Текст книги "Популярная аэрономия"

Автор книги: А. Данилов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Для кого написана эта книга

Что такое аэрономия?

1. Как устроена атмосфера

Сколько на свете сфер

Атомы – молекулы

Эти бесчисленные вариации...

Откуда ветер дует?

2. Сфера заряженных частиц

Кое-что о структуре

Где сколько электронов

Как много разных ионов...

Какова температура электронов

3. Кто отвечает за образование ионосферы

Борьба между ионизацией и рекомбинацией

Главный источник – Солнце

4. Равновесные концентрации ионов

Что такое "время жизни"

Две основные реакции

Что во что переходит или окончательная схема процессов

Важный параметр с длинным названием

Когда зашло солнце

Борьба динамики и фотохимии

5. Загадочная область D

Самая нижняя – самая неясная

Почему это так трудно

Ищем источник ионизации

Не связывайтесь с ионами-связками!

Положительная сторона отрицательных ионов

И вновь о коэффициенте рекомбинации

6. Проблемы нейтральных частиц

Эта неприятная окись азота

Сколько в атмосфере атомного азота?

Возбужденные частицы – жители эксайтсферы

Что же дальше? (Краткое заключение)

Данилов А. Д. 'Популярная аэрономия'

Ленинград Гидрометеоиздат 1978

26.23 Д 18

Впервые в популярной форме, рассказывается об аэрономии – молодой науке, изучающей структуру верхней атмосферы Земли и протекающие там физические и химические процессы. Дается описание современных представлений о структуре атмосферы и ионосферы на высотах 50 – 500 км и проблем, связанных с различными вариациями атмосферных и ионосферных параметров. Подробно излагается современная концепция цикла процессов образования и гибели заряженных частиц, который определяет существование ионосферы.

Книга рассчитана на специалистов в области метеорологии, физики ионосферы и распространения радиоволн, солнечно-земной физики, физики ионно-атомных столкновений, аспирантов и студентов вузов.

It is for the first time that the aeronomy, a new young science, is explained in a popular and clear form. The reader will understand that aeronomy studies the structure of the Earth's upper atmosphere and physical and chemical processes occurring there. The book also presents a description of modern notions of atmospheric and ionospheric structure at the height 50 – 500 km, as well as problems in the field of different variations of atmospheric and ionospheric parameters. The up-to-date theory of process cycle during which the charged particles are formed and destroyed is given in detail.

The book is ment for specialists in meteorology, ionospheric physics, radio-wave propagation, solar-terrestrial physics and will be useful for students and post-graduate students in these fields.

Редактор Л. П. Жданова. Рисунки Л. В. Корнеевой. Обложка В. Д. Бертельса. Технический редактор В. И. Семенова. Корректор И. А. Крайнева

ИБ № 386

Сдано в набор 18.11.77 Подписано в печать 16.05.78 М-09476. Формат 60x841/16. Бум. офсетная № 1. Лит. гарн. Печать офсетная. .Печ. л. усл. 7,91. Уч.-изд. л. 8,84. Тираж 19000 экз. Индекс ПЛ-197. Заказ 4950. Цена 50 коп. Гидрометеоиздат 199053. Ленинград, 2-я линия, 23. Типография им. Анохина Управления по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Совета Министров Карельской АССР г. Петрозаводск, ул. "Правды", 4

Гидрометеоиздат, 1978 г.

Для кого написана эта книга

Есть разные категории научно-популярной литературы. Научно-популярная книга, рассчитанная на массового читателя, – это, пожалуй, самая сложная форма популяризации. Ею блестяще владел замечательный советский популяризатор Я. И. Перельман. Можно написать популярную книжку, адресовав ее детям – школьникам и дошкольникам. Так писали М. Ильин и Е. Сегал. Есть много популярных книг для старших школьников, студентов и прочих достаточно образованных людей, интересующихся реально или потенциально данной областью науки в целом. Наконец, есть прекрасные книги, рассказывающие о большой научной проблеме (они написаны, как правило, крупными специалистами) и доступные любому интеллигентному человеку. Такова "Вселенная, жизнь, разум" И. С. Шкловского.

Данная книга не подходит ни под одну из перечисленных категорий. Она – попытка автора рассказать об очень молодой и относительно узкой области науки – Аэрономии... своим коллегам. Да, да, именно коллегам – ученым, физикам, геофизикам, астрофизикам. Но конечно, не тем, кто сам непосредственно занимается этой наукой. Скорее, тем, кто работает рядом -дверь в дверь. Ведь в наше время – время непрерывно растущего потока информации– становится все уже специализация отдельных ученых, научных коллективов и даже целых направлений. И специалисту все труднее следить за тем, что делается в смежной области, какие сдвиги там происходят, какие проблемы возникают. Когда же научные интересы все же приводят его в эту смежную область, он оказывается в трудном положении. Выясняется, что для того, чтобы получить ответ на интересующие вопросы, необходимо поднять целую гору пухлых журналов и книг. Как правило, на это нет ни времени, ни сил. Кроме того, специалисты разных наук, а подчас и разных направлений одной науки говорят теперь на столь разных языках, что понять специальную литературу даже в соседней области трудно, а порой и невозможно.

Молодая наука аэрономия не составляет в этом отношении исключения. Здесь есть и большой поток информации, и уйма обзоров и толстых серьезных книг, и, конечно, свой научный жаргон, и... практически полное отсутствие популярной литературы.

А литература такая нужна. Родившись на стыке нескольких наук – метеорологии, астрономии, физики плазмы, геофизики,– аэрономия представляет интерес для специалистов многих областей знаний.

Именно поэтому и появилась эта книга; в ней автор делает попытку рассказать о тех, подчас довольно сложных проблемах, которыми занимается современная аэрономия.

В том, что такая книга нужна и в первую очередь коллегам, убедил автора опыт изданий такого рода "Химия, атмосфера и космос"*. По отзывам многих коллег, эта книга оказалась им полезной, когда нужно было познакомится с проблемой атмосферной фотохимии, при подготовке к чтению лекций для студентов, при сдаче аспирантами кандидатского экзамена.

* ( Данилов А. Д. Химия, атмосфера и космос. Л., Гидрометеоиздат, 1969)

Автор надеется, что данная книга будет не менее полезной в этом отношении. Со времени выхода в свет "Химии, атмосферы и космоса" прошло семь лет – для такой быстро развивающейся науки, как аэрономия, срок большой. Многие проблемы в 1969 году, перестали быть проблемами. К большенству загадок того времени найдены ответы. Но появились новые проблемы и загадки. О них – то и пойдет речь.

В отличиии от книги 1969 года, здесь автор стремился построить изложение системотичнее, описать не только острые проблемы, но и области аэрономии, где положение относительно спокойнее. Это неизбежно связано с риском сделать книгу более скучной, однако автор надеется, что полнота изложения компенсирует этот недостаток.

Конечно, хотелось бы, чтобы книга нашла и более широкого читателя. Именно поэтому автор старался свести к минимуму число формул и менее существенных деталей. И естественно, хотелось бы, чтобы чтение этой книги побудило читателей, далеких атмосферных проблем, особенно будущих исследователей – студентов, асперантов, – познакомиться с аэрономией глубже, прочесть более серьезные труды в этой области. Но это – благие пожелания автора. А как минимум он сочтет свою задачу выполненой, если эта книга станет полезной его коллегам, работающим в широком диапазоне смежных наук.

Автор выражает глубокую благодарность А. Х. Хргиану, внимательно прочитавшему рукапись и сделавшему ряд весьма полезных замечаний, и А. В. Михайлову, оказавшему большую помощь в написании ряда разделов книг. Автор считает также своим приятным долгом сказать несколько слов об оформителе этой книжки – Л. В. Корнеевой. Будучи физиком. она прочла рукопись и нашла орегинальные решения для иллюстрации некоторых важных вопросов. Не будучи профессиональным художником она мужественно прошла через все профессиональные испытания, прежде чем книжка смогла появиться в ее сегодняшнем виде. Остается надеяться, что читатели найдут наше сотруднечество плодотворным.

Что такое аэрономия?

Если задать этот вопрос разным специалистам, изучающим атмосферу Земли, мы получим несколько разных ответов. Причина этого в том, что граница молодой науки аэрономиии – детища ракето-спутникого энтузиазма начала 60-х годов – все еще довольно размыты. Входит ли в ведение аэрономии стратосферы? А тропосфера? Если нет, то где граница между метеорологией – наукой о приземном слое атмосферы и аэрономией – наукой о верхней атмосфере. И должна аэрономия включать все, что мы изучаем в верхней атмосфере? Например, приливы и ветры, потоки микрометеоров, распространение радиоволн в ионосфере – является ли все это предметом изучения аэрономии?

Однозначных ответов на все эти вопросы пока не существует. И не очень хорошо видна перспектива более четкого определения границ аэрономии. Ибо указанные вопросы появились в последние годы в связи с непрерывным развитием атмосферных исследований. Их дальнейшее развитие может привести к еще большему услажнению( или, если угодно, расширению ) понятия "аэрономия".

Здесь мы будем рассматривать аэрономию как науку прежде всего о строении верхней атмосферы Земли и о происходящих там микропроцессах. Именно так представлял себе аэрономию бельгийский ученный М. Николе, который первым ввел это понятие в обиход исседователей верхней атмосфере и написал в 1961 году первую книгу по аэрономии.

Таким образом в нашем понимании аэрономия должна заниматься поисками ответов на вопросы: как устроена верхняя атмосфера и какие физико-химические процессы ответственны за ее строение? Ответ на первый вопрос предпологает изучения распределения с высотой и различных вариаций так называемых термобарических параметров атмосферы (т.е. плотности, температуры, давления газа) и концентраций различных компонент отмосферного газа, от основных, таких, как азот и кислород, до малых составляющих. К малым составляющим формально относятся и концентрации заряженных частиц (ионов и электронов), которые образуют очень важную область атмосферы – ионосферу. При ответе на второй основной вопрос аэрономии мы должны изучить различные микропроцессы, происходящие в атмосферном газе и контролирующие поведение всех тех параметров, которые интересуют нас в первом вопросе. К таким микропроцессам относятся прежде всего ионизация и диссоциация частиц атмосферного газа под действием внешних источников (солнечное излучение, вторгающееся в атмосферу частицы и т.д.), различные химические превращения одних частиц в другие, молекулярная и амбиполярная диффузия.

Крупномасштабные динамические процессы – ветры, дрейфы, различные волны – должны, видимо, рассматриваться в качестве предмета агрономического изучения лишь постольку, поскольку в некоторых случаях, как мы теперь понимаем, они влияют на состав и строение верхней атмосферы.

Таково предлагаемое читателям этой книги понимание предмета аэрономии. Что касается точного определения высотных границ "сферы действия" аэрономии, то здесь положение не менее сложное. Мы будем рассматривать высоты от 50 – 60 км до нескольких сотен километров, где и сосредоточены основные аэрономические проблемы (вся ионосфера, диссоциация кислорода, окислы азота, возбужденные частицы и т. д.) в классическом понимании аэрономии. Подобный выбор высот, во всяком случае, объясняет, почему за пределами этой книги осталась такая острая проблема современной фотохимии, как стратосферный озон, его вариации и возможность разрушения.

Итак, аэрономия занимается строением и физикохимией верхней атмосферы.

Вопросы, которые первыми возникают при описании нового направления в науке: зачем надо этим заниматься, почему интересно исследовать именно эту область знания? Ведь сегодня любая область исследований должна нести на себе некоторое бремя сегодняшних проблем, должна давать вклад в решение насущных задач науки, техники, народного хозяйства.

Как же обстоит в этом смысле дело с областью науки, которой посвящена настоящая книга?

Наше время – время космических ракет и искусственных спутников Земли (ИСЗ). Чуть ли не ежедневно появляются сообщения о запуске новых, больших и малых ИСЗ, геофизических и метеорологических ракет. И на каждом спутнике, на каждой ракете установлены научные приборы. Они предназначены в основном для исследований характеристик (или параметров) окружающей среды. А среда, которая их окружает,– это верхняя атмосфера Земли и прилегающее космическое пространство. Общая плотность газа на данной высоте, количество нейтральных и заряженных частиц, их "паспорта", т. е. их химическое отождествление, температура атомов, молекул и ионов,– вот далеко не все параметры, которые необходимо изучить в процессе ракетных и спутниковых экспериментов. Знание же характеристик атмосферы и космического пространства необходимо для конкретных прикладных задач.

Земная ионосфера. Ее влияние на распространение радиоволн на Земле огромно. Не будь ее – не была бы возможна радиосвязь на коротких волнах. Малейшие изменения в ионосферных характеристиках влияют на качество радиопередач, на надежность радиосвязи. В связи с бурным развитием наземной радио– и телевизионной сети, радиоастрономии систем ретрансляции сигналов с помощью ИСЗ требуются точные характеристики ионизированной оболочки Земли.

Верхнюю атмосферу Земли бороздят десятки ИСЗ. Как рассчитать время жизни каждого из них? Как подобрать орбиту, чтобы высота полета была наименьшей, но спутник при этом "прожил" бы весь запланированный срок? Для ответа на эти и многие вопросы прикладного характера необходимо надежно знать, как распределяются плотность и температура в верхних слоях атмосферы.

Итак, знать характеристики верхней атмосферы, ионосферы и прилегающего космического пространства необходимо. Это практическое требование сегодняшнего дня. Но при чем тут химические процессы? Здесь нужен не химик, а физик и инженер, которые поставят приборы и измерят все, что нас интересует. Да, несомненно, все было бы так, если бы верхняя атмосфера Земли была образованием, как говорят, статическим, т. е. если бы она не менялась в зависимости ни от времени, ни от места на Земле. Однако первые же опыты на ракетах и спутниках показали, что атмосфера меняется. Меняется очень сильно, причем изменения зависят от многих различных факторов. Только основная характеристика атмосферного газа – плотность – имеет различные формы зависимости: от времени суток, широты места, солнечной активности, сезона, геомагнитной активности и т. д. Изменения эти оказываются весьма значительными. Так, на высоте 300 км плотность меняется от дня к ночи в 3 – 4 раза, а на высоте 600 км – в 10 раз. Сложные изменения претерпевает в течение суток, в течение года, в течение цикла солнечной активности такой важный параметр, как электронная концентрация.

Совершенно ясно, что изучить верхнюю атмосферу Земли нельзя только с помощью экспериментов. Сколько бы запусков со сложнейшей аппаратурой мы ни делали, результат будет соответствовать лишь конкретному набору условий. Скажем, результат мы получим 25 августа в 11 часов на 35° с. ш. при низкой активности Солнца. А что будет 27 августа в 2 часа ночи на 10° ю. ш.? Что будет, если завтра на Солнце появится вспышка?

Очевидно, число космических экспериментов, которое может проводить человечество, учитывая их дороговизну и сложность, ограничено. Невозможно перебрать все мыслимые комбинации внешних факторов: солнечной активности, времени, места и т. п. Значит, надо понять, как и почему изменяются характеристики верхней атмосферы, какие процессы эти изменения вызывают. И только тогда мы сможем рассчитать атмосферные модели, учитывающие все привходящие условия и дающие любой из интересующих нас (народное хозяйство или ученых других специальностей) параметров.

В этом и состоит основная задача аэрономии: подробно и точно описать происходящие в верхней атмосфере процессы, определить влияние каждого из них на изменение различных атмосферных параметров и в конце концов построить настолько полные и детальные модели, описывающие состояние верхней атмосферы, что по ним можно было бы с достаточной для практических целей точностью предсказать поведение всей верхней атмосферы в целом или ее конкретных характеристик в любых заданных условиях.

В разных областях аэрономии мы в разной мере приблизились к этой цели. Скажем, ионный состав атмосферы выше 100 км мы знаем достаточно хорошо и умеем смоделировать его с приемлемой точностью. А тот же ионный состав ниже 100 км известен все еще плохо и его теоретическое моделирование только начинается.

При построении теоретических моделей, описывающих поведение параметров верхней атмосферы, выявляются новые процессы и явления в атмосфере, о которых раньше не знали совсем или не думали о их роли в аэрономии. Так, десять лет назад никто не занимался аэрономией возбужденных частиц, а сейчас без учета этих частиц не мыслится ни одна теоретическая модель верхней атмосферы. Из попыток смоделировать поведение ионосферной области F2 относительно недавно родилась идея взаимного обмена плазмой между верхней ионосферой и протоносферой. Сейчас уже очевидно, что потоки ионов и электронов из протоносферы в ионосферу – важный механизм поддержания ночной области F2.

Читатель найдет много аналогичных примеров на следующих страницах этой книги. Собственно, вся она посвящена рассказу о том, что мы знаем в аэрономии, какие новые идеи появились в последнее время и в чем состоят самые острые нерешенные проблемы.

Чтобы облегчить понимание тех глав, где больше говорится о проблемах и загадках аэрономии, в первых двух главах дается очень краткое и схематическое описание (неизбежно сухое, как всякая схематизация) строения атмосферы в целом и ионосферы как ее существенной части – в частности.

1. Как устроена атмосфера

Большинство современных проблем аэрономии связано с физикохимией верхней атмосферы. Иначе говоря, ученых волнуют вопросы "почему?", "в результате каких процессов?". Конечно, вопросы эти, как правило, возникают после того, как установлен факт существования того или иного явления (скажем, высоких концентраций окиси азота или присутствия ионов-связок), которое надо объяснить. Но и сам процесс установления того или иного факта представляет собой решение проблемы или поиск ответа на вопрос: "как устроена?". Описание таких проблем и всевозможных коллизий, возникающих при их решении, ничуть не менее интересно, чем описание проблем физикохимии.

Однако в силу первичности вопроса "как устроена" по сравнению с вопросом "почему" в настоящее время в аэрономии гораздо больше последних, чем первых,– во всяком случае, на уровне изложения в данной книге. Поэтому и основной акцент здесь сделан на проблемах атмосферной физикохимии, где непрерывно рождаются противоречия, возникают новые проблемы и идеи.

А как быть с чистой структурой? Имеет ли смысл в подобной книге описывать устоявшиеся за много лет представления о составе и строении атмосферы? Ответом автора является данная глава. В ней дается достаточно краткое описание основных особенностей строения атмосферы. Такое описание, видимо, будет полезно для самой общей ориентировки при чтении дальнейших глав. Кроме того, ведется рассказ и о некоторых современных проблемах, прежде всего о проблеме вариации плотности и состава.

Сколько на свете сфер

Ученые любят придумывать всякие "сферы". Тут и биосфера, и гидросфера, и литосфера. Но больше всего, конечно, развелось различных сфер в науках об атмосфере – метеорологии и аэрономии. Тут и хорошо известные понятия (кто не слышал о стратосфере или ионосфере!), и понятия, используемые лишь узкими специалистами (например, метасфера), и давно устоявшиеся слова (та же стратосфера), и термины, рождение которых происходит на наших глазах (эксайтсфера, которой нет еще и пяти лет отроду).

Давайте пройдемся по атмосфере снизу вверх и постараемся разобраться в лабиринте хоть части "сферических" терминов – ведь большинство их связано как раз с основными параметрами, определяющими структуру атмосферы (структурными параметрами),– давлением, плотностью, температурой и составом газа.

Структура атмосферы

Атмосферу можно делить на области (или сферы) по разным признакам: температуре, составу или доминирующим физическим процессам. Поскольку каждая такая система деления дает несколько терминов, то и набирается целое семейство атмосферных "сфер".

Наиболее распространена стратификация атмосферы по температурному признаку. Именно она вводит широко известные понятия "тропосфера" и "стратосфера". С нее мы и начнем свой поход по небесным сферам, в котором – в качестве карты можно использовать приведенный рисунок.

Мы стартуем, как обычно, с поверхности Земли. Пусть у нас лето и температура 27° С. Это будет 300° по шкале Кельвина. Двигаясь вверх, мы обнаружим, что температура резко падает (это знают все, кто поднимался в горы). Иначе говоря, наблюдается отрицательный градиент температуры с высотой. Область атмосферы, где мы сейчас находимся, называется тропосферой. Верхняя граница тропосферы лежит там, где прекращается падение температуры с высотой и начинается ее рост (очевидно, в этом месте градиент температуры равен нулю). Выше расположена уже стратосфера, где градиент температуры положителен. Граница между тропосферой и стратосферой (или узкий слой, где градиент температуры равен нулю) называется тропопаузой. Двигаясь вверх по тропосфере, мы успеем основательно замерзнуть, ибо температура тропопаузы всего около 200 К. Что же касается ее высоты, то последняя меняется от экватора к полюсу и на средних широтах равна 12 – 13 км.

Чтобы согреться, давайте активно подниматься дальше по стратосфере. Теперь чем выше, тем теплее. И так до самой стратопаузы – области, где наблюдается второй излом на высотном профиле температуры.

Здесь (высота около 50 км) температура почти равна (270 – 280 К) той, с которой мы начинали.

А дальше – снова в холод. Температура вновь падает с высотой, вновь отрицательный градиент температуры. Это – мезосфера. Ее верхняя граница – мезопауза – лежит на высоте 85 км (конечно, как и другие граничные высоты, она может меняться примерно на 5 км в ту или другую сторону). Это последний излом на температурной кривой. И одновременно область самой низкой температуры – в мезопаузе она может понижаться до 150 К. Дальше температура будет только возрастать – мы вступаем в область термосферы. В термосфере температура сначала резко возрастает – за каких-нибудь 30 – 40 км мы проскакиваем весь интервал от 150 до 300 К, в котором находились до сих пор, и продолжаем подниматься. На высоте 150 км температура уже перевалила за 500 К. И здесь нам надо решать, день сейчас или ночь. Ибо от этого зависит дальнейший рост температуры. Если дело происходит днем, температура будет продолжать подниматься до значения 1500 – 2000 К. Если сейчас ночь, температура будет расти значительно слабее – до 700 – 1000 К. В обоих случаях с высоты 200 – 250 км рост температуры прекратится и далее она не будет изменяться с высотой. Мы вступили в область изотермии.

Что же дальше (или выше)? Во что переходит термосфера? Обычно говорят, что термосфера переходит в экзосферу, хотя последний термин родился в результате деления на "сферы" не по температурному признаку, а по признаку доминирующего процесса, определяющего состав атмосферы.

Стратификация по этому признаку гораздо проще, чем по температурному. До высоты 105 – 110 км вязкость газа достаточно велика, и потому все движения в атмосфере происходят как движения атмосферного газа в целом. Невозможно выделить движение, скажем, молекул азота или кислорода – частицы разных типов непрерывно перемешиваются. Такой процесс называется турбулентным перемешиванием или турбулентной диффузией. Ясно, что турбулентная диффузия стремится сохранить постоянный состав атмосферного газа с высотой. Именно поэтому до указанных высот состав основных компонент атмосферного газа остается неизменным. Вариациям подвержены лишь относительные концентрации химически активных малых компонент, таких, как окись азота, озон и т. д. Область атмосферы от поверхности Земли до 105 – 110 км называется гомосферой, т. е. областью постоянного состава.

Выше кончается царство турбулентной диффузии, которая ставила все газы в одинаковые условия и тем обусловливала неизменный состав воздуха, и начинается царство молекулярной диффузии – гетеросфера. Область перехода (105 – 110 км) обычно называют турбопаузой.

Над турбопаузой дружба между различными атмосферными газами нарушается. Теперь каждый идет сам по себе: более легкие частицы устремляются вверх, а более тяжелые отстают. Иначе говоря, чем выше мы поднимаемся в гетеросфере, тем больше доля легких частиц (скажем, Н и Не) по сравнению с тяжелыми (скажем, О2 и N2).

Приведем здесь одну несложную формулу, которая важна для понимания многих вопросов, обсуждаемых дальше. Концентрация частиц [X]h данного сорта (скажем, атомов О или молекул N2) на некоторой высоте h связана с концентрацией этих же частиц [Х]0 на другой высоте h0, которую можно рассматривать как условное начало отсчета, следующим образом:

Формула (1). Условие начало отсчета

где H – очень важное понятие, правильно называемое "высота однородной атмосферы". Встречается и неправильное название "шкала высот", которое явилось результатом ошибочного перевода английского термина "scale height" – буквально "приведенная высота".

Что понимается под H в формуле (1)?

Формула (2)

Здесь R – универсальная газовая постоянная, Т – температура газа, М – его молекулярный вес, g – ускорение свободного падения. Физический смысл высоты однородной атмосферы очень прост. Она показывает, на сколько километров надо подняться от данного уровня, чтобы концентрация рассматриваемого газа упала в е раз. В гомосфере, где концентрации всех основных составляющих атмосферы уменьшаются с высотой одинаково, естественно, и величина H будет для всех частиц одинакова. А вот в гетеросфере...

В гетеросфере вступает в силу закон: чем легче, тем больше. Ибо в знаменателе (2) стоит молекулярный вес данного газа М. Чем больше М, тем меньше H. А чем меньше H, тем быстрее падает с высотой концентрация этого газа. Пусть, например, высота однородной атмосферы для молекулярного азота (М = 28) на уровне турбопаузы (скажем, 110 км) равна 8 км. Для гелия (M = 4) она тогда составляет 56 км. Значит, при переходе от ПО к 166 км абсолютная концентрация гелия упадет в е раз. Но концентрация N2 в том же интервале высот успеет упасть 7 раз по е раз, так как подъем на каждые 8 км будет означать для [N2] уменьшение в 2,7 раза. Таким образом, концентрация гелия относительно N2 возрастет со 110 до 166 км в е6≈400 раз! Вот что такое независимый закон распределения частиц, или так называемое диффузионное разделение.

Обратим внимание еще на одно обстоятельство в формуле (2). В числителе там стоит температура. Значит, чем выше Т, тем больше Н. И соответственно тем медленнее (в масштабе высот) происходит падение концентрации, а значит, и диффузионное разделение легких и тяжелых газов. Чем температура ниже, тем сильнее выражены все эффекты.

До каких же высот будет справедлива формула (1)? До тех высот, где частицы атмосферы еще испытывают достаточно соударений, чтобы обмениваться кинетической энергией. Область атмосферы, где это уже не так, называется экзосферой. Там на смену уравнениям гидростатики, одним из следствий которых является формула (1), приходят уравнения гидродинамики, учитывающие убегание легких атомов водорода и гелия из земной атмосферы. Гетеросфера на высотах, больших 1000 км, переходит в экзосферу, однако переход этот, конечно, не имеет четкой границы и зависит от многих геофизических факторов.

Мы знаем теперь, как меняется с высотой температура атмосферы– один из основных ее параметров. Другим таким параметром является плотность атмосферы, обычно обозначаемая Q, т. е. масса газа, заключенного в единичном объеме (обычно в одном кубическом сантиметре). Поведение плотности с высотой гораздо проще, чем поведение температуры. Если последняя возрастает, убывает или остается постоянной в зависимости от области высот, или "сферы", то первая неуклонно уменьшается с ростом высоты. Скорость уменьшения определяется все той же высотой однородной атмосферы Н. У поверхности Земли Н равна 7-8 км и выше меняется в соответствии с описанным ранее изменением температуры. На высоте 100 км величина g уже примерно в миллион раз меньше, чем в приземном воздухе. В термосфере падение плотности с высотой замедляется, так как из-за роста температуры и уменьшения молекулярного веса газа М растет Н. На высоте 300 км величина Н уже составляет 50 – 60 км. Соответственно плотность на этой высоте равна примерно 10-10величины q у поверхности Земли.

На этом мы заканчиваем пока нашу экскурсию по "небесным сферам". В следующей главе мы вернемся к делению на сферы по признаку распределения заряженных частиц, а в главе б подробнее расскажем о понятии "эксайтсфера".

Сейчас нам надо обратиться к области рассмотренной нами гетеросферы и поговорить об изменении нейтрального состава, поскольку это очень нужно для всех дальнейших бесед. А главным в проблеме нейтрального состава является соотношение атомы – молекулы.

Атомы – молекулы

Состав гомосферы хорошо известен. Это – состав приземного воздуха. Отличие может быть лишь в небольших примесях – малых составляющих, таких, как О3, NO, N, Н20. С основными же составляющими все ясно: 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и около 1 % аргона. Остальное как раз и есть малые составляющие, которые в сумме дают меньше 0,1% общего количества частиц.

Эта картина остается на удивление неизменной, пока мы движемся по атмосфере вверх примерно до 100 км. Здесь в число основных составляющих начинает активно вторгаться атомный кислород. Откуда он взялся в гомосфере? Конечно, из молекул O2. Ведь чем выше мы поднимаемся, тем сильнее действует на окружающие молекулы кислорода солнечное ультрафиолетовое излучение, способное диссоциировать молекулу O2, разрушить ее на два атома. Из-за этого-то процесса диссоциации и появляются начиная с высот 80 – 90 км в заметном количестве атомы О. (О том, почему этого же не происходит с молекулами N2, мы поговорим в главе 6.) На высоте турбопаузы концентрация атомов кислорода может составлять 10-20% концентрации O2.

А дальше вступает в игру молекулярная диффузия, которая правит выше уровня турбопаузы. И теперь все карты в руках более легких атомов О. Поэтому их относительная концентрация, а значит, и роль в различных процессах начинают быстро расти с высотой.