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.