ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА: ВСТРЕЧА ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ СИЛ
Доктор физико-математических наук Борис ХРЕНОВ, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института
ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова _(НИИЯФ МГУ)_
Верхняя атмосфера (высоты около 100 км и более) — пограничный слой между нашей планетой и космосом — давно привлекает внимание исследователей. Простые наблюдения глазом «падающих звезд»
были объяснены учеными, как свечение при сгорании внеземных массивных тел (метеороидов и метеоров) в верхней атмосфере. Свечение в полярных областях было понято, как результат вторжения в атмосферу Земли космических протонов и электронов. Более детальные наблюдения показали, что в разных диапазонах
длин волн верхняя атмосфера в разной степени пропускает внешнее электромагнитное излучение, что во время формирования жизни на Земле определило форму этой жизни. Повышенный интерес к свойствам верхней атмосферы появился в связи с практикой полетов ракет и спутников, пересекающих все ее слои. Для движения спутников по орбите верхняя атмосфера является средой, в которой происходит их торможение. При возвращении спускаемого аппарата спутника через верхнюю атмосферу нельзя применить парашют из-за малой плотности вещества, и единственным способом предохранения аппаратов от сгорания является покрытие их жаропрочным защитным слоем достаточной толщины. Для расчета подобных слоев понадобилось точное знание распределения плотности верхней атмосферы по высоте.
0 0001
0.001
термосфера
001
я ю
е
0.1
е
ч и
а
10
Ионосфера
стратосфера
Озоновый слой
100
1000
(
тропопау тропосфер
■ .Л . ■!■■ |
Н, км
100
90 80 70 60 50 40
30 20
10
0
130 200 220 240 260 280 300 320
Температура, К
Строение атмосферы. Правая шкала — высота в атмосфере. Левая шкала — давление в Мбарах.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
В последние годы особенное внимание привлекла проблема сосуществования верхней и нижней атмосфер. Несмотря на защитную роль верхней атмосферы, основной поток солнечного излучения проходит через всю атмосферу и достигает поверхности Земли. Здесь поглощается гигантское количество солнечной энергии, возникают грандиозные атмосферные и океан -ские потоки вещества и энергии, которые не идут в сравнение с частью солнечной энергии, поглощаемой в верхней атмосфере. Поэтому следует ожидать, что даже небольшая часть энергии, передаваемой из нижней атмосферы в верхнюю, может играть значительную роль в формировании ее характеристик.
При обсуждении характеристик атмосферы принято разбивать ее на более мелкие части, чем нижняя и верхняя. До высот около 100 км состав атмосферы довольно стабилен — это смесь азота (78%) и кислорода (21%) с примесями других газов (более всего представлен аргон — около 1%), паров воды и частиц пыли (аэрозоли). В тропосфере (высоты до 8—9 км) сосредоточена примерно половина массы атмосферы. Здесь присутствуют пары воды и частицы льда, а также большинство аэрозолей, происходящих от выветривания грунта и человеческой деятельности. Пары воды и частицы льда образуют облака и гигантские облачные образования, которые играют важную роль в электрических процессах в атмосфере. В тропосфере температура быстро падает с высотой (вблизи уровня моря и суши она определяется температурой нагретой Солнцем поверхности Земли). В стратосфере (на высотах 10—50 км) давление атмосферы на 1—2 порядка ниже, чем в тропосфере. При том же основном газовом составе в стратосфере важную роль играет озоновый слой (молекула кислорода О3), который отвечает за поглощение солнечного УФ излучения. Температура стратосферы повышается с высотой благодаря возрастанию интенсивности солнечного излучения в области ультрафиолета.
Выше стратосферы находится ионосфера, где располагается смесь свободных электронов, положительных ионов атомов и молекул атмосферы. Следует отметить, что ионы ионосферы составляют лишь малую часть массы верхней нейтральной атмосферы. Ионосфера играет важнейшую роль в земных электрических процессах. На высотах более 100 км происходит существенное изменение ее состава. Начиная с 200 км важнейшую роль играет атомарный кислород. На еще больших высотах, более 800 км, где плотность атмосферы сравнима с космической (внеземной) плотностью вещества, главными элементами становятся гелий и водород.
На расстояниях от поверхности Земли более 800 км число заряженных частиц (электронов и протонов, другими словами, ионизованных атомов водорода) все еще достаточно, и магнитное поле Земли велико (оно заметно падает лишь на расстояниях значительно больше радиуса Земли — 6000 км), поэтому образуются радиационные пояса Земли.
Внутренний пояс Земли, состоящий, в основном, из протонов, был открыт американским физиком Ван-Алленом в 1958 г. В том же году советскими физиками (Сергей Вернов, Александр Чудаков, Петр Вакулов, Евгений Горчаков, Юрий Логачев) был открыт внешний радиационный пояс (дальше от Земли), состоящий в основном из электронов. Оба пояса подвергаются давлению солнечного ветра, и картина распределения частиц поясов несимметрична: частицы прижаты к Земле со стороны Солнца (подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов), а в тени Земли частицы поясов уходят так далеко (сотни земных радиусов), что хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Распределенные вокруг планеты заряженные частицы, связанные в единую систему с геомагнитным полем, называются магнитосферой Земли. Частицы, попавшие в «ловушку» такого поля, колеблются между полюсами планеты, так как отталкиваются от геомагнитных полюсов увеличивающимся магнитным полем. Области проникновения частиц поясов в верхнюю атмосферу, где они поглощаются в столкновениях с молекулами и атомами атмосферы, определяются структурой геомагнитного поля и имеют известные из эксперимента широты и долготы. В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля ослабляется, и некоторые частицы солнечного ветра получают возможность слиться с земной магнитосферой. Солнечный ветер — это истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне земной орбиты средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц — несколько десятков в 1 см3. Хвост магнитосферы служит местом формирования потоков «высыпающихся» частиц, которые возвращаются к полярным районам Земли и вызывают полярные сияния.
Различные слои атмосферы по-разному воспринимают солнечное излучение. В верхней атмосфере важнейшим эффектом является поглощение атмосферой солнечного УФ, рентгена, потока заряженных солнечных частиц и частиц, высыпающихся из магнитосферы. Солнечное излучение не только нагревает атмосферу, но и ионизует атомы и молекулы. В тропосфере важнейший эффект — нагревание зем-
Радиационные пояса Земли (магнитосфера) под действием солнечного ветра.
Интенсивность заряженных частиц, измеряемых на одном витке спутника с полярной орбитой как функция времени измерения (ЦТ) на витке (через 1,5 часа спутник оказывается на той же широте), что соответствует измерению зависимости от широты Земли.
Видны пики интенсивности разного происхождения: 1 — полярные зоны, где космические частицы проникают через геомагнитное поле, 2 — зона полярных сияний, 3 — частицы внутреннего радиационного пояса, 4 — частицы внешнего радиационного пояса, 1* — частицы Южно-Атлантической магнитной аномалии.
Данные спутника МГУ «Татьяна».
Полярное сияние в верхней атмосфере.
Спутник МГУ «Татьяна» на испытании в лаборатории.
ной поверхности солнечным излучением. Здесь, как было сказано, солнечное излучение выделяет гигантскую энергию, которая отвечает за динамику поверхности Земли — океана и атмосферы.
Образованные в верхней атмосфере ионы и электроны рекомбинируют в нейтральные молекулы и атомы, но скорость рекомбинации в разряженной атмосфере невелика, и здесь образуется слой ионосферы (реально несколько слоев ионов с различными зарядами и массами).
Сила тяжести и вращение Земли захватывает ионы в движение поперек земного магнитного поля, и в результате появляется электрическое поле, направленное перпендикулярно к магнитным силовым линиям. На экваторе, где магнитные силовые линии параллельны поверхности Земли, электрическое поле направлено по вертикали к планете. Электрическое поле Земли образуется также вне атмосферы при пересечении потоком заряженных частиц солнечного ветра земного магнитного поля. Конфигурация этого электрического поля органически связана с направлением солнечного ветра, активностью Солнца. Энергия, выделяемая глобальным электрическим полем, зависит от количества ионов в ионосфере, которое пополняется не только на дневной стороне Земли — за счет солнечного излучения и солнечного ветра, но и на ночной стороне — за счет частиц космических лучей внесолнечного происхождения. Однако самым эффективным источником ионов являются грозовые разряды. Глобально в атмосфере Земли непрерывно действуют около 2000 грозовых образований, и частота молний составляет около 30 в секунду. Географический максимум активности гроз находится в приэкваториальном районе над Африкой, Юго-Восточной Азией и Южной Америкой. Потенциал электрического поля Земли составляет от 200 до 400 кВ. В безоблачных районах планеты атмосфера является слабопроводящей, так что земной электрический генератор работает в среднем с мощностью порядка 105 МВт.
Электрические разряды в атмосфере сопровождаются всплесками электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн от УФ и видимого света (транзиентные световые явления) до радиоизлучения (атмосферики), которые создаются при локальных сильных возмущениях электрического поля в районе самого разряда. Радиоволны, проникающие в магнитосферу, встречают в ее структуре резонаторы, «настроенные» на определенные длины волн (когда длина волны равна размеру структуры магнитосферы). Порядок величины подобных структурных элементов
магнитосферы — тысячи км, что соответствует частотам радиоволн порядка долей Гц. Этот диапазон частот называется «очень малыми частотами» и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.