ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Состав и строение верхних слоев атмосферы из "Распространение радиоволн Издание 4 " Ионосферой принято называть ионизированную область атмосферы,,расположенную на высотах, превышающих 60/сл . [c.184] К прямым измерениям относятся измерения давления, пературы и течений при помощи стратостатов, шаров-зондов, радиозондов и определение состава воздуха путем взятия проб. В последние годы ДЛЯ изучения строения и состава атмосфе,ры применяют приборы (манометры, масс-спектрографы, измерители электронной концентрации и др.) устанавливаемые на геофизических ракетах, на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и на космических станциях. При помощи шаров-зондов и радиозондов изучена область атмосферы вплоть до 40 км. Ракеты, ИСЗ и космические станции позволяют изучать строение атмосферы во всей ее толще. [c.184] К косвенным методам относятся наблюдения за полярными сияниями (включая спектральный анализ полярных сияний), за свечением ночного неба, за траекториями метеоров, за распространением радиоволн (в том числе радиоволн, излучаемых Солнцем, звездами и туманностями), за распространением атмосфериков и звукометрические измерения. [c.184] Важным методом изучения верхних слоев атмосферы является наблюдение за распространением вертикально направленных и наклонных радиоволн, осуществляемое на станциях вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирований ионосферы. В самые последние годы для измерения электронной концентрации начали применяться мощные радиолокационные станции, регистрирующие рассеянное некогерентное излучение, создаваемое входящими в состав ионосферы электронами. [c.184] Совокупность всех применяемых методов исследования позво-лила получить достаточно полное представление о строении атмосферы. По современным представлениям земная атмосфера простирается на два-три земных радиуса. При этом под атмосферой принято понимать газовую оболочку, принимающую участие во вращательном движении Земли. Внешние части атмосферы состоят из ионизированных атомов водорода (протонов), гелия и электронов, захваченных магнитным полем Земли (которое играет роль ловушки ) и движущихся вдоль силовых линий и вокруг Земли. Эти частицы образуют радиационные пояса Земли. Во время геомагнитных возмущений протяженность вращающегося вместе с Землей ионизированного газа воЗ(растает и при особенно сильных возмущениях может составлять десять земных радиусов. [c.185] Данные наблюдений показывают, что вплоть до высоты 90 км атмосфера имеет такой же состав, как и у поверхности Земли. Полагают, что господствующие в этой области атмосферы течения и восходящие и нисходящие токи воздуха настолько хорошо перемешивают атмосферу, что обеспечивают, несмотря на различие в в массах составных частей воздуха, постоянство ее состава. Нижние слои атмосферы состоят, главным образом, из молекулярных азота и кислорода. Состав сухого воздуха на уровне моря показан в табл. 4.1. [c.185] На больших высотах различие в массах составляющих атмосферу газов приводит к расслоению атмосферы, при котором более тяжелые газы располагаются преимущественно в нижних слоях. [c.185] Поскольку спектр видимого света ограничен волнами 0,4 и 0,75 мк, приходим к выводу, что диссоциация молекул кислорода и азота может происходить только под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Необходимо, однако, отметить. [c.186] Обработка наблюдений, произведенных при помощи установленных на геофизических ракетах и космических станциях приборов, показывает, что диссоциация О2 начинается с высоты порядка 90 км, а реакции, приводящие к образованию N — с высоты 200 км. [c.186] Ориентировочный состав атмосферы схематически и весьма условно показан на рис. 4.1 [47]. По оси абсцисс отложено относительное содержание числа частиц (молекул или атомов), а по оси ординат — высоты. Как видно из рисунка, область постоянного состава простирается до 90 км, после чего начинается расслоение, (стратификация) атмосферы. Почти до высоты 300 км доминирующей составной частью атмосферы является молекулярный азот. Это объясняется тем, что и в области постоянного состава основной частью атмосферы является азот, а вследствие его меньшего (по сравнению с кислородом) молекулярного веса, содержание молекулярного азота с высотой убывает медленнее, чем содержание молекулярного кислорода. Молекулярный кислород практически исчезает на отметках, превышающих 210 км. Атомарный кислород становится преобладающей частью атмосферы на высотах 300 км и более. В интервале высот от 30 до 60 км под действием солнечного излучения образуется область озона, не показанная на рис. 4.1, а в интервале высот от 60 до 90 км под влиянием происходящих фотохимических реакций образуется окись азота N0. Относительное Содержа ние в процентах N ш N0 на высотах 100, 200 и 300 км указано цифрами правее рисунка. Оно очень незначительно и его нельзя было бы наглядно показать в масштабе оси абсцисс. На высотах 400 км и выше делается заметным присутствие гелия, а на еще больших отметках (за пределами масштаба высот графика) —водарода. [c.186] Ионный состав атмосферы изучался при помощи масс-спектрометров, установленных на борту советских мощных геофизических ракет [48], а также на ИСЗ и космических станциях. При помощи третьего ИСЗ были получены первые сведения о ионном составе атмосферы в интервале высот от 225 до 980 км и для области широт 27—65° с. ш. [49—51]. [c.186] Выражение (4.6), известное под названием барометрической формулы, устанавливает зависимость между давлением и высотой над поверхностью Земли. [c.188] Физический смысл высоты однородной атмосферы Н заключается в том, что она представляет собой высоту атмосферы постоянной плотности ро, создающей такое же давление, как и действительно наблюдаемое. Для атмосферы постоянного состава при температуре Г=273 К Н=8 км. Для молекулярного кислорода дри той же температуре Я=7,2 км. [c.189] Многочисленные измерения распределения давления по высоте атмосферы, осуществленные за последние годы при помощи ИСЗ и космических кораблей, а также наблюдения за торможением ИСЗ и космических кораблей в земной атмосфере вследствие трения о воздух показали, что в действительности атмосфера Земли является гораздо более плотной, чем это предполагали раньше. Сейчас установлено, что вследствие изменения теплового режима атмосферы (например, под действием хромосферных вспышек на Солнце) распределение плотности по высоте атмосферы, особенно на уровнях, превышающих 100—200 км, подвержено колебаниям Поэтому можно говорить только о средних значениях плотности. В настоящее время принимаются следующие значения молекулярной плотности [52] для высот 100, 200 и 300 км соответственно 3-10 2 10 0 и 10 частиц в см . [c.189] Температурный максимум на высоте 60 км вызывается процессами образования Оз. Вторичное возрастание температуры на более высоких уровнях вызвано поглощением солнечной радиаций при образовании ионизированной области. [c.190] Температуру разреженной атмосферы следует понимать в соответствии с кинетической теорией газов, а именно как величину, характеризующую среднюю тепловую скорость движения молекул, атомов и электронов. Именно в этом отношении делают различие между электронной температурой и температурой нейтральных частиц. Начиная с высот 130—150 км, температура заряженных частиц обычно на несколько сотен градусов превышает температуру нейтральных частиц. Объясняется это тем избытком энергии, который приобретают заряженные частицы в процессе ионизации (см. параграф 4.2). По изложенным причинам температуру верхних слоев атмосферы часто называют кинетической. [c.191] Необходимо иметь в виду, что в верхних слоях атмосферы так же, как и в тропосфере, существуют ветры и вертикальные течения воздуха, приводящие к турбулентности и образованию местных неоднородностей. Верхние слои атмосферы представляют собой неустойчивое во времени образование, подверженное флуктуациям. [c.191] Вернуться к основной статье