До последнего времени атмосфера была исследована более или менее подробно до высоты 100 километров. Наиболее полные сведения были получены для нижнего слоя атмосферы — тропосферы, в которой, как уже говорилось, происходят все те явления, которые обусловливают погоду. Однако развитие высотной авиации и стремление человечества проникнуть в межпланетное пространство потребовали более тщательного исследования верхних слоев атмосферы. Этого же требовало изучение распространения радиоволн в верхней атмосфере.

Инструментальные исследования атмосферы на больших высотах стали возможны при помощи ракет и искусственных спутников Земли. Ведущую роль в этих исследованиях занимает советская наука.

Особенно большое развитие такие исследования получили в связи с работами по программе Международного геофизического года.

В соответствии с этой программой в нашей стране запущено большое количество ракет с метеорологическими (геофизическими) приборами. Советские ученые производят исследования атмосферы при помощи ракет в Арктике, в Европейской части СССР и в Антарктике.

4 октября 1957 года Советский Союз открыл эпоху завоевания космоса, успешно запустив первый в мире искусственный спутник Земли. Через месяц, 3 ноября 1957 года, у нас был запущен второй искусственный спутник Земли. Этот спутник, весом 508,3 килограмма, имел помимо научной аппаратуры на своем борту подопытное животное — собаку «Лайка». Наконец, 15 мая 1958 года советские ученые произвели запуск третьего искусственного спутника Земли, весом в 1327 килограммов— подлинную летающую научную лабораторию.

Кроме искусственных спутников Земли, в СССР в 1959 году были успешно запущены три мощные ракеты в сторону Луны. Первая из этих ракет, стартовавшая 2 января 1959 года, вышла из сферы земного притяжения, прошла на расстоянии около 5000 километров от Луны и превратилась в первую искусственную планету солнечной системы. Помимо исследования непосредственно межпланетного пространства, эта ракета позволила получить и ряд дополнительных сведений об атмосфере Земли.

Вторая ракета, запущенная в СССР в сторону Луны 12 сентября 1959 года, достигла Луны в 0 часов 02 минуты 24 секунды 14 сентября. Последняя ее ступень имела вес 1511 килограммов (без топлива). Она несла на себе контейнер с научной и радиотехнической аппаратурой. Подлинным триумфом советской науки и техники явилась исключительная точность выведения ракеты на орбиту, необходимую для попадания в Луну!

Вся научная аппаратура и средства радиосвязи во время полета ракеты действовали безукоризненно. Работа радиосредств, установленных в контейнере с научной и измерительной аппаратурой, прекратилась только в момент встречи с Луной.

Ровно через два года после запуска первого советского искусственного спутника Земли, 4 октября 1959 года, стартовала третья советская космическая ракета, на борту которой была установлена автоматическая межпланетная станция. Эта станция совершила облет Луны и выполнила обширную программу научных наблюдений, включая фотографирование невидимой с Земли стороны Луны.

Основными вопросами исследований атмосферы при помощи ракет и спутников являются: определение температуры, давления и химического состава атмосферы на различных высотах, изучение свойств ионосферы (концентрации ионов и электронов и др.)» исследование космических лучей, изучение коротковолновой ультрафиолетовой части спектра, изучение микрометеоритов, исследование земного магнитного поля.

Полеты советских ракет и искусственных спутников Земли уже дали нам весьма ценные данные о строении атмосферы и процессах, в ней совершающихся. Пока еще не все материалы наблюдений обработаны и опубликованы. Но уже то, что опубликовано, заставляет сейчас пересмотреть многие представления о состоянии атмосферы на больших высотах.

Искусственные спутники Земли позволили достаточно точно определить величины плотности атмосферы до высоты 600—800 километров. Изучение плотности при этом шло различными путями. На третьем спутнике, например, были впервые установлены специального типа манометры, с помощью которых была измерена плотность в области высот 225—500 километров. Были использованы наблюдения за расплыванием облака паров натрия, образованного на высоте 430 километров при полете высотной ракеты. По этим наблюдениям была рассчитана плотность атмосферы на указанной высоте.

Исследованиями установлено, что плотность атмосферы на больших высотах убывает с высотой значительно медленнее, чем на более низких высотах. Кроме того, плотность на освещенной стороне Земли существенно больше, чем на затемненной, ночной, и достигает наибольшего значения в полуденное время. Оказалось также, что над полярными районами атмосфера плотнее, чем над экваториальными.

По торможению спутников в полете были получены некоторые данные о температуре верхней атмосферы. На высотах 228 и 368 километров температура изменяется в пределах 800—1500 градусов.

При полете третьего советского искусственного спутника Земли установленные на его поверхности кремниевые электрические батареи изменяли свою температуру в пределах от + 16 до +30 градусов.

С помощью специальных физических приборов — масс-спектрометров, установленных на третьем спутнике, были получены данные о химическом составе ионосферы на высотах 226—1000 километров. Эти данные свидетельствуют о том, что от высоты 226 километров до высоты по крайней мере 800 километров основным газом, ионизованные частицы которого образуют ионосферу, является атомарный кислород. Что касается атомарного азота, то оказалось, что его относительное содержание по отношению к атомарному кислороду меняется от 1 до 10 процентов в зависимости от высоты и географической широты; оно изменяется также по времени.

Важные данные были получены и в отношении концентрации заряженных частиц в ионосфере. Установлено, что на высоте 2000—3000 километров в каждом кубическом сантиметре пространства содержится по несколько сотен электронов. Значит, атмосфера Земли простирается до 2000—3000 километров, а не на 1000 километров, как это предполагалось ранее.

Измерения на ракетах и спутниках позволили обнаружить в верхних слоях атмосферы множество заряженных частиц — протонов и электронов — с самыми различными скоростями движения. Эта «лавина» протонов и электронов сильно ионизует верхние слои атмосферы, что и обусловливает их значительное нагревание.

Сталкиваясь с атомами и молекулами, быстрые электроны создают рентгеновские лучи. Это открытие поставило вопрос о серьезном препятствии на пути человека в межпланетное пространство, так как сильное рентгеновское излучение способно вызывать лучевую болезнь. В результате возникает необходимость как применения специальных мер защиты будущих астронавтов от влияния вредного излучения, так и тщательного выбора траекторий ракет с астронавтами, с таким расчетом, чтобы пребывание ракеты внутри особо опасных зон не было длительным.

Рассказанным далеко не исчерпывается все богатство данных о верхних слоях атмосферы, полученных и получаемых при помощи ракет и искусственных спутников Земли.