开始使用适用于科学特殊领域的“高空大气物理学”词汇是在六十年代初。在研究大气低层的时候，呈现在这门年轻学科面前的是什么问题呢？在研究大气层中的国际计划中，高空大气物理的研究占据什么地位呢？
准确地确定任何科学领域的“生日”总是困难的。对高空大气物理学——关于大气上层的结构和物理状况的科学来说，这话也是正确的，而现在还是能够说，我们庆祝它20寿辰。还可注意到，比利时科学家M · 尼可列对“高空大气物理学”的术语作了当今的解释，该解释记载在高空大气物理学方面的第一本书中。
这门科学到底是什么呢？它和气象学之间的界线在哪里？高空大气物理学应该包含像海潮和风、微流星流、无线电传播这样的问题吗？对这些问题目前还没有统一的说法。上层大气和近地宇宙空间的研究在近十年中以飞跃的速度进行着，积累了试验资料，发现了新的现象，产生了整个新的研究领域。在这些条件下，科学的名称和它们的区分简直是来不及“固定下来的”。
难以捉摸的D层
地球的电离云，即电离层，总的研究得是相当好的。在90 ~ 100公里以上的区域尤其是这样。但是它的最低部分D层，在科普作物中已经有许多年冠以“神秘”、“难以捉摸”的头衔。问题究竟是什么呢？
我们生活在无线电时代，无线电通讯、无线电定位、无线电导航……起了巨大的作用。电离层 - 正是那种介质，在那里，无线电波被传播、折射、吸收、反射。还在20 ~ 30年前，专家们感兴趣的几乎只是整个电离层的带电粒子浓度的最大值（在高度约为250-300公里的F层），因为短波恰恰就在那里被反射；现在，无线电专家开始对更低的区域感兴趣，问题在于长波和超长波“不会上升到”100公里以上，而传播和多次的反射是从D层和地球表面进行的。中波的传播同样与D层的状况有关，当它的正常状况被破坏（扰动）的时候、在这个区域内，电波的吸收能成十倍地增长。电波吸收的冬季异常现象可作为这类扰动的例子。它是，有时在冬季，电波开始强烈地被吸收，当然，不是整个地球半球的冬季，而仅仅是在中纬地区。近年来，成功地证明了，在冬季异常期间内电波吸收的增长与在高度75 ~ 85公里的D层的电子浓度的增加有关。
存在着另一种改变D层特性的扰动（例如：太阳伦琴辐射、起大作用的质子和电子流），因而，也存在着各种波段的电波传播条件。显然，为了预测这些条件，需要有D层的清晰的结构图和在D层产生的那些物理过程，可惜，这个图，现在还远远不完整的，所以称D层为“神秘的”“难以捉摸的”。
多少NO？
已知气体的压力、密度、温度和中性的基本成分的浓度以及带电的基本粒子的浓度随大气高度而改变的一般规律是相当可靠的。但同时大气的许多“小的成分”研究得还很差。称它们“小”，是因为它们的浓度与主要成分（N2，O2）比较起来是很少的，而绝对不是因为它们在任何物理过程中所起的作用小。也许，这种引起大问题的“小成分”最好的例子是氧化氮NO了。在高度为70 ~ 130公里的范围内，它的分子数量为氮分子数量的百万分之一。虽然如此，NO在这里起着重要的作用：它是大气低层中的电子的主要供应者（在D层和E层，电子量直接与NO的浓度有关）。要知道，电子浓度是电离层的最重要的参数。“小的成分”是难以捕捉到的，测量气体成分的主要仪器质谱仪在这里是无用的——灵敏性不够。因此确定NO的浓度，是利用光学方法。记录在光谱紫外波段的NO分子吸收带中的太阳辐射。测量这个吸收，然后计算在不同高度的NO的数量。但是，在这个方法中有自己的“暗礁”：很难计算太阳漫射光线的背景。因此，实际上，直接测定上层大气中NO的唯一的方法是不够可靠的，计算时所用上的试验结果必须经过许多年的从头修改。如美国专家L. 米尔，在1971年所做的著名的测量就是这样的。十多年，他们考虑了对高空大气物理的计算所采用的宁静条件的标准，现在对中纬的宁静条件采用更低的值（为原来的1/2 ~ 1/3）。
各种扰动时间内，在D层发生了一些什么事情？住极区域内NO的浓度怎么样？在这些问题上，现今没有一致的回答。已知在冬季异常时间内，在高度为80 ~ 100公里的NO的数量是增加了，光学测量表明：NO增长到约2 ~ 3倍，可是间接的估计得到的增长数要大得多——要增加一个数量级到两个数量级。
NO的数量随纬度变化的情景不完全清楚。微粒子流在侵入大气的时候促使形成NO，因此在高纬度地区这样的微粒子流标志着：电离层的D层和E层比中纬度地区有较丰富的NO分子，而中纬度地区是没有这种微粒子流的。实际上，在有极光的时间内，能记录到高度为100公里的很高的NO分子浓度。但这是唯一的一次试验，而更多次的试验没有得到纪实。但是美国人造卫星“大气探险者”的远距离观测得到，在E层的NO分子从中纬向极区总共增加到2 ~ 3倍。同时，间接的估计表明，对NO的更大的——约为数量级值——变化，从中纬区域向高纬度区域转移是顺利的。
电子和负离子
作为与大气结构的研究有关的高空大气物理问题的另一个例子，为D层下面部分中的负离子。这层的一个主要参数对实用问题是重要的（它确定电子浓度和负离子浓度之间的关系），而现时不大知道。问题在于，在D层还不管在其它什么层，都“居住着”三类带电粒子——正离子、电子和负离子。负离子是由电子粘附在中性分子上形成的，其数量随高度降低而增加，到D层已经是相当大了。
电离层的等离子区是中性的，正离子的浓度等于负离子的和电子的浓度总和，但是，因为主要是电子影响着电波传播，因此，对于实用问题，知道在每个高度的总的浓度里面的电子量和负离子量之间的关系是主要的。现今知道，在高度为50公里或更低些的条件下，负离子占卷优势而电子浓度是小的，但在高度为90公里，负离子量变得很少而电子占着优势，在什么高度，电子浓度和正离子的浓度相等，（这个高度比喻为hp），又这个高度随条件（白天、晚上、扰动）如何变化？至今，对此不完全清楚。诚然，困难性是和没有可靠的测量方法有关。
在近10 ~ 15年内，全靠试探器的测量改变了高度hp的估计值。七十年代初认为hp相当高，而负离子甚至在白天一直到高度80 ~ 85公里占着优势。现在认为：高度hp很可能是比较小的，到白天，它不会超过70公里，在这种情况下，白天的D层，负离子的作用变得小了。条件改变，负离子量和电子量之间的关系也就改变。如在晚上，太阳的辐射不再破坏负离子，负离子的作用这时应该增大，但在扰动时期（太阳耀斑，在极区太阳质子的侵入）是相反，负离子的作用减弱，这时高度hp的值也相应增大或下降。hp的摆动以最快的方式影响电波的传播，因为在那个高度，D层中的自由电子的电离量将改变。
什么原因引起电波的冬季异常吸收？
当然，大多数物理专家引出的问题好像是与大气的结构有关，是既重要又兴趣的问题。这里需要研究任何现象中的重要过程。同时，在“物理过程”的概念内可能是属于化学反应、大范围的大气变动、波辐射和微粒辐射的影响等各种作用的总和。也许，这些问题的最典型的例子是电离层D层的冬季的易变性。
我们已经讲到过重要的现象——电波在电离层低层的冬季异常吸收。近年，提出了D层“气象监测”的概念。其实质是，D层——高空大气物理过程作用的结果（太阳辐射和宇宙辐射的电离化）——同时被“气象的情况”控制着，也就是这些特性，诸如同温层和中层大气中的温度、湿度和风是变化的。
在D层中不同季节的电子浓度的例子中，看到最明显的气象影响。对太阳在地平线上的高度指定的情况下，在夏天，D层中的电子浓度值实际是相同的；而在冬天，其值平均比夏天高出一半至一倍。此外，从一天到另一天，其值也大大地变化。冬天的个别白天，正如我们已经知道的，与夏天同样条件相比，电子浓度可成十倍、成百倍地增加。
近年的研究能建立冬季异常现象的结构严谨的图：NO的增加导致电离化速度增大，这就意味着每秒钟内形成的电子数增加了。同样，温度增加，使电子死亡（复合）速度变慢。由于这两个因素——形成电子的速度增大和它的死亡速度变慢——作用在一个方面的结果、导致我们所观察到的电子浓度的急剧增加。
因此冬季异常现象图的“光化部分”变得清楚了，但是很重要的问题终究没有被注意：为什么在任何冬天的白天，温度和NO的浓度都增加？这个问题恰恰是成了D层的冬季易变性问题。但是，已经知道要着手寻找与整个大气动力学的各个方面的（包括相当新的和很少研究的）分析密切相关的解决办法。
是什么能引起中纬度高空（出现冬季异常的高度为80 ~ 90公里的地方）的NO的浓度增加？NO的强力的化学源在这些高度是没有的，所以，NO的分子从E层落入D层的上面。湍流的扩散和依靠循环定向的向下转移气体，这两个过程能起着“运输工具”的作用。阐明NO分子进入中纬地区的D层有另外的假设。例如，这些分子能够转移是由于从高纬地区——这里在微粒子流侵入的时候，甚至在D层高度也形成了NO——沿子午线进行地平循环的结果。另一个输送的方法是依靠移送气体，由同温层从下面向上输送NO。在这些机制中的每一个有一个共同的难点是需要阐明的，这就是为什么在冬季异常的白天，机制的效力急剧地增长，使得观测得到的NO的浓度增加？产生的同样的问题是关于在发生冬季异常的白天，温度增高的问题。但能够推测，一个过程——不同波的能量消耗——影响了两个所研究的因素。
近几年中，大气上层波动过程的研究获得了蓬勃的发展。温度、密度、电子浓度、大气辐射的方式等变化，证实在大气上层存在着声学引力波、内引力波和行星波。不过，这些波的传播理论的发展是不大的。要是认为，它们发生在，例如对流层，那么，它们能以什么方式向上传播，经过对流层、中层大气直达热层的底层？对这些波的消耗（破坏），最有利的条件怎么样？它们的能量以什么形式传给周围气体？所有这些问题，对高空大气物理学来说，是非常有趣非常重要的，它们对D层的冬季易变性的问题有直接的关系。某些波仅仅在冬季能够渗透到中层大气的高度，当处于较低的同温层的本质是不均匀的时候。在夏天，当同温层是稳定层的时候，这样的波要透过它是不能够的。实际上，如果正是波能的消耗引起温度的增高和NO的湍流转移的加强的话，那么，尽管是一种过程，对为什么冬季异常只是在冬天观测到的道理就搞清楚了。
关于MAⅡ计划的几句话：
在高空大气物理问题的文章中所讨论的全部问题都是与电离层的较低部分相关的。在这样的高度间距中，集中了现今重要的问题：带电粒子的物理化学方面的问题、大范围的大气动力学、宏观过程、小的成分的分布等问题。所有这些问题，它们与更加大的行星的地球物理学问题——整个大气上层的完整模型、不同大气层的相互关系、太阳 - 大气的关系——紧紧地交错在一起。
所以，就在几年以前，在苏联科学家积极参加下，由世界科学组织提出并支持了研究大气中层的国际计划——MAⅡ计划（来自英国的大气中层计划）。计划的任务是把研究高度为10 ~ 120公里的中层大气的各国科学家的力量联合起来。计划顺利地在完成，十个科学院参与了实现综合试验、研究、对这层大气进行多方面的研究观测计划的协调工作和广泛的交换观测资料。按照计划，其中一个工作就是研究电离层的下面部分的冬季易变性。可以期望，在近期内这些工作的结果，能够解决在这里提到的大多数问题，但是毫无疑问，会出现新的问题。
[Земля и Вселенная，1983年4月]