Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


КОСМОС
Открытия в области изучения космоса: околоземное пространство, физика атмосферы Земли



Научное открытие "Заряженные частицы в нижней атмосфере (свойства атмосферы Земли)".

Формула открытия: "Экспериментально установлено ранее неизвестное свойство атмосферы Земли (10-70 км), заключающееся в существовании области повышенной ионизации (с максимумом ионов порядка 104 см3) на высоте 10-40 км и области пониженной ионной концентрации (с минимальным количеством ионов, равным или менее 0,5103см3) на высотах 50-70 км".
Авторы: Е. Г. Швидковский, Ю. А. Брагин, О. К. Костко.
Номер и дата приоритета: № 56 от 31 января 1965 г.


Описание открытия.
Если бы излучения из космоса и от Солнца попадали на поверхность Земли, не претерпев существенных изменений, все живое на Земле погибло бы. От губительного воздействия жесткого космического излучения нас предохраняет плотная нижняя атмосфера, состоящая из взаимодействующих нейтральных и заряженных частиц. Жизнь организмов, полет птиц и многое другое зависят от состава и плотности этих частиц.

Заряженных частиц в нижней атмосфере несравненно меньше, чем нейтральных, однако они играют весьма важную роль. В частности, они определяют условия радиосвязи на нашей планете. Когда в начале века была осуществлена первая передача радиосигналов через Атлантический океан, попробовали объяснить, как радиоволны распространяются над поверхностью Земли. Попытки найти суть явления в дифракции, огибании Земли радиоволнами, внесли в проблему лишь частичную ясность. Только в 20-е годы радиофизикам удалось экспериментально подтвердить существование в атмосфере на большой высоте проводящего электрического слоя. Последующие исследования обнаружили несколько таких слоев, позднее названных ионосферой.

Ионосфера Земли, как утверждает ряд ученых, простирается до высоты 20 тыс. км. Вместе с нейтральными частицами в ней есть заряженные - электроны и ионы. Основной источник возникновения заряженных частиц в ионосфере - излучение Солнца. Ниже 60-70 км излучение, способное вызывать появление значительного количества заряженных частиц, не проникает. Поэтому поначалу предполагалось, что на высотах ниже 60 км ионосферы не существует.

Развитие ракетных методов исследований позволило детально "прощупать" и этот диапазон высот. Ракеты были оборудованы аппаратурой для определения содержания ионов и электронов в нижней атмосфере. Радиосигналы, поступившие с ракет, зафиксировали неожиданно большое содержание ионов на высотах до 70 км. Их максимум наблюдался между 10 и 40 км, а минимум - между 50 и 70 км.

Происхождение заряженных частиц на таких высотах можно объяснить действием космических лучей. Влетая в земную атмосферу, космические частицы разбивают молекулы и атомы на ионы и электроны. Электроны, в свою очередь, "прилипают" к молекулам воздуха, образуя отрицательный ион. Общая электрическая нейтральность атмосферы поддерживается равным количеством положительных и отрицательных ионов.

Открытие доктором физико-математических наук Е. Г. Швидковским и кандидатами физико-математических наук Ю. А. Брагиным и О. К. Костко (Центральная аэрологическая обсерватория Главного управления гидрометеослужбы при Совете Министров СССР) ранее неизвестного свойства ионизации атмосферы Земли на высотах 10-70 км относится к 1965 г. В 1968 г. рабочая группа Интернационального совета Научного союза по солнечно-земной физике признала исследования этих ученых наиболее надежными. Измерения ионизации заряженных частиц, проведенные в США, Японии и в других странах, подтвердили максимум концентрации ионов в стратосфере и минимум - в мезосфере.
Названные, ученые также впервые установили зависимость изменения концентрации ионов в стратосфере и мезосфере от геомагнитной широты и от времени суток.

Продолжая исследования ионизации нижней атмосферы, Центральная аэрологическая обсерватория Главного управления гидрометеослужбы Совета Министров СССР совместно с Новосибирским университетом начала изучать свойства электризации атмосферы.

"Ракетными исследованиями, проведенными после 1967 г., - рассказывают авторы открытия Ю. А. Брагин и О. К. Костко, - установлено одно из основных свойств атмосферного электричества. На поверхности Земли сосредоточены отрицательные электрические заряды. Они уравновешиваются положительными зарядами в проводящем слое атмосферы - словом, мы имеем как бы две обкладки гигантского конденсатора. До последнего времени было неясно, на какой высоте находится "положительная обкладка" такого конденсатора. Ракетные исследования позволили определить, что "положительная обкладка" находится на высотах между 15-30 км. Эксперименты показали, что и внутри конденсатора "Земля- стратосфера" существуют слои пространственных зарядов, т. е. конденсатор можно уподобить слоеному пирогу.

Между "обкладками" глобального конденсатора постоянно течет так называемый ток разрядки, обусловленный проводимостью атмосферы. За несколько минут конденсатор может разрядиться, но этого не происходит. Значит, какие-то силы должны поддерживать разность потенциалов на его "обкладках". Иначе говоря, поверхность Земли и стратосфера постоянно получают новые порции зарядов. А может быть, все дело в мощных разделительных процессах между "обкладками"? Считалось, что одним из таких разделительных процессов служит грозовая деятельность, и поэтому атмосферное электричество не зависит ни от Солнца, ни от земных недр.

Сравнительно недавно выяснилось, что солнечное и галактическое излучения воздействуют на атмосферное электричество и на погоду. Например, во время солнечных вспышек напряженность электрического поля часто возрастала. И в момент землетрясений и извержений вулканов электрическое поле атмосферы тоже претерпевает изменения. Значит, есть определенная связь между электричеством атмосферы и Земли. Точное установление такой взаимосвязи поможет объяснить многие геофизические явления".

О результатах прямых исследований свойств электризации стратосферы и мезосферы было доложено на секции по атмосферному электричеству 15-й Генеральной ассамблеи Интернационального союза геодезии и геофизики в Москве в 1971 г.

Один из авторов открытия - Ю. А. Брагин предложил следующую картину формирования электрических полей в атмосфере, которая пока рассматривается как дискуссионная. Каждую секунду от Солнца к Земле устремляется огромное количество заряженных частиц, в основном протонов и электронов. На расстоянии от Земли, меньшем, чем 10 земных радиусов, они испытывают отклоняющее действие ее магнитного поля. Частицы противоположных зарядов отклоняются в разные стороны, образуя пространственные электрические поля. Более энергичные частицы вторгаются в атмосферу Земли, менее энергичные остаются в магнитных ловушках (радиационных поясах, приземной плазме). Часть их "высыпается" из ловушек и также попадает в земную атмосферу.

Частицы различных видов и энергий поглощаются слоями атмосферы на разных высотах. Между этими слоями возникает дополнительная разность потенциалов. Верхняя, положительная "обкладка" питается потоками солнечных протонов. Они же и создают основное поле в конденсаторе. Нижняя, отрицательная "обкладка" конденсатора - "сфера влияния" земных недр. Но что же служит главным регулятором поведения гигантского конденсатора? Земля, Солнце, погода?

Гипотеза Брагина позволяет нарисовать один из возможных вариантов воздействия корпускулярных потоков на погоду. Ведь облака - это области с ярко выраженными слоями электрических зарядов. Поскольку при колебаниях интенсивности потока протонов изменяются электрические поля в глобальном конденсаторе, можно предположить, что меняются и свойства облачных образований - объемные заряды в облаках перераспределяются, облака вследствие этого опускаются или поднимаются, вода в них испаряется или кристаллизуется. Следовательно, энергии протонов, приходящих извне в конденсатор, вполне достаточно для смещения пространственных слоев зарядов в стратосфере. А это, в свою очередь, ведет к выделению колоссальной энергии, заключенной в массах плотного воздуха. Речь идет о грозах, ураганах и тому подобных явлениях. Потоки протонов служат для них своеобразным "спусковым механизмом".
Любая гипотеза нуждается в строгой объективной проверке. Дело только во времени. А в наши дни путь от гипотез к научным истинам резко сократился.

Заведующий сектором Института космических исследований АН СССР Н. Ф. Писаренко рассказывает, что за ряд лет с помощью многочисленных спутников удалось изучить радиационную обстановку на высотах до нескольких тысяч километров от Земли. Наибольший интерес представляли малые высоты - ведь именно с них человек начал обживать открытый космос. Изучение процессов на нижней границе радиационных поясов, т. е. на высотах 200-400 км, важно и с другой точки зрения. Здесь наблюдается взаимодействие частиц этих поясов с атмосферой Земли, происходит их проникновение в ионосферу. Очень важно досконально разобраться в физике различных процессов, определить время жизни частиц в радиационном поясе, выяснить зависимость их поведения от геомагнитных возмущений. Длительные измерения с помощью спутников "Космос" позволили составить карты распределения в ближнем космосе потоков частиц разной природы в широком энергетическом диапазоне. Удалось определить зависимость интенсивности радиации от высоты, условий геомагнитной и солнечной активности.
Проблема взаимодействия частиц радиационных поясов с атмосферой Земли привлекает внимание ученых разных специальностей. Попадающие с ионосферу космические частицы возбуждают холодную плазму и становятся источниками различных нестационарных процессов и ионосферных возмущений. Их изучение представило несомненный интерес для радиофизиков и специалистов в области плазмы.




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz