Серебристые облака

Что считать границей атмосферы. Строение атмосферы с точки зрения ее взаимодействия с солнечными лучами

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: F1 (130–180 км) и F2 (180–1000 км). Максимум электронной концентрации (равной на этих высотах концентрации положительных ионов) достигается на высотах 250–300 км. Она равна там примерно 106 электронов/см3.

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 (103 электронов/см3) 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  ).

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 O2

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.

Хорошо известно значение озоносферы для защиты всего живого на Земле – растений, животных и людей – от губительного действия солнечных ультрафиолетовых лучей. Любые процессы, связанные с деятельностью человека, которые способны привести хотя бы к частичному разрушению озонного слоя, могут иметь роковые последствия для жизни на Земле.

В отличие от температуры, давление р  и плотность ρ  воздуха убывают с высотой монотонно, в соответствии с так называемой барометрической формулой

В заключение остановимся на некоторых явлениях, происходящих в атмосфере. Образование обычных (тропосферных) облаков происходит, как правило, на высотах от 0,5 до 6 км (слоистые, дождевые, кучевые). На больших высотах плавают высоко кучевые и высоко слоистые облака. Однако выше 7,5 км облака почти целиком состоят из ледяных кристаллов: это перистые облака, высота которых может доходить до 15–17 км.

Еще выше, на уровне 25–30 км, наблюдаются так называемые перламутровые облака  – явление гораздо более редкое, чем серебристые облака.

На высотах от 120 до 70 км происходит испарение и плавление входящих в атмосферу метеорных тел – наблюдаются метеоры , свечение которых в основном определяется излучением атомов и ионов метеорных паров. На уровнях 80–100 км наблюдается некоторое относительное изобилие метеорных атомов, и ионов: здесь они образуются, после чего смешиваются в ходе диффузии с атомами и молекулами воздуха.

При полете метеора за ним формируется ионно электронный след, отражающий метровые радиоволны. Весь этот комплекс явлений принято называть метеорными явлениями .

Еще выше расположена область полярных сияний 

Обычно разные формы полярных сияний располагаются на высотах от 100 до 1000 км, хотя иногда нижние границы дуг полярных сияний спускаются до 80 км. Как показывает спектральный анализ, основной вклад в свечение полярных сияний вносит излучение атомарного кислорода (особенно в зеленой линии 5577 А°), атомарной) азота, их ионов, молекул азота и кислорода и их ионов, а также водорода, гелия, натрия. Возбуждение свечения всех этих частиц происходит за счет их соударений с быстрыми заряженными частицами, летящими от Солнца (солнечный ветер). Это – протоны, электроны и ионы различных элементов, а также нейтральные атомы. Но основную роль в возбуждении свечения полярных сияний играют протоны и электроны. Поскольку эти частицы – заряженные, их траектории отклоняются магнитным полем Земли в сторону геомагнитных полюсов, поэтому сияния наблюдаются преимущественно в полярных районах.

Кроме полярных сияний, наблюдается еще общее свечение ночного неба , вызванное как возбуждением за счет столкновений, так и флуоресценцией газов атмосферы в результате фотовозбуждення (это свечение наблюдается вскоре после захода Солнца).

Мы закончили обзор строения верхних слоев атмосферы. Остается добавить, что в настоящее время все они доступны прямому изучению приборами, доставляемыми на самолетах (до 15–20 км), аэростатах (до 40 км), геофизических ракетах (до 250 км), искусственных спутниках Земли (до границ атмосферы).

Кстати, а что считать границей атмосферы? Исследования последних лет показали, что ионосфера простирается до высот в тысячи и десятки тысяч километров. Поэтому понятие границы атмосферы весьма условно. Часто принимают высоту этой границы в 2000 км. То, что выше, называют протоносферой  – оболочкой, состоящей из ядер атомов водорода – протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц захваченных магнитным полем нашей планеты движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли.