Алексей Данилов - Популярная аэрономия

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.

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.

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.

Далеко не так очевидна причина появления "полугодовых" вариаций, дающих максимумы в периоды равноденствий, а минимумы в периоды солнцестояний (или наоборот). Тем не менее из экспериментов известно, что такие вариации существуют.

Наконец, верхняя атмосфера должна реагировать на различные возмущения, прежде всего геомагнитные, поэтому говорят о вариациях атмосферных параметров с магнитной активностью.