благие пожелания автора. А как минимум он сочтет свою задачу выполненой, если эта книга станет полезной его коллегам, работающим в широком диапазоне смежных наук.

Автор выражает глубокую благодарность А. Х. Хргиану, внимательно прочитавшему рукапись и сделавшему ряд весьма полезных замечаний, и А. В. Михайлову, оказавшему большую помощь в написании ряда разделов книг. Автор считает также своим приятным долгом сказать несколько слов об оформителе этой книжки - Л. В. Корнеевой. Будучи физиком. она прочла рукопись и нашла орегинальные решения для иллюстрации некоторых важных вопросов. Не будучи профессиональным художником она мужественно прошла через все профессиональные испытания, прежде чем книжка смогла появиться в ее сегодняшнем виде. Остается надеяться, что читатели найдут наше сотруднечество плодотворным.

Что такое аэрономия?

Если задать этот вопрос разным специалистам, изучающим атмосферу Земли, мы получим несколько разных ответов. Причина этого в том, что граница молодой науки аэрономиии - детища ракето-спутникого энтузиазма начала 60-х годов - все еще довольно размыты. Входит ли в ведение аэрономии стратосферы? А тропосфера? Если нет, то где граница между метеорологией - наукой о приземном слое атмосферы и аэрономией - наукой о верхней атмосфере. И должна аэрономия включать все, что мы изучаем в верхней атмосфере? Например, приливы и ветры, потоки микрометеоров, распространение радиоволн в ионосфере - является ли все это предметом изучения аэрономии?

Однозначных ответов на все эти вопросы пока не существует. И не очень хорошо видна перспектива более четкого определения границ аэрономии. Ибо указанные вопросы появились в последние годы в связи с непрерывным развитием атмосферных исследований. Их дальнейшее развитие может привести к еще большему услажнению( или, если угодно, расширению ) понятия "аэрономия".

Здесь мы будем рассматривать аэрономию как науку прежде всего о строении верхней атмосферы Земли и о происходящих там микропроцессах. Именно так представлял себе аэрономию бельгийский ученный М. Николе, который первым ввел это понятие в обиход исседователей верхней атмосфере и написал в 1961 году первую книгу по аэрономии.

Таким образом в нашем понимании аэрономия должна заниматься поисками ответов на вопросы: как устроена верхняя атмосфера и какие физико-химические процессы ответственны за ее строение? Ответ на первый вопрос предпологает изучения распределения с высотой и различных вариаций так называемых термобарических параметров атмосферы (т.е. плотности, температуры, давления газа) и концентраций различных компонент отмосферного газа, от основных, таких, как азот и кислород, до малых составляющих. К малым составляющим формально относятся и концентрации заряженных частиц (ионов и электронов), которые образуют очень важную область атмосферы - ионосферу. При ответе на второй основной вопрос аэрономии мы должны изучить различные микропроцессы, происходящие в атмосферном газе и контролирующие поведение всех тех параметров, которые интересуют нас в первом вопросе. К таким микропроцессам относятся прежде всего ионизация и диссоциация частиц атмосферного газа под действием внешних источников (солнечное излучение, вторгающееся в атмосферу частицы и т.д.), различные химические превращения одних частиц в другие, молекулярная и амбиполярная диффузия.

Крупномасштабные динамические процессы - ветры, дрейфы, различные волны - должны, видимо, рассматриваться в качестве предмета агрономического изучения лишь постольку, поскольку в некоторых случаях, как мы теперь понимаем, они влияют на состав и строение верхней атмосферы.

Таково предлагаемое читателям этой книги понимание предмета аэрономии. Что касается точного определения высотных границ "сферы действия" аэрономии, то здесь положение не менее сложное. Мы будем рассматривать высоты от 50 - 60 км до нескольких сотен километров, где и сосредоточены основные аэрономические проблемы (вся ионосфера, диссоциация кислорода, окислы азота, возбужденные частицы и т. д.) в классическом понимании аэрономии. Подобный выбор высот, во всяком случае, объясняет, почему за пределами этой книги осталась такая острая проблема современной фотохимии, как стратосферный озон, его вариации и возможность разрушения.

Итак, аэрономия занимается строением и физикохимией верхней атмосферы.

Вопросы, которые первыми возникают при описании нового направления в науке: зачем надо этим заниматься, почему интересно исследовать именно эту область знания? Ведь сегодня любая область исследований должна нести на себе некоторое бремя сегодняшних проблем, должна давать вклад в решение насущных задач науки, техники, народного хозяйства.

Как же обстоит в этом смысле дело с областью науки, которой посвящена настоящая книга?

Наше время - время космических ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ). Чуть ли не ежедневно появляются сообщения о запуске новых, больших и малых ИСЗ, геофизических и метеорологических ракет. И на каждом спутнике, на каждой ракете установлены научные приборы. Они предназначены в основном для исследований характеристик (или параметров) окружающей среды. А среда, которая их окружает,- это верхняя атмосфера Земли и прилегающее космическое пространство. Общая плотность газа на данной высоте, количество нейтральных и заряженных частиц, их "паспорта", т. е. их химическое отождествление, температура атомов, молекул и ионов,- вот далеко не все параметры, которые необходимо изучить в процессе ракетных и спутниковых экспериментов. Знание же характеристик атмосферы и космического пространства необходимо для конкретных прикладных задач.

Земная ионосфера. Ее влияние на распространение радиоволн на Земле огромно. Не будь ее - не была бы возможна радиосвязь на коротких волнах. Малейшие изменения в ионосферных характеристиках влияют на качество радиопередач, на надежность радиосвязи. В связи с бурным развитием наземной радио- и телевизионной сети, радиоастрономии систем ретрансляции сигналов с помощью ИСЗ требуются точные характеристики ионизированной оболочки Земли.

Верхнюю атмосферу Земли бороздят десятки ИСЗ. Как рассчитать время жизни каждого из них? Как подобрать орбиту, чтобы высота полета была наименьшей, но спутник при этом "прожил" бы весь запланированный срок? Для ответа на эти и многие вопросы прикладного характера необходимо надежно знать, как распределяются плотность и температура в верхних слоях атмосферы.