Причина крушения AIRBUS A321 рейса 7К9268 «Когалымавиа»: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, магнитная стрелка указывает направление север–юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется вектором напряженности Т, совпадающим с касательной к магнитной силовой линии в сторону северного магнитного полюса. Величина вектора напряженности магнитного поля Земли составляет 0,4–0,6 эрстеда. Для его измерения применяется особая единица, которая называется гаммой: одна гамма = 1 эрстеда /100 000; 1 эрстед есть сила притяжения или отталкивания, равная 1 дине.

Магнитное поле Земли в данной географической точке полностью характеризуют склонение, наклонение и числовое значение горизонтальной составляющей. Эти три величины называются элементами земного магнитного поля. Склонение дает ту поправку к показаниям компаса, которую необходимо внести, чтобы найти истинное направление север–юг. Более 50 специальных магнитных обсерваторий, расположенные в различных пунктах планеты, систематически ведут магнитные наблюдения. Они показывают, что в настоящее время элементы земного магнетизма изменяются от точки к точке земного шара и определяются широтой и долготой данного пункта. На поверхности земного шара существуют пункты, величина склонения в которых равна 0°. Соединяя эти пункты линиями, получают одну замкнутую кривую, проходящую через оба магнитных полюса. Эта линия нулевого склонения носит название агонической линии. Агоническая линия Земли имеет неправильную форму и делит земную поверхность на две не вполне равные области восточного и западного склонения. Область западного склонения включает в себя Атлантический океан, Западную Европу, Индийский океан и Африку, а также восточные части Северной и Южной Америки. Область восточного склонения заключает в себя западные части Северной и Южной Америки, Тихий океан, Австралию, большую часть Восточной Европы и почти всю Азию, кроме небольшой области. В Восточной Сибири – аномалия, агоническая линия делает петлю внутри которой склонение западное. Причины аномалий не до конца выяснены.

Сила магнитного поля Земли характеризуется вектором напряженности Т, который в любой точке земного магнитного поля направлен по касательной к силовой линии. Для определения элементов земного магнетизма в некоторой точке "О" земной поверхности вектор Т раскладывается на составляющие в прямоугольной системе координат: ось OZ направлена по местной вертикали вниз, ось OY – на восток, ось ОХ направлена по касательной к истинному меридиану на север.

Проекция вектора Т на горизонтальную плоскость XOY дает горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли (Н), а на вертикальную плоскость – вертикальную составляющую (Z). Направление, совпадающее с вектором Н, называется магнитным меридианом, а вертикальная плоскость (Q) – плоскостью магнитного меридиана. Магнитное склонение отсчитывается от истинного меридиана и измеряется от 0° до 180° по ходу часовой стрелки со знаком "+", против часовой стрелки – со знаком "–". В различных точках Земли магнитное склонение неодинаково как по величине, так и по знаку. Угол между вектором Н и вектором напряженности Т называется магнитным наклонением (I). Угол I изменяется от магнитного экватора к магнитным полюсам в пределах от 0° до +90°. В Северном полушарии I > 0, в южном I < 0.

Горизонтальная и вертикальная составляющие рассчитываются по формулам:

Н = Тcos I,

Z = Тsin I.

На ЛА используют горизонтальную составляющую напряженности (Н) магнитного поля Земли для моделирования опорного направления. Величина горизонтальной составляющей влияет на устойчивость работы магнитного компаса (МК). Наиболее устойчиво МК работают в районе магнитного экватора и в средних широтах, где Н имеет наибольшее значение. В высоких магнитных широтах и районах магнитных полюсов Н минимальна, что приводит к значительным ошибкам в измерении курса по магнитному компасу или исключает возможность его использования.

6.3. Свойства атмосферы

Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается приблизительно на 3000 км в космическое пространство. С высотой у атмосферы меняются: давление, плотность, температура и другие физические свойства. Атмосфера содержит следующий химический состав (по объему): азот – 78,09%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03%. На долю остальных газов приходятся тысячные доли процента и меньше. Химический состав воздуха до высоты 100 км существенно не меняется. Слои атмосферы, расположенные несколько выше, также состоит главным образом из азота и кислорода. На высотах 100–110 км, под действием ультрафиолетовой излучения Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. Выше 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400–500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.

В результате температурных изменений атмосфера Земли на разных высотах имеет слоистую структуру. По температурным и физическим условиям ее делят на пять слоев. Вверх от поверхности Земли расположены: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Основная масса атмосферы размещается в нижних слоях, прилегающих к поверхности земли. Быстрое уменьшение массы воздуха происходит на высоте выше 30 км. В слое между уровнем моря и высотами 5–6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0–16 км – 90%, в слое 0-30 км – 99%. Вес воздуха у поверхности земли равен 1033 г/м³, на высоте 20 км он равен 43 г/м³, а на высоте 40 км лишь 4 г/м³. Высота слоя зависит от географической широты и времени года. Между слоями нет резких границ, некоторые из них частично перекрываются.

Тропосфера – нижний слой атмосферы Земли до высоты 10–15 км. Содержит около 80% массы всей атмосферы, взвешенную в атмосфере пыль и почти вся воду. Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов и достигает 16–18 км. Слой тропосферы не подвержен суточным и сезонным изменениям в экваториальной и тропической зоне. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит на уровне 8–10 км. В средних широтах она колеблется от 8 до 16 км.

Переходный слой между тропосферой и вышележащей сферой (толщиной 1–2 км) носит название тропопаузы. Выше нее от высот 8–17 до 50–55 км простирается стратосфера. Начиная с высоты около 25 км, температура с высотой растет, достигая на высоте ~ 50 км (у границ слоя) максимальных положительных значений (+30 °С). Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием озона. Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. В процессе диссоциации молекулярного кислорода, ультрафиолетовое излучение поглощается. В слое возникают реакции, приводящие к образованию молекул озона (О₃) О₂ + О → О₃. Слой озона занимает часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических и умеренных широтах), в полярных – 15–20 км. Наличие в атмосфере озона меняет ее свойства. Излучение с длиной волны короче 290 нм полностью поглощается слоем озона, находящимся на высотах от 18 до 50 км (максимум плотности на высоте около 25 км). Общая толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям (т. е. к давлению 760 мм ртутного столба и температуре 0 °С), составляет около 3 мм. Озон защищает живую природу от действия ультрафиолетовых и других коротковолновых излучений, играет большую роль в создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере. Температура воздуха в высоких широтах, в слое 10–40 км, зимой и летом резко различается. Зимой она опускается до –60 °С, –75 °С. Летом, вблизи тропопаузы, температура увеличивается до –45 °С. Выше тропопаузы температура растет. На высоте 30–35 км достигает –20 °С, что обусловлено прогреванием воздуха от слоя озона. В стратосфере не происходит процессов образования облаков, не выпадают осадки. Здесь очень мало водяного пара. Ранее считали: газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Предполагали, что при равенстве поглощенной и отраженной солнечной радиации, образуется равновесие температур в стратосфере и перемешивания воздуха не происходит. Данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали: температура изменяется в больших пределах, происходят интенсивная циркуляция воздуха ветром.

Над различными частями Земли количество озона неодинаково. В 1984 г. в слое над Антарктидой спектроскопическими методами была обнаружена «озоновая дыра» [46]. Спутниковые измерения позволили "оконтурить" озоновую дыру и следить за ее развитием. Измерения носили эпизодический характер, делались и делаются спектроскопическими методами. Депрессия озона, или озоновая «дыра», развивается в Антарктике ежегодно в весенний период. Разрушение озона в области, ограниченной стратосферным полярным вихрем, демонстрирует значительные межгодовые флуктуации, интенсивность которых сравнима с величиной многолетнего отрицательного тренда содержания озона, наблюдающегося с начала 80-х годов прошлого века [47].

В январе, мае, июле и сентябре 2019 года отмечались существенные отдельные отклонения ежедневных значений ОСО от нормы. Все аномалии, зарегистрированные на территории России и прилегающих территориях, были положительными. Средние значения ОСО над большей частью территории России в I квартале 2020 г. были ниже средних значений за период 1974–1984 гг. Над островами и побережьем Северного Ледовитого океана, в Центральной и Восточной Сибири снижение достигало 25–28%. Межгодовые флуктуации озона, по мнению ученых, вызваны причинами динамического характера. Это не позволяют однозначно определить многолетний тренд общего содержания озона.

Над стратосферой, примерно до высоты 80 км, лежит слой мезосферы. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50-55 км. Выше этого слоя температура понижается и у верхней границы мезосферы достигает –90 °С. Понижение температуры в мезосфере с высотой на различных широтах и в течение года происходит неодинаково. Снижение температуры происходит с большей скоростью в высоких широтах, медленней – в низких широтах. Средний вертикальный градиент температуры для мезосферы равен 0,23–0,31 °С на 100 м. Температура в мезосфере опускается до –138 °С. В верхней мезосфере (в слое мезопаузы) понижение температуры с высотой прекращается. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой [48].

Атмосфера, лежащая выше 80 км, состоит главным образом из азота и кислорода. Выше мезосферы, на высоте от 80 до 800 км над поверхностью Земли, расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220–240 °С, а на уровне 200 км более 500 °С. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500–600 км превышает 1500 °С. Предполагают, что газы, составляющие атмосферу выше 400–500 км, находятся в атомарном состоянии. Наблюдениями с помощью искусственных спутников Земли, было установлено: в течение суток температура в верхней термосфере значительно колеблется и достигает около 2000 °С. Температура газа – мера средней скорости движения молекул. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, очень редки. Чем вызван подъем температуры в высоких слоях атмосферы, ученые не знают. На высотах выше 110–120 км кислород почти весь становится атомарным. В сумерки, или перед восходом солнца, при ясной погоде, здесь наблюдаются тонкие облака серебристо-синего цвета, уходящие за горизонт. Природа серебристых облаков изучена слабо.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Воздух на высоте 300–400 км и выше – разреженный, в течение суток его плотность сильно изменяется. Исследования показывают, что изменение плотности согласуется с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха – около полудня, наименьшая – ночью. Объясняют тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. Экзосфера (сфера рассеяния) – самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. Частицы в экзосфере, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

6.4. Ионосферные слои в атмосфере планеты

К ионосфере относится область атмосферы выше 50 км, содержащая заряженные частицы. Особенностью атмосферы выше 60-80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования большого количества электрически заряженных частиц – ионов. Положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Менее всего изучены высокие слои атмосферы. Современное понимание атмосферного электричества в начале XX века в физику внес Вильсон (C.T.R. Wilson). Он обнаружил наличие ионов в атмосфере и показал, что Земля заряжена отрицательно, а космические лучи вызывают разрядку планеты. Ранее предполагали, что верхняя граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Представление ученых о ионосфере Земли изменилось, после запуска искусственных спутников на орбиту. Результаты исследований показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На основе торможения искусственных спутников Земли было установлено, что на высотах 700–800 км в 1 см³ содержится до 160 тысяч положительных ионов атомного кислорода и азота.

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций. Применение ракет, а позже спутников, позволило непосредственно измерить ионный состав и другие физические характеристики ионосферы на всех высотах. Установлено, что концентрация электронов nе в слоях распределена по высоте неравномерно: имеются области, где она достигает максимума. Таких слоев, расположенных на разных высотах, в ионосфере несколько, они не имеют резко выраженных границ. На высоте 60–470 км имеется сплошной массив ионизованного газа с отдельными неоднородностями. Ранее предполагалось, что в ионосфере имеются четыре основных ионизованных слоя: слой D (на высоте 50 км), на высотах 110–120 км находится слой Е ~ 100 км, слой F₁ (120–200 км) и слой F₂ (250–400 км). Средняя концентрация ионизованных частиц (электронов/см³): слой D – имеет концентрацию 10⁴, слой Е – 10⁵, слой F₁ – 5·10⁵, слой F₂ – 10⁶ [49]. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии № 857-ст введен в действие с 1 января 2020 г. межгосударственный стандарт «Ионосфера Земли» в качестве национального стандарта Российской Федерации [50]. Стандарт уточнил местоположение слоев.

Область F: часть ионосферы, расположенная над поверхностью Земли на высоте более 140 км.

Область Е: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 90 и 140 км над поверхностью Земли.

Область D: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 50 и 90 км над поверхностью Земли.

Слой F₂: верхний из двух ионизированных слоев, на которые может распадаться область F.

Слой F₁: нижний ионизированный слой из двух слоев, на которые может распадаться область F.

Слой E_S (спорадический): узкий, нерегулярно образующийся слой на высотах области Е.

Максимуму ионизации соответствует верхний слой (F₂). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений и достигает 1000 °С на высоте ~ 800 км. Электропроводность атмосферы зависит от степени ионизации газов. Проводимость ионосферы в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности. В ионосфере различают две части: простирающуюся от мезосферы до высот порядка 1000 км и лежащую над нею внешнюю часть. На высоте около 2000-3000 км газы, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство.

7. Электрические свойства горных пород

Твердую оболочку Земли (земную кору) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора больше чем на 98% сложена из элементов О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. При этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий. В его центре находится ион кремния Si⁺⁴ , а в вершинах – ионы кислорода О^–2, которые создают четырехвалентный радикал [SiO₄]^–4. Частичная замена ионов кремния на трехвалентные ионы алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. В земной коре минералы находятся, преимущественно, в кристаллическом состоянии, а незначительная часть – в аморфном [51].