Над всеми этими проблемами уже работают научные учреждения различных стран, в том числе и различные учреждения Советского Союза.
Конечно, решение такого большого количества грандиозных проблем будет происходить постепенно.
Первым шагом в изучении атмосферы Земли явились посылки воздушных змеев, воздушных шаров, шаров-зондов, радиозондов, геофизических ракет.
В 1754 году М. В. Ломоносов построил «аэродромическую машинку», являющуюся моделью вертолета для подъема метеорологических приборов. К тому же времени относятся первые подъемы приборов на воздушных змеях (Франклин Б.).
Регулярные же исследования атмосферы при помощи воздушных змеев и аэростатов начались гораздо позднее; большой вклад в эти исследования внес русский аэролог В. В. Кузнецов уже на рубеже 20-го века[3]. В конце 19-го века возникают первые аэрологические обсерватории по исследованию высоких слоев атмосферы с помощью самопишущих приборов, поднимаемых различными, еще малосовершенными летательными аппаратами, главным образом шарами-зондами. Именно с их помощью и была в 1898 г. Тейсеран де Бором открыта стратосфера[4]. Подлинную же революцию в области исследования атмосферы произвели радиозонды, изобретенные ленинградским профессором А. П. Молчановым. Впервые запущенные 30 января 1930 г. Павловской аэрологической обсерваторией (под Ленинградом), эти радиозонды положили начало применению телемеханики и радио для связи с Землей различных летательных аппаратов. Вскоре в той же Павловской аэрологической обсерватории была также впервые осуществлена радиопеленгация летящих радиозондов.
Однако и в этих случаях геофизические приборы не удавалось поднять больше чем на несколько десятков километров.
После второй мировой войны некоторые из ракет стали приспосабливать для научных исследований атмосферы. Используя их, человеку удалось «прыгнуть» много выше, чем прежде. В 1949 году двухступенчатая ракета поднялась на 390 км, а несколько позднее составная двухступенчатая ракета увеличила рекорд до 425 км. В СССР также были произведены многочисленные запуски ракет на большие высоты для научных исследований. Однако независимо от высоты подъема все исследования такого рода имеют два существенных недостатка.
Первый из них заключается в том, что приборы, находящиеся в ракете, могут исследовать только очень ограниченную область в пространстве; второй состоит в том, что в данном пространстве ракета находится считанные секунды. Заметим также, что до сих пор получение неповрежденных исследовательских приборов и результатов записи научных наблюдений представляет значительные трудности, а во многих случаях их вообще получить не удается.
Таким образом, логически возникла необходимость осуществления на границе атмосферы более систематических, постоянных и долговременных наблюдений. Вот эту задачу и должны выполнить спутники Земли, обращающиеся вокруг нее довольно продолжительное время.
В настоящее время наука решила первый этап завоевания космоса — созданы и запущены в СССР первые в мире искусственные спутники Земли. Вполне понятно, что, не изучив всех явлений, протекающих в верхних слоях атмосферы, нельзя и мечтать о межпланетных полетах, нельзя мечтать даже об обитаемой межпланетной станции. Поэтому создание и запуск ИСЗ является необходимым этапом в освоении космоса.
Следует сказать, что пространство, в которое посланы первые искусственные спутники Земли, изучено современной наукой очень мало. Существует ряд загадок космоса, которые требуют разрешения.
В настоящее время трудно определить весь круг задач, которые будут решаться спутниками.
Постановка некоторых задач в настоящее время уже достаточно обоснована и заключается в следующем: 1) определение плотности, давления и температуры верхних слоев атмосферы; 2) более точные измерения геометрических размеров Земли, расстояний между континентами и другие геодезические измерения; 3) длительное наблюдение солнечной радиации; 4) изучение интенсивности космической и другой радиации, проникающей в земную атмосферу; 5) определение химического состава среды межпланетного пространства; 6) наблюдение земных кольцевых токов; 7) определение распределения масс земной коры в сечениях Земли плоскостями орбит ИСЗ; 8) изучение особенностей распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы и обеспечения радиосвязи и телевидения с помощью ИСЗ; 9) выполнение астрономических исследований с целью изучения небесных светил без помех со стороны атмосферы и др.
Изучение атмосферы. Начнем с наиболее близкой и известной всем атмосферы. Ею называется газовый слой, окружающий нашу планету. Без атмосферы жизнь на Земле была бы невозможной, поскольку все живое на Земле нуждается в кислороде воздуха.
Благодаря атмосфере существуют у нас реки, моря и океаны. Она же защищает нас от нестерпимого жара солнечных лучей, вредных для организма излучений Солнца и, наконец, от миллиардов метеоритов, которые без нее уничтожили бы жизнь на Земле. Только благодаря атмосфере громадное большинство из них сгорает, не достигнув Земли.
Человек знает об атмосфере еще очень мало, хотя изучает ее давно.
Атмосфера простирается на высоту порядка 800, а может быть, и тысячу с лишним километров (рис. 1). Однако приборы для ее исследования до недавнего времени поднимались всего на несколько десятков километров. Даже мощные исследовательские ракеты, значительно увеличившие эту высоту (до 400 км и более), мало помогли решению задачи. Ведь они, как мы уже указывали, производят наблюдения в течение ограниченного промежутка времени и только на очень ограниченном участке. Первые советские ИСЗ проводили длительное время исследования в космическом пространстве на разных высотах до 1700 км.
Сама атмосфера весьма неоднородна как по своему составу, так и по плотности, температуре и другим характеристикам.
В ее состав входят в основном азот, кислород и в незначительной мере водород, углекислый газ и так называемые инертные газы — неон, аргон, криптон, ксенон, гелий.
В верхних слоях атмосферы недавно были обнаружены редкие изотопы бериллия, лития и бора, происхождение которых еще не выяснено: неизвестно, попали ли они туда из мирового пространства вместе с космическими лучами или, может быть, появились вследствие взаимодействия этих лучей с самой атмосферой. В атмосфере также, не говоря уже о метеоритах, носятся мельчайшие частицы метеоритной пыли, занесенные из космоса.
Атмосфера неоднородна, и ее принято делить в зависимости от плотности на четыре слоя.
Самым близким к Земле и самым изученным слоем наибольшей плотности является тропосфера (см. рис. 1). Толщина тропосферы неодинакова. У экватора она достигает 18 км, а над полюсами — 9 км. Тропосфера содержит около 80% всей атмосферы. В ней протекает большинство всех знакомых нам явлений природы — грозы, бури, снегопады, дожди и ветры; там же образуются и основные массы облаков. Все эти процессы для человека имеют, естественно, очень большое значение.
Выше тропосферы расположен слой, называемый стратосферой. Он значительно больше и достигает высоты 80 км. В стратосфере замечены интересные явления: если в нижних ее слоях температура составляет -50 – -60℃, то на высоте 35–66 км она значительно повышается и доходит до температуры +70℃. Затем температура снова падает, доходя на высоте 80 км почти до минус 100℃. Примерно с этого предела она снова резко повышается и на высоте около 120 км достигает +100℃. Стратосфера изучена в меньшей степени, чем тропосфера, но уже в настоящее время в нижних ее слоях летают самолеты, а верхний слой исследуется с помощью шаров-зондов, радиозондов и ракет.
Между стратосферой и тропосферой лежит сравнительно тонкий слой (около 1–3 км), называемый тропопаузой.
Высота этого слоя непостоянна и зависит от времени года: зимой этот слой расположен ниже, а летом выше.
Вслед за стратосферой начинается четвертый, последний слой, называемый ионосферой.
Этот слой имеет самую большую протяженность и простирается на высоту до 800 км, а возможно, и выше. Он является наименее изученным. Ионосфера представляет собою сильно разреженную газовую среду, в которой находится громадное количество ионов и свободных электронов. Эта среда хорошо проводит электричество. Сама по себе ионосфера также не является однородной, и ее в свою очередь делят на несколько слоев, которые по своим свойствам отличаются друг от друга. Ионосфера изучается с помощью радио- и спектрографических методов. В ней протекают такие хорошо знакомые людям явления, как полярные сияния. Только благодаря ионосфере, в которой ионизированные газы образуют слои, отражающие радиоволны, возможна дальняя радиосвязь на коротких волнах.
Деятельностью и существованием этих слоев объясняются также шумы и трески, которые мы слышим иногда во время радиопередачи. Высота слоев, от которых отражаются радиоволны, лежит между 100 и 400 км.
В последнее время установлено, что в ионосфере существуют ветры, скорость которых достигает 300 м/сек[5]. Обнаружены также различные неоднородности, которые называют ионизированными облаками.
Однако все эти сведения носят весьма отрывочный характер. Ученые, проанализировав состояние современных знаний об ионосфере и происходящих там явлениях, со всей очевидностью показали неполноту наших сведений о ней. Ряд явлений, происходящих в ионосфере, еще не получил объяснения. Конечно, там существует много процессов, еще не известных науке.
Верхние слои атмосферы находятся под непрерывным воздействием мощного солнечного излучения, в состав которого входят электромагнитные волны различной длины, начиная с метровых и кончая ультрафиолетовыми и рентгеновскими, корпускулярное излучение, состоящее из потоков быстрых электронов, ионизированных атомов водорода, гелия, кальция и др. На эти же слои действуют космические лучи — частицы громадной энергии, летящие из межзвездного пространства и врезающиеся с колоссальной скоростью в земную атмосферу, ионизируя и разбивая по пути атомы газов. При этом космические лучи сохраняют часто энергию, достаточную для того, чтобы пробиться на несколько километров в толщу Земли.