Самая сильная ионизация для данного места Земли наступает в местный полдень, когда Солнце оказывается в наивысшем положении над горизонтом. Наоборот, ночью, когда атмосфера погружается в земную тень, идет интенсивный процесс рекомбинации — свободные электроны соединяются с ионами и тем самым количество нейтральных атомов непрерывно растет.
Можно подумать, что по ночам ионосфера, по крайней мере над данным местом Земли, полностью исчезает. Но это не так. Вероятность того, что электрон найдет себе подходящий для воссоединения ион, не очень велика — слишком разрежена атмосфера на больших высотах.
Поэтому и ночью ионосфера продолжает существовать, хотя по сравнению с днем количество ионов и электронов, ее составляющих, уменьшается.
Такова картина в целом. Если же говорить о деталях, то прежде всего заметим, что в ионосфере различают три главных слоя. Самый нижний из них обозначается буквой D. Его нижняя граница на высоте около 70 км соприкасается со сравнительно плотными слоями воздуха. Здесь по ночам рекомбинация идет так бурно, что к полуночи этот слой полностью исчезает. Однако на следующее утро первые лучи восходящего Солнца снова начинают ионизировать атмосферу, п примерно к полудню слой D оказывается полностью восстановленным.
В отличие от слоя D, слой F существует постоянно, хотя ночью число ионов и свободных электронов в нем уменьшается. Есть еще слой Е, образующийся на высоте примерно 100 км в результате интенсивно идущей здесь ионизации кислорода. И все-таки разделение ионосферы на слоя условно. Между этими слоями нет резких границ, и вся ионосфера представляет собой разреженную плазму, то есть в целом электрически нейтральную смесь ионов и электронов.
Для радиоволн ионосфера выполняет роль зеркала. Не будь ионосферы, радиосвязь была бы возможна лишь на близких расстояниях, в зоне прямой взаимной видимости антенн радиостанций. Сквозь Землю радиоволны распространяться не могут, и все радиостанции, скрытые от нас выпуклой земной поверхностью, были бы для приема недоступны.
На самом деле радиоволны, посланные во все стороны из передатчика, отражаются от ионосферы и благодаря этому могут попасть в весьма удаленные районы Земли.
Правда, ионосфера отражает не все радиоволны, а лишь те, длина волны которых больше 10–20 м. Более короткие волны она беспрепятственно пропускает в мировое пространство. Однако и для слишком длинных радиоволн ионосфера проявляет себя как плохое зеркало. Такие радиоволны сильно поглощаются в слое D, и отраженный радиолуч оказывается слишком слабым.
Можно уподобить ионосферу некоему ситу. Длинные радиоволны отражаются переплетом сита, короткие попросту проскальзывают в его отверстия.
Между прочим, эта аналогия не так груба, какой может поначалу показаться. В современных радиотелескопах используют два типа зеркал, которые концентрируют космические радиоволны на приемной антенне (облучателе).
Для коротких радиоволн пригодны лишь сплошные металлические отражатели. Наоборот, для сравнительно длинных радиоволн годятся металлические сетчатые зеркала, от которых длинные радиоволны отражаются не хуже, чем от сплошного отражателя.
Размеры ячеек в ионосферном «сите» не остаются постоянными. Чем сильнее ионизирует Солнце земную атмосферу, тем плотнее становится ионосферное «зеркало», тем меньше ячейки этого сита. Отсюда нетрудно сделать вывод, что слышимость радиопередач на большие расстояния должна зависеть от состояния солнечной активности.
Впервые связь между Солнцем и радиопомехами была заподозрена в 1927 году. Теперь общепризнано, что помехи в радиопередачах на большие дистанции (так называемые феддинги) вызваны нашим дневным светилом.
Представьте себе, что на Солнце возникла вспышка.
Через восемь с половиной минут рентгеновские кванты, выброшенные вспышкой, долетят до Земли. Резко (примерно в 5—10 раз) возрастет ионизация слоя D и уменьшится его высота. Этот слой начнет сильно поглощать сравнительно короткие радиоволны (с длиной волны примерно от 20 до 200 м) и отражать длинные, километровые, радиоволны. Значит, слышимость на коротких волнах ухудшится, а на длинных, наоборот, возрастет.
Все эти нарушения радиосвязи длятся, как правило, примерно 15–20 мин. Но когда Солнце весьма активно, феддинги могут повторяться по нескольку раз в день.
Иногда даже наступают «ионосферные бури», длящиеся несколько дней.
На заре радиотехники не знали истинной причины всех этих радиопомех и приписывали их повреждениям приемников. Теперь нет сомнений, что частота феддингов служит надежной мерой солнечной активности.
Мы часто ругаем синоптиков. И в самом деле обидно: поверишь сводке, обещающей отличную погоду, поедешь за город, а там тебя встретит проливной дождь. А ведь бывают ошибки и покрупнее — прогнозы на месяцы или сезоны оправдываются с точностью, как говорят, до «наоборот». И мы снова сетуем на несовершенство метеорологии и никак не можем понять, что случилось с погодой, почему она так коварно нарушила прогнозы синоптиков.
Было бы очень здорово, если бы синоптики предсказывали грядущие события столь же удачно, как, например, астрономы. За многие годы, а то и десятилетия, заранее рассчитано, где и когда произойдут полные солнечные затмения. Прогнозы даются с точностью до долей секунды.
И ни у кого не возникает сомнений, что эти астрономические предсказания сбудутся поистине с астрономическом точностью. А вот у синоптиков так не получается.
Причина — огромная сложность метеорологических явлений.
Когда астроном предсказывает затмение, он, в сущности, использует один закон природы — закон всемирного тяготения. Быть или не быть затмению в данном месте Земли зависит только от игры гравитационных сил. Другие силы (например, электромагнитные) астроном может не учитывать. Совсем иная ситуация складывается у синоптиков.
Представьте себе, что Земля не вращается. В этом случае циркуляция воздушных масс (а от нее, в частности, зависит погода) получилась бы очень простой. В горячих экваториальных зонах нагретый и потому уменьшившийся в плотности воздух поднимается вверх. Разность давлений у полюса и экватора заставит эти воздушные массы устремиться к полюсу. Здесь, охладившись, они опускаются, чтобы затем снова переместиться к экватору. И так продолжалось бы неопределенно долго, если бы наше фантастическое предположение о неподвижности Земли соответствовало действительности.
На самом деле осевое вращение земного шара и его обращение вокруг Солнца весьма усложняет только что нарисованную идеальную картину. Прежде всего, спускаясь от полюса к экватору, воздушные массы должны вместе с точками земной поверхности приобретать все большую и большую линейную скорость. Но инерция препятствует этому. Возникают так называемые силы Кориолиса, заставляющие реки, текущие в меридиональном направлении, размывать один из своих берегов. В итоге воздушные массы будут циркулировать от полюса к экватору и обратно по спиралям.
Но и эта упрощенная схема, увы, далека от действительности. Метеорологи подсчитали, что в те периоды, когда воздух у экватора нагревается особенно сильно, возникает волновая циркуляция воздушных масс.
Спиралеобразное движение сочетается с волновым, и потому направление ветров постоянно меняется. Неравномерный нагрев различных участков земной поверхности и другие причины усложняют и эту непростую картину. Словом, предсказывать погоду очень трудно.
Но все-таки интересно, есть ли какая-нибудь периодичность в, казалось бы, беспорядочной смене погоды? А если есть, то не замешано ли в этом Солнце?
На высоте 30–40 км в земной атмосфере находится слой озона — газа, каждая молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Озоновая прослойка спасает нас от губительного действия коротковолновых солнечных лучей: озон поглощает все лучи с длиной волны меньше 290 миллимикрон. Но, поглощая радиацию Солнца, озоновый слой нагревается. Когда Солнце активно, нагрев сильнее, в периоды его спокойствия нагрев меньше. Можно думать, что эти колебания температуры передаются нижним слоям воздуха, а значит, они должны влиять на погоду.