В последние три-четыре десятилетия для исследования верхней атмосферы стал широко применяться метод искусственных светящихся облаков (ИСО). Суть метода сводится к наблюдениям оптических эффектов, возникающих при выбросе в атмосферу с помощью ракет определенных химических веществ. Так, при выбросе в освещенные Солнцем слои атмосферы паров щелочных металлов и некоторых других веществ, возникает резонансное излучение, интенсивность которого в каждой точке пространства связана с локальной концентрацией атомов вещества, что позволяет визуализировать пространственно-временную структуру образованного ИСО. Путем фотографических и спектральных наблюдений таких облаков можно получить сведения о параметрах атмосферы - скорости и направлении ветра, параметрах молекулярной и турбулентной диффузии, о температуре, электрическом поле и др.
Наблюдения искусственных аэрозольных облаков, светящихся за счет рассеянного солнечного излучения, позволяет исследовать закономерности рассеяния и переноса мелкодисперсных пылевых частиц. Актуальность таких исследований обусловлена возрастающим антропогенным загрязнением верхней атмосферы в связи с интенсивным использованием ракетно-космической техники.
При использовании различных составов для создания ИСО метод искусственных образований может применяться в очень широком диапазоне высот — практически от поверхности земли (дымовые облака) и до нескольких сотен и даже тысяч километров (бариевые, литиевые и др. искусственные светящиеся облака). Для создания ИСО используются нитраты щелочных металлов (NaNO₃, KNO₃, CsNO₃), азиды (например - LiN₃, BaN₆), пероксиды (например - BaO₂), оксид алюминия (AlO).
Ниже кратко представлены некоторые исторические сведения о развитии метода ИСО.
В августе 1936 г. В. И. Черняев и М. Ф. Вукс получили несколько спектрограмм рассеянного света сумеречного неба. На фоне сплошного спектра на некоторых из спектрограмм обнаруживалась интенсивная линия в желтой области, имеющая длину волны 589, 3 нм. Хотя о существовании этой линии, принадлежащей атомам натрия в спектре ночного неба, было известно и ранее, в спектре сумеречного неба она была обнаружена впервые. Дальнейшие исследования показали, что яркость желтой линии в сумеречных условиях примерно в 100 раз больше ее яркости ночью.
В 1950 г. Бейтс предложил выбросить в атмосферу на высотах 80—90 км, т. е. там, где наблюдается свечение естественного натрия, небольшое количество его паров. Предполагалось, что в результате процессов, аналогичных тем, которые происходят при свечении естественного натрия в ночной и сумеречной атмосфере, можно будет наблюдать искусственное светящееся облако. Бейтс считал, что такие эксперименты позволят изучить некоторые интересные физические процессы в верхней атмосфере: зависимость скорости возбуждения атомов от высоты, соотношение между количеством свободных и связанных атомов натрия в атмосфере и другие элементарные процессы. Он отметил также возможность изучения с помощью натриевых облаков температуры, турбулентной и молекулярной диффузии, скорости ветра.
С 1954 г. начались систематические ракетные эксперименты с выбросом в верхнюю атмосферу атомов щелочных металлов. В январе и октябре 1955 г., а затем в марте 1956 г. американскими учеными были образованы протяженные натриевые следы. Запуски ракет с генераторами паров натрия были осуществлены в Нью-Мексико в вечерние сумерки с переходом в ночь. На каждой ракете было установлено по два генератора содержащих по 1 кг чистого натрия и пиротехническую смесь. 21 января облако было образовано на высоте 50-70 км и наблюдалось только визуально. В двух других экспериментах облака были созданы на высотах 67-113 и 78-110 км, и их излучение, которое выше 85 км имело оранжевый цвет, а ниже - белый, было зарегистрировано фотокамерами, спектрографами и фотометрами. Эксперименты показали, что интенсивность резонансного свечения паров натрия на длине волны 589, 3 км в сумерки была примерно на четыре порядка выше естественного свечения сумеречного неба. Ночное свечение искусственного облака натрия (330 нм и 680 нм), обусловленное фотохимическими процессами, было примерно на четыре порядка ниже сумеречного, но в одном из экспериментов оно примерно в 15 раз превышало интенсивность свечения ночного неба. Эти эксперименты подтвердили идеи, высказанные Бейтсом, и, помимо сведений об элементарных процессах, происходящих при выбросе атомов в атмосферу, позволили получить сведения о ветре на тех высотах, где были образованы облака.
Первые успешные эксперименты стали мощным стимулом к быстрому развитию метода. Вслед за экспериментами по выбросу в верхнюю атмосферу натрия последовали эксперименты по созданию искусственных облаков разной природы - плазменных, хемилюминесцентных, дымовых и др. Создание плазменных облаков ставило своей целью изучение таких физических процессов, как термо- и фотоионизация, рекомбинация, дрейф ионов в электрическом и магнитном полях Земли, коллективные эффекты в слабоионизованной плазме в ионосфере.
Люминесцентные облака, светящиеся за счет химических, реакций выброшенного реагента с естественными газовыми компонентами атмосферы, позволяют исследовать фотохимические процессы, происходящие в искусственных облаках в верхней атмосфере, оценить константы скоростей реакций, исследовать состав атмосферы на разных высотах, особенно ее малых составляющих.
В марте 1956 г. путем выброса в атмосферу 8,5 кг газообразной окиси азота днем на высоте около 95 км было образовано плазменное облако, а ночью на высоте около 106 км - хемилюминесцентное. В плазменном облаке была зарегистрирована электронная плотность более (3... 5) * 106 см^-3. Ночное хемилюминесцентное облако позволило оценить константы скорости реакции NO с атомарным кислородом и азотом атмосферы на высоте 106 км. Несколько позднее с целью определения концентрации атомарного азота на высотах более 100 км были образованы хемилюминесцентные облака путем выброса в атмосферу этилена. В дальнейшем исследования состава атмосферы с помощью НСО продолжались, однако они не получили широкого распространения в связи с успешным развитием масс-спектрометрических методов исследования атмосферы.
В период с сентября 1957 г. по сентябрь 1958 г. группой американских ученых было проведено семь экспериментов с образованием плазменных облаков. В этих экспериментах плазменные облака создавались путем выброса в атмосферу атомов щелочных металлов (К, Cs), обладающих низким потенциалом ионизации. При этом для подкрашивания облака Cs с целью его визуализации использовали Na.
В 1960 г. группой американских ученых во главе с Розенбергом по программе «Файрфляй» было осуществлено более 20 выбросов химических веществ в дневных, ночных и сумеречных условиях. Большинство из этих выбросов имело целью создание плазменных облаков. С их помощью измерялись плотность электронов, скорость ветра, константы диффузии, размеры турбулентных вихрей. Выбросы Al₂O₃, CdS, SF₆ предназначались для изучения рассеяния солнечного излучения, хемилюминесценции, эффектов электронного вымывания и др.
Простота и наглядность метода ИСО привели к быстрому его распространению, особенно для измерений скорости ветра, молекулярной и турбулентной диффузии. Данные о ветре и молекулярной диффузии стали получать практически во всех экспериментах, осуществляемых с помощью ракет, в которых создавались облака атомов щелочных металлов
В СССР в 1958 г. И. С. Шкловский и В. Г. Курт провели эксперимент по созданию натриевого облака на высоте 430 км и впервые определили плотность атмосферы на этой высоте. Плотность вычислялась по значению коэффициента молекулярной диффузии, определяемого из последовательных снимков облака, с использованием модельных значений температуры. В дальнейшем аналогичный метод применялся для определения плотности верхней атмосферы путем одновременных измерений коэффициента молекулярной диффузии и температуры атмосферы по наблюдениям ИСО.
Примерно в эти же годы французские ученые во главе с Бламоном предложили использовать натриевые облака для измерения температуры и успешно реализовали метод, основанный на измерении ширины резонансных линий, излучаемых облаком, освещенным Солнцем. В это же время группой английских ученых во главе с Гровсом проводились исследования температуры и ветра в мезосфере акустическим (гранатным) методом. При взрыве гранат ночью на высотах более 100 км наблюдалось свечение, которое можно было видеть в течение нескольких минут. Предполагалось, что свечение является результатом реакции продуктов взрыва с атомарным кислородом. Светящиеся облачка, образованные при взрыве гранат, использовались, наряду с акустическим методом для получения данных о ветре. Вудбридж предположил, что ночью при взрыве гранат, содержащих порошок алюминия, главную роль в свечении играет алюминий. В работах Армстронга были подробно рассмотрены результаты оптических наблюдений и возможные механизмы свечения, наблюдавшегося при ночных и сумеречных взрывах гранат в Южной Австралии (Вумера). При взрывах, гранат, содержащих алюминиевую пудру, нитрат бария, перхлорат калия, наблюдалось резонансное свечение в линиях BaI, BaII, KI, Al, а также полосы резонансного свечения и сплошной хемилюминесцентный спектр молекул AlO. Облака AlO, образующиеся при взрыве гранат в сумерки, использовались некоторыми исследователями для получения сведении о молекулярной диффузии и плотности верхней атмосферы. С применением облаков А10, которые были хорошо видны не только в сумерки, но и ночью, существенно расширился период возможных наблюдений за ветром и турбулентностью.
С начала 60-х годов сумеречные облака AlO наравне с натриевыми начинают использоваться и для исследования температуры верхней атмосферы. Особенно повысилась эффективность использования таких облаков, когда их стали создавать путем выброса в атмосферу на высотах 80—250 км жидкой смеси, содержащей триметилалюминий/триэтилалюминий (ТМА/ТЭА). Эту смесь оказалось возможным использовать для наблюдения за ветром и турбулентностью и на более низких высотах (30—70 км). Здесь, реагируя с кислородом атмосферы, триметилалюминий образует молекулярные комплексы Al₂O₃, которые в виде дымовых следов могут наблюдаться не только в сумерки, но даже и тогда, когда Солнце находится над горизонтом.
Применение высокочувствительных в узкой области спектра сканирующих фотометров позволило получать сведения о ветре и диффузии на высотах 120-200 км по наблюдениям натриевых и литиевых облаков в дневных условиях. Однако из-за технических сложностей изготовления и обслуживания сканирующих фотометров этот метод не получил широкого распространения.
Важную роль в исследовании динамики верхней атмосферы и ионосферы сыграли бариево-стронциевые облака. Первые эксперименты с образованием ионизированных бариевых, облаков были выполнены немецкими учеными в начале 60-х годов. В связи с тем что линии излучения ионизированных (Ball) и нейтральных (ВаI) атомов лежат в видимой области спектра, пространственно-временная эволюция нейтральной и плазменной составляющих таких облаков оказывается доступной для исследовании оптическими методами, что создаст возможность изучения поведения таких облаков под воздействием динамических процессов в центральной атмосфере и электрических и магнитных полей в ионосфере.
С конца 50-х - начала 60-х годов исследования с помощью ИСО в различных направлениях науки о верхней атмосфере проводятся учеными США, Франции, Англии, Канады, Италии, Японии, Индии, Аргентины, Пакистана, СССР. Помимо расширения задач, которые решаются с помощью ИСО, расширяется и география использования метода. Если в 50-60-е годы большая часть исследовании с ИСО осуществлялась в средних и низких широтах, то с конца 60-х годов и особенно в 70-80-е годы большое внимание уделяется исследованиям верхней атмосферы в полярных широтах. В таблице приведены станции, где осуществлялись запуски ракет с образованием ИСО.

С 1967 по 1987 год на станции ракетного зондирования Волгоград (48°41' с.ш., 44°21' в.д.) c целью измерения ветра в верхней атмосфере методом искусственных светящихся облако проводились пуски ракет МР-12. Это наиболее мощные метеорологические ракеты, способные поднимать до 150 кг аппаратуры на высоту 180 км.
 

 

В период с 1968 по 1980 г. на острове Хейса (80°37' с.ш., 58°03' в.д.) было осуществлено около 60 запусков ракет с образованием ИСО. Часть из них проводилась в рамках франко-советских исследований.