Влияние заряженных частиц на атмосферу лучше всего прослеживается на фоне ослабленного действия волнового излучения Солнца. Наиболее четко такие условия реализуются в высоких широтах в полярную ночь, когда атмосфера затенена от солнечного излучения. Поэтому связь между корпускулярным излучением Солнца, погодой и климатом особенно заметно проявляется в высоких широтах в условиях местной зимы. Но это не значит, что эта связь характерна только для высоких широт: она охватывает всю планету, а высокие широты служат тем окном, через которое энергия солнечного корпускулярного излучения поступает в атмосферу и затем, распределяясь в различных направлениях, достигает ее погодного слоя.

Чтобы проникнуть в атмосферу и стратосферу, заряженные частицы должны обладать достаточной для этого энергией. Чем меньше высота атмосферы, тем плотнее атмосферный газ и больше нейтральных частиц, которые встречает на своем пути заряженная частица. При каждом столкновении с ними заряженная частица теряет часть своей энергии, которая идет на ионизацию атомов и молекул атмосферных газов, на нагрев атмосферы, на диссоциацию молекул, на возбуждение атомов, молекул и ионов. Растратив всю свою энергию, высокоэнергичная частица становится низкоэнергичной (тепловой). Это значит, что ее скорость сравнялась со скоростью всех других окружающих ее частиц, совершающих тепловые движения. Но теперь уже заряженной частице не хватает энергии для продолжения ионизации и поступательного движения в более глубокие слои атмосферы. Исходя из этого можно достаточно уверенно указать тот уровень в атмосфере, до которого способна проникнуть заряженная частица с данной массой и данной энергией.

В мезосферу и стратосферу могут проникнуть только заряженные частицы с энергиями больше определенного значения. Такими частицами являются галактические космические лучи. Скорость этих частиц, представляющих собой ядра легких химических элементов, и прежде всего водорода, достаточно и для того, чтобы попасть не только в стратосферу, но и в тропосферу. Именно галактические космические лучи производят ионизацию атмосферных газов на высотах от 5 до 30 км. Интенсивность этих частиц, как уже говорилось, косвенно связана с солнечной активностью: чем она выше, тем меньше галактических космических лучей, достигающих атмосферы.

Выше говорилось о космических лучах, которые нерегулярно исходят из активных областей Солнца и связаны с его хромосферными вспышками. Эти лучи состоят преимущественно из протонов, поэтому вспышки, которые сопровождаются их выбросом, называются протонными вспышками. Солнечные космические лучи, приходящие в атмосферу высоких широт после протонных вспышек, способны увеличить концентрацию ионов в стратосфере в десять и более раз.

Кроме галактических и солнечных космических лучей в среднюю атмосферу проникают и высокоэнергичные (релятивистские) электроны из радиационного пояса Земли, а также электроны из более далеких областей магнитосферы. Электроны вторгаются в атмосферу значительно чаще, чем протоны. Взаимодействуя с плотной атмосферой, они порождают рентгеновские лучи, способные прорываться в нее глубже, чем сами электроны. При торможении электронов атмосферой возникает тормозное рентгеновское излучение, увеличивающее количество озона на высоте примерно 50 км. В свою очередь высокоэнергичные протоны уменьшают его содержание на высотах ниже 60 км. Все это вызывает изменение нагрева стратосферы, а значит, и погоды — ведь нарушается картина циркуляции атмосферы.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом ведутся широкие исследования явлений, возникающих в высоких широтах и связанных с вторжением заряженных частиц и изменением количества озона в мезосфере и стратосфере. При этом используется целый арсенал экспериментальных средств, включая ИСЗ, исследовательские ракеты, самолетные лаборатории и наземные измерительные комплексы.

В программу этих исследований входят и наблюдения за высотным распределением концентрации озона. Высотный профиль озона определяется посредством измерения рассеянного атмосферой ультрафиолетового излучения Солнца. А так как излучение с разными длинами волн поглощается на разных высотах, то его замеры с помощью сканирования спектрометрами ведут на нескольких, например, двенадцати, длинах волн.

Один из таких экспериментов по измерению полного содержания озона в столбе атмосферы единичного сечения (1 см²) был проведен американскими учеными с помощью спутника «Нимбус-IV» в июле-августе 1972 года. 4 августа 1972 года в атмосферу высоких широт произошло вторжение высокоэнергичных протонов, вызвавшее там уменьшение количества озона на 20 %. Пониженная концентрация озона сохранялась в высоких широтах свыше трех недель. В атмосфере средних широт процент озона также заметно упал. Спустя двое суток содержание озона после резкого, но кратковременного снижения восстанавливалось до невозмущенной величины и затем в течение недели вновь постепенно падало. В это время над тропиками изменений в содержании озона не наблюдалось.

Все эти результаты относятся к летним условиям. Аналогичные измерения были тогда же проведены в южном полушарии, где была зима. Оказалось, что в момент вторжения высокоэнергичных протонов в высокие широты этого полушария количество озона снижалось еще более значительно.

Данные о высокоширотном содержании озона, полученные спутником «Нимбус-IV», потребовали дополнения сведениями об изменении других физических величин, например энергии, поступающей в стратосферу в результате вторжения заряженных частиц. Новые сведения могли дать только одновременные наблюдения с помощью ракет, спутников и приборов, установленных на Земле.

На Аляске была осуществлена большая серия измерений с запуском большого количества ракет и аэростатов и использованием всевозможных наземных приборов. Так, специальная аппаратура, установленная на больших аэростатах, фиксировала рентгеновское тормозное излучение и интенсивность космических лучей на расстоянии примерно 40 км от поверхности Земли. На этих же высотах измерялась величина проводимости атмосферы. О высотном распределении озона информировали приборы на шарах-зондах. С помощью мощного радиолокатора измерялись параметры ионосферы и вторгающихся потоков заряженных частиц. Одновременно замерялись температура, плотность и скорость движения атмосферы (ветер), определялись параметры атмосферы, ионосферы и магнитного поля, а также полярных сияний.

В проведении этих сложных экспериментов участвовали представители более десяти крупных научно-исследовательских организаций. Исследования подтвердили необходимость комплексного подхода к изучению влияния солнечного корпускулярного излучения на характер атмосферных процессов. Было установлено, что количество озона, увеличивающееся в высоких широтах (на высотах свыше 50 км) после захода солнца, в отсутствие высыпания заряженных частиц, уменьшается на 25 % с вторжением в атмосферу этих широт высокоэнергичных электронов и приблизительно соответствует дневной норме. Эксперименты показали влияние заряженных частиц на электрические свойства атмосферы. Оказалось, что ионы в атмосфере (ниже 50 км) образуются под действием рентгеновских лучей и энергичных электронов, причем увеличение их количества ведет к росту электропроводности. Электрические параметры атмосферы изменяются очень быстро и по-разному в разных точках пространства. Это отражает неоднородность потоков заряженных частиц и временную зависимость их характеристик.

Итак, заряженные солнечные частицы, вторгаясь в атмосферу высоких широт, значительно уменьшают там количество озона. Это в свою очередь вызывает изменение теплового баланса и динамического режима атмосферы, которое захватывает и тропосферу и, таким образом, влияет на погоду.

Если озон столь чувствителен к состоянию атмосферы и определяется во многом ее динамикой, то вполне естественно, что в его изменениях должны просматриваться те первичные факторы, которые влияют на состояние и динамику атмосферы. Главным таким фактором является солнечная активность. Ее влияние на атмосферу Земли проявляется следующим образом.