Виталий Бронштэн - Серебристые облака и их наблюдение

Но поглощение солнечных ультрафиолетовых лучей приводит и к другому процессу — к диссоциации молекул кислорода на атомы. Этот процесс начинается от высоты 30 км и заканчивается на высотах 120–130 км. Выше весь кислород оказывается диссоциированным, т. е. состоящим из атомов.

С главным компонентом земной атмосферы — азотом положение сложнее. Вероятность (или, как принято говорить, эффективное сечение) диссоциации за счет прямого поглощения солнечных лучей у молекулы азота крайне мала. Диссоциация азота возможна лишь в результате более сложных реакций, например, диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов азота. Иначе говоря, сперва происходит ионизация молекулы азота, а потом молекулярный ион рекомбинирует с электроном, распадаясь при этом на два атома азота. Есть еще ряд реакций с участием иона молекулы окиси азота NO +, в результате которых образуется атомарный азот. Но для осуществления первой из этих реакций — фотоионизации молекулы азота — необходимо излучение с длиной волны менее 1270 А°. Поэтому диссоциация азота начинается выше, чем диссоциация кислорода, а именно, начиная с 200 км, причем концентрация атомов азота начинает превышать концентрацию молекул только на высоте 400 км.

Что же обусловливает продолжающийся рост температуры с высотой в верхней термосфере (выше 150 км)? В основном — опять-таки ультрафиолетовое излучение Солнца. В верхних слоях атмосферы происходит ионизация атомов и молекул, образуются слои заряженных частиц, известные под общим названием ионосфера . Но солнечные лучи, ионизуя атомы и молекулы воздуха, сообщают им дополнительную энергию, переходящую в скорости беспорядочных движений, что и проявляется в увеличении температуры до 2000 градусов на высоте около 1000 км. Заряженные частицы путем столкновений передают энергию нейтральным частицам.

Выше 100 км начинается диффузионное разделение газов, поскольку перемешивание на этих высотах уже не играет той роли, как на более низких уровнях. Химический состав атмосферы начинает меняться с высотой. Эта область переменного состава атмосферы называется гетеросферой , тогда как] область постоянного состава (ниже 100 км) называется гомосферой .

Если до высоты 180 км главным компонентом атмосферы продолжают оставаться молекулы азота, то в интервале высот 180–600 км их место занимают атомы кислорода. Между 600 и 1600 км главным компонентом является гелий, еще выше — атомарный водород. Нужно, однако, помнить, что границы эти условны и зависят от времени суток, а также от уровня солнечной активности.

Рассмотрим теперь строение атмосферы с несколько иной точки зрения, а именно с точки зрения ее взаимодействия с солнечными лучами. Хотя об этом уже не раз говорилось, мы совершим здесь как бы путешествие вместе с солнечным лучом в направлении сверху вниз. Это позволит привести все сказанное о взаимодействии излучения Солнца с атомами и молекулами атмосферы в стройную систему.

Солнечные лучи вступают на границу земной атмосферы как бы широким фронтом — на всех длинах волн. Сначала происходит ионизация атомов водорода (преобладающих, как мы видели, выше 1600 км), затем атомов гелия и кислорода. Но из-за разреженности атмосферы на больших высотах поглощение солнечного излучения выше 300 км практически незаметно.

Однако ниже 300 км поглощение ультрафиолетовых лучей постепенно растет в результате ионизации сначала атомов кислорода, затем атомов и молекул азота и молекул окиси азота и, наконец, молекул кислорода. Поглощаются в основном лучи с длинами волн от 100 до 1020 А° (энергия фотона с длиной волны 1020 А° соответствует потенциалу ионизации атома кислорода — это наименьшая энергия, необходимая для отрыва от атома внешнего электрона). Уже на высотах 120–140 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Зато она обеспечивает ионизацию самого мощного слоя ионосферы — слоя F, который принято подразделять на два подслоя: F 1(130–180 км) и F 2(180—1000 км). Максимум электронной концентрации (равной на этих высотах концентрации положительных ионов) достигается на высотах 250–300 км. Она равна там примерно 10 6электронов/см 3.

Ниже 130 км проходят мягкие рентгеновские лучи (30—100 А°), которые ионизуют слой Е ионосферы (90—130 км). Жесткое рентгеновское излучение доходит до высот 60 км и образует самый нижний, хотя и обладающим наименьшей электронной концентрацией (10 3электронов/см 3) слой D ионосферы.

Надо заметить, что мы нарисовали здесь лишь самую общую схему процессов. Ведь, кроме ионизации, непрерывно «работает» обратный процесс — рекомбинация, приводящий к уничтожению ионов и электронов, к воссоединению их в нейтральные частицы. Изучением процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы с атомами, молекулами, ионами и электронами при их взаимодействии друг с другом и с солнечным излучением, занимается наука аэрономия [1] Весьма популярное изложение основ этой науки читатель найдет в книге:. Данилов А. Д . Популярная аэрономия. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 136 С. ).

Вернемся к солнечному излучению. Потеряв на высоте 100 км полностью свой самый коротковолновый участок λ < 1020 А°), оно начинает далее испытывать поглощение лучей на бóльших длинах волн. Молекулы кислорода поглощают излучение в континууме Шумана — Рунге (1760–1220 А°) энергия которого расходуется на их диссоциацию. Ниже 80 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Однако излучение в области полос Шумана — Рунге (1925–1760 А°) проходит и продолжает диссоциировать молекулы кислорода ниже 80 км. Образовавшиеся атомы кислорода могут взаимодействовать со своими молекулами и с какой-нибудь третьей частицей (обозначим ее буквой М), образуя в таких тройных столкновениях молекулы озона O 2

O 2+ O+ M—> O 3+ M

Так образуется слой озона, или озоносфера . Он не может образоваться выше 80 км, поскольку вероятность тройных столкновений быстро падает с уменьшением плотности атмосферы на больших высотах. Не может озон образовываться и ниже 10 км — там нет атомов кислорода, поскольку излучение в области полос Шумана — Рунге полностью поглощается выше этого уровня.

Но озон сам является мощным поглотителем ультрафиолетовых лучей вплоть до длины волны 3100 А°. Энергия этих лучей расходуется на диссоциацию молекул озона, уравновешивая их образование в ходе тройных столкновений. Максимальная концентрация озона достигается на высотах 25–30 км. Этот уровень не совпадает с уровнем озонного максимума температуры 60–55 км. Происходит это потому, что лучи, несущие наибольшую энергию, поглощаются выше и до уровня максимальной концентрации озона не доходят. Те же лучи, которые достигают этого уровня, имеют относительно небольшую энергию и не могут нагреть молекулы озона, а через них — и других газов до достаточно высоких температур. Поэтому, как ни странно, в области максимальной концентрации озона температуры довольно низкие.