Чтение онлайн

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 е6400 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.

Со своими "родителями", молекулами О2, атомы О расправляются быстро. Уже на 120 - 130 м величины [О] и [O2] сравниваются, и выше атомов кислорода много больше, чем молекул. С молекулами азота дело несколько труднее, поскольку они не так подвержены разрушению в результате диссоциации, как O2. Но неумолимые законы диффузионного разделения приводят к тому, что на высотах 160 - 180 км сравнивается концентрация О и N2. Выше у атомного кислорода нет конкурентов среди молекул - он основная (доминирующая) компонента атмосферы. Его концентрация определяет общую плотность атмосферы, ионизация атомов О является основным процессом ионизации, высота однородной атмосферы Н для атмосферного газа равна величине Н для атомного кислорода и т. д.

Все это происходит на высотах от 160 - 180 до 600 - 700 км. Ну а выше? Кто может конкурировать с атомами О, если с молекулами O2 и N2 покончено еще внизу? Только другие атомы. Мы уже приводили в качестве примера некоторые данные о скорости возрастания концентрации гелия (напомним, что гелий в четыре раза легче кислорода - его атомный вес равен 4). На уровне турбопаузы количество гелия ничтожно мало - примерно один атом Не на 104 окружающих молекул. Но по законам молекулярной диффузии его относительная концентрация непрерывно и быстро растет. И вот выше 600 км он вступает в борьбу с атомным кислородом. И конечно, побеждает. Но и его царству приходит конец. Его вытесняет еще более легкий газ - водород, который в четыре раза легче гелия. Водорода в области турбопаузы еще меньше, чем гелия (около 10-9 общего числа частиц), но диффузионное разделение к нему еще более благожелательно. Поэтому в конце концов он становится основной атмосферной компонентой (концентрации Н и Не сравниваются на высотах 1500 - 2000 км).

С водородом уже конкурировать некому - это самый легкий газ. Поэтому он и остается основной компонентой атмосферы до самого ее "конца", т. е. до той весьма размытой границы, где экзосфера переходит в межпланетный газ, тоже, кстати, состоящий в основном из водорода.

Итак, все, что мы рассказали в этом параграфе, можно сформулировать очень кратко. До высоты 105 - 110 км атмосфера перемешана и ее состав постоянен. Выше начинает расти доля более легких газов. До 160 - 180 км доминируют молекулы (в основном N2), которых сменяют атомы кислорода (180 - 600 км). На высотах от 600 до 1500 км основной компонентой атмосферы является гелий, а выше - водород.

Казалось бы, все просто и ясно, и на проблеме состава атмосферы можно поставить точку. И это действительно было бы так, если бы не сильная изменчивость состава.

Эти бесчисленные вариации...

Как следует из предыдущего параграфа, общая картина изменения плотности и состава атмосферы с высотой нам теперь ясна. Но общей картины еще не достаточно. Для практических целей необходимы конкретные цифры. Мало знать, что атомный кислород является основной компонентой атмосферы, скажем, на высоте 300 км. Нужно знать, сколько атомов О в кубическом сантиметре газа там имеется. И сколько молекул N2. Иначе говоря, каково отношение [0]/[N2].

Выясняется, что ответить на эти вопросы в общем нельзя. Необходимо указать точно, в каких условиях: в какой сезон, в какое время суток, на какой широте, при какой активности Солнца и магнитной активности. Вот, оказывается, сколько различных факторов влияет на изменение нейтрального состава верхней атмосферы!

Но мало понимать, что они влияют. Надо еще знать - как. Сегодня главная проблема строения верхней атмосферы - как и в зависимости от каких внешних факторов изменяются ее основные параметры (плотность, температура и состав) на каждой высоте.

Проблема эта очень сложна, и, поскольку она находится в стадии решения, нет недостатка в противоречивых данных, не до конца обоснованных предложениях и недоказанных заключениях. Рассмотрим поэтому здесь картину вариаций атмосферных параметров лишь в самом общем виде.

Какие же факторы могут (или должны) влиять на состояние нейтрального газа верхней атмосферы на данной высоте?

Прежде всего, очевидно, время суток. Ведь освещенность атмосферы Солнцем зависит главным образом от этого параметра. А Солнце - основной поставщик энергии, поступающей в атмосферу. По этой же причине следует ожидать и изменения состояния верхней атмосферы с изменением солнечной активности. И все с тем же Солнцем связана зависимость параметров верхней атмосферы от сезона - ведь освещенность зимнего полушария много меньше, чем летнего. Эта зависимость дает так называемые годовые вариации, скажем, максимум зимой, минимум летом или наоборот.