Метеоры как средство изучения верхних слоев атмосферы

Одной из первых работ по изучению физических свойств верхней атмосферы было исследование Ф. Линдемана и Г. Добсона (Англия), опубликованное в 1923 г.

Несмотря на несовершенство физической теории метеоров и визуальных наблюдений У. Деннинга, использованных авторами, им удалось получить первые приближённые сведения о верхних слоях атмосферы, в частности, установить наличие слоев тёплого воздуха на высотах около 80 км.

В основе метеорных методов исследования верхних слоев атмосферы лежат следующие соображения. Величина торможения метеора будет пропорциональна плотности воздуха на данной высоте и квадрату его скорости. Кроме того, торможение зависит от массы метеорного тела. Зная яркость, скорость и торможение метеора в атмосфере, можно определить его массу, скорость испарения и плотность воздуха на протяжении всего пути метеора.

Принимая молекулярный состав воздуха в метеорной зоне таким же, как на уровне моря, можно вычислить также и температуру воздуха.

По фотографическим наблюдениям метеоров получены следующие значения плотности (ρ), давления (p) и температуры (T) атмосферы:

Неравномерное изменение плотности с высотой является следствием послойного изменения температуры в верхней атмосфере. На высоте около 80 км температура стратосферы падает приблизительно до -50^o Ц. Наличие этого минимума температуры сказывается на целом ряде явлений, происходящих на этой высоте или таких, для которых высота около 80 км является границей. Наблюдения показывают, что на высоте 80-82 км имеет место смена направлений ветров в стратосфере. На высоте 82-83 км появляются серебристые или ночные светящиеся облака, состоящие, по-видимому, из ледяных кристалликов. Вероятно, эти кристаллики конденсируются вокруг микроскопических частиц метеорной пыли, которая остаётся после испарения метеоров в этой зоне и медленно опускается вниз. Высота 82 км является нижней границей полярных сияний, а также нижней границей ионизованного слоя, который имеется на высоте около 100 км и носит название слоя E.

Рис. 14. Плотность воздуха (ρ) в верхних слоях атмосферы. Точки - определения по метеорным данным, сплошная линия - стандартная кривая плотности атмосферы. По вертикали отложены логарифмы плотности.

Над охлаждённым слоем воздуха на высоте 80 км температура стратосферы возрастает, доходя на высоте 120 км до +10њ Ц. Это повышение температуры в крайне разреженных верхних слоях атмосферы связано с увеличением средней скорости молекулярного движения в слоях атмосферы до 400 км высоты. Чтобы лучше представить себе физические условия, которые существуют в этих "теплых" слоях верхней атмосферы, нужно принять во внимание, что температура этих слоев выражает не что иное, как среднюю скорость беспорядочного теплового движения сравнительно небольшого количества молекул и атомов. Термометр или любое другое тело, помещённое на высотах более 100 км, будет иметь иную температуру, много ниже температуры атмосферы, в зависимости от поглощающих свойств его поверхности и условий освещения его Солнцем. Влияние теплообмена с сильно разреженной средой мало скажется на температуре такого тела.

Непосредственные измерения, произведённые в 1947 г. и позже при помощи автоматических приборов, помещённых на ракетах, подтвердили данные о физических свойствах верхних слоев атмосферы, в частности о повышении в этих слоях температуры воздуха, полученные на основании наблюдений метеоров.

Сведения о верхних слоях атмосферы, полученные по метеорным фотографиям, дают лишь общее представление о свойствах этих слоев для северной широты около 40^o (СССР, США) и оставляют открытыми многие вопросы, связанные с физическим состоянием этих слоев. Как изменяется состояние верхней атмосферы с широтой? Каковы сезонные и суточные изменения её свойств на разных широтах? Как действуют на земную атмосферу лунные и солнечные приливы? Решение этих вопросов требует накопления большого экспериментального материала, а также более точного и детального изучения строения верхней атмосферы.

Наиболее перспективным методом дальнейшего изучения верхних слоев атмосферы является радиолокация при наличии некоторых опорных данных, получаемых по метеорным фотографиям.

Английский исследователь метеоров Т. Кайзер опубликовал в 1953 г. работу, в которой показал богатые возможности радиолокационных наблюдений метеоров для изучения физических свойств верхней атмосферы. При помощи наблюдений метеоров с радиолокатором можно определить зависимость высот появления метеорных следов от геоцентрической скорости метеоров. Такая зависимость позволяет найти плотность и давление атмосферы в метеорной зоне.

Средняя высота метеоров (H), наблюдаемая при помощи радиолокатора, зависит от их геоцентрической скорости (V) следующим образом:

Определённое по этим данным атмосферное давление оказывается равным 0,0007 мм ртутного столба на высоте 97 км. Температура, вычисленная в предположении, что молекулярный состав атмосферы в метеорной зоне тот же, что и на уровне моря, повышается от -75њ Ц на высоте 88 км до -30њ Ц на высоте 100 км. Атмосферная плотность падает от 10^-8 г/см³ на высоте 87 км до 10^-9 г/см³ на высоте 101 км. Сравнение величин логарифма плотности атмосферы, полученных в результате радиолокационного и фотографического изучения метеоров, а также на основании непосредственных измерений во время полётов ракет, дано в следующей табличке:

Значения плотности воздуха, полученные из наблюдений с радиолокатором, близко сходятся с непосредственными ракетными измерениями. Неоспоримым преимуществом радиолокационного метода изучения верхних слоев атмосферы по метеорным данным является быстрота, с какой они могут быть получены, не говоря уже о возможности наблюдений днём и в ненастную погоду. Для получения 200-300 наблюдений высоты и скорости метеоров, необходимых для надёжного вычисления давлений, требуется всего около 10 дней непрерывной работы радиолокатора, в то время как фотографический метод требует значительно большей затраты времени и труда, а запуск стратосферной ракеты - весьма сложное и дорогостоящее дело.

Рис. 15. Воздушные течения в верхней атмосфере в северном полушарии Земли (умеренный пояс): 1 - по дневным следам метеоров; 2 - по серебристым облакам; 5 - по ночным светящимся следам метеоров (1 и 2 - ниже 82 км, 3 - выше 82 км).

Следующая проблема - определение скорости и направления воздушных течений, т.е. ветров, дующих в стратосфере на большой высоте. Направление и скорость стратосферных ветров успешно определяются из наблюдений дрейфа метеорных следов, которые подобно поплавкам уносятся воздушными течениями. Из статистических данных о дрейфе следов, собранных автором, видно, что на высотах ниже 82-83 км преобладают движения на восток, а выше - на запад со скоростью порядка 50 м/сек (рис. 15). Аналогичные данные были получены в Ашхабаде И.С. Астаповичем, который обнаружил ещё в 1944 г. изменение направления ветра на высотах более 80 км в течение суток вслед за Солнцем, по направлению часовой стрелки.

Радиолокационные наблюдения дрейфа метеорных следов были выполнены осенью 1953 г. в Джодрелл Бэнк Гринхоу на волне около 8 м. Такая установка позволяла получать в течение суток свыше 3000 пригодных для обработки наблюдений радиоэха. Скорость ветра, в отличном согласии с советскими визуальными определениями, оказалась в основном в пределах 10-50 м/сек. Был отмечен и поворот ветра вслед за Солнцем по часовой стрелке как с полусуточным, так и с суточным периодом, ранее открытый в СССР на основании визуальных наблюдений.

Специальными наблюдениями было показано, что с точностью до нескольких градусов ветры в верхних слоях атмосферы дуют горизонтально, и вертикальными токами воздуха можно пренебречь. Наблюдения метеорных следов на разных высотах показали изменение направления и скорости ветра с высотой. Скорость воздушных течений увеличивается приблизительно на 2,7 м/сек на каждый километр подъёма. На высоте 75 км средняя скорость стратосферного ветра составляет 10 м/сек, а на высоте около 100 км - уже 60 м/сек. Отмечены также значительные колебания в направлении и интенсивности ветра, что говорит о сложном и неравномерном течении воздуха на больших высотах. Всё это свидетельствует о мощной и сложной циркуляции земной атмосферы во всей её толще. Предстоит ещё большая работа по изучению этой циркуляции метеорными методами во многих пунктах Земли.

В настоящее время в верхние слои атмосферы стали посылаться ракеты и управляемые снаряды; в ближайшие годы эти слои станут повседневной дорогой для ракетных пассажирских кораблей. Между тем, метеоры представляют известную опасность для ракетных кораблей, ибо даже небольшие метеоры-крупинки способны пробить оболочку ракетного корабля или причинить ему тяжёлые повреждения. Вероятность встречи ракетного корабля со случайным метеором тем больше, чем меньше размеры метеорного тела, ибо число маленьких метеорных тел во много раз превосходит число крупных объектов.

Ниже показаны вероятная частота встречи ракетного корабля, имеющего площадь около 100 кв.м, с метеорными телами различной массы и толщина стальной брони, необходимая для защиты корабля от удара этих метеорных тел:

Для защиты ракетных кораблей от метеорных ударов их будут, вероятно, покрывать специальной бронёй. А в дни крупных метеорных потоков для безопасности будущих ракетных сообщений придётся временно прекращать полёты, как это теперь иногда практикуется для самолётов при неблагоприятной метеорологической обстановке в тропосфере. Не исключена возможность также изобретения в будущем иных способов защиты ракетных кораблей от встречи с крупными метеорными телами.