Страница 7 из 38
Очень важной современной проблемой строения верхней атмосферы является проблема граничных условий, или проблема турбопаузы. Мы уже говорили, что до высоты 105 - 120 км (турбопауза) атмосфера перемешана, а выше вступает в силу закон диффузионного разделения. Во многих моделях атмосферы считалось, что условия в турбопаузе неизменны (параметры атмосферы на h≈120 км брались обычно в качестве граничных условий) и не зависят от внешних факторов - сезона, солнечной и магнитной активности и т. п. В таких моделях все изменения состава верхней атмосферы происходили лишь за счет изменения температуры экзосферы и соответствующего перераспределения концентраций атомов и молекул по барометрической формуле.
Однако наблюдения последних лет показали, что характеристики турбопаузы не остаются неизменными - и абсолютные и относительные концентрации газов меняются в зависимости от условий. Не все эти вариации изучены до конца. Но уже ясно, что особенно остро реагирует состав газа на уровне турбопаузы на геомагнитные возмущения. Мы еще вернемся к этому вопросу в главе 4, говоря о поведении области F2 во время магнитных бурь.
Откуда ветер дует?
Исторически развитие аэрономии шло таким образом, что строение и фотохимию атмосферы рассматривали сначала в полном отрыве от атмосферной динамики. Даже область F2, более всего, как выяснилось позже, подверженную влиянию динамических процессов, первоначально считали результатом действия только процессов ионизации и рекомбинации. Лишь в конце пяти- десятых - начале шестидесятых годов стало ясно, какую большую роль играет в формировании слоя F2 амбиполярная диффузия. Еще через десятилетие подошли к пониманию роли другого динамического фактора - потоков плазмы из протоносферы в ионосферу и обратно. И наконец, в самое последнее время стали привлекать для объяснения особенностей поведения области F2 систему нейтральных ветров.
Различные динамические процессы - ветры, дрейфы, волны - привлекаются в последние годы для объяснения многих явлений в верхней атмосфере. Дальше мы увидим, как тесно связано состояние ночной ионосферы на высотах 100 - 200 км с профилем горизонтального ветра. Горизонтальные ветры могут быть причиной полугодовых вариаций нейтрального состава атмосферы и изменения количества окиси азота в нижней ионосфере, гравитационные волны влияют, видимо, на распределение профиля свечения атмосферных эмиссий и т. д.
Сколь-нибудь подробное описание (или даже классификация) динамических процессов в верхней атмосфере выходит за рамки данной книги. Равно как описание методов их исследования и связанных с этим проблем. Ограничимся здесь лишь краткой формулировкой основных положений, которые могут помочь при чтении дальнейших глав.
Когда говорят о ветрах в верхней атмосфере, то имеют в виду, как правило, движение нейтрального газа, глобальное по масштабу и медленно меняющееся во времени. На рассматриваемых здесь высотах нейтральный ветер в основном связан с тепловыми эффектами, т. е. с тем, какие географические области сильнее нагреты.
В области Е зональный ветер (ветер вдоль параллели) направлен с востока на запад зимой и с запада на восток летом. Это связано, видимо, с тем, что зимой полярная область на высотах 80 - 100 км теплее приэкваториальной, а летом - наоборот.
Меридиональная компонента ветра на этих высотах менее регулярна. В среднем зимой ветер дует к экватору на всех широтах, а летом - только на низких. В высоких широтах летом ветер чаще дует к полюсам.
Выше 200 км ветер в среднем направлен к полюсу вблизи полудня и к экватору - ночью. Скорость ветра составляет около 200 - 300 м/с на ночной стороне и 50 - 100 м/с - на дневной. Образно можно себе представить, что атмосферный газ растекается от послеполуденного вздутия к самой холодной (раннее утро) части атмосферы, как через полюс, так и зонально, вдоль параллели (на низких широтах). Ниже, в параграфе про область F, мы увидим, как эта картина нейтральных ветров используется для объяснения изменчивости высоты и формы слоя F2 в течение суток.
Вертикальные движения нейтрального газа (вертикальные ветры) измерять очень трудно, поэтому информации о них пока мало. Ясно, однако, что, во-первых, вертикальные ветры должны быть много слабее горизонтальных и, во-вторых, скорость вертикальных ветров должна расти с высотой. Современные оценки дают скорости около 1 см/с в области D и 2 - 3 м/с на высоте 300 км. Такие скорости слишком малы, чтобы вертикальные ветры могли влиять на рассматриваемые в этой книге ионизационно-рекомбинационный баланс и равновесные концентрации различных частиц. Однако в других важных проблемах верхней атмосферы (например, в проблеме теплового баланса) вертикальные ветры могут играть существенную роль даже и при небольших скоростях, приведенных выше.
Необходимо отметить здесь одну особенность системы горизонтальных нейтральных ветров на высотах 100 - 200 км. Это появление большой изрезанности профиля ветра, особенно в ночное время. В соседних слоях атмосферы, отстоящих друг от друга на 5 - 7 км, ветер может дуть в разные стороны. Ниже мы поговорим подробно о том, как это влияет на распределение ночной ионизации на этих высотах.
Для характеристики упорядоченного движения заряженных частиц в верхней атмосфере используют термин "дрейф". Дрейф ионизации может вызываться различными причинами. Прежде всего, это нейтральный ветер. На интересующих нас высотах плазма (заряженные частицы) вкраплена в достаточно плотную среду нейтральных частиц и при движении последних, естественно, движется вместе с ними. Однако присутствие в верхней атмосфере магнитных и электрических полей вызывает собственные движения заряженных частиц, поэтому дрейф последних далеко не всегда совпадает с нейтральным ветром.
Так, при движении ионосферной плазмы за счет нейтрального ветра под углом к силовым линиям магнитного поля появляется дополнительная компонента дрейфа вверх (или вниз, смотря куда, направлен нейтральный ветер). Этот вертикальный дрейф играет большую роль в формировании узких слоев в ионосфере (так называемый механизм ветрового сдвига) и в изменениях, происходящих в течение суток в области F2.
Очень активно изучаются в последнее время различные волновые процессы в верхней атмосфере. Чаще упоминаются при этом "внутренние" (низкочастотные аналоги звуковых) волны, распространяющиеся, в отличие от "внешних", не горизонтально, а вертикально. При периоде колебаний таких волн порядка нескольких минут природу волновых движений усложняет гравитация - появляются так называемые гравитационные волны.
Именно эти внутренние гравитационные волны и пытаются в настоящее время привлечь для объяснения многих явлений в верхней атмосфере, от эмиссий ночного неба до нейтрального состава во время магнитной бури. Но количество конкретных достижений в этом направлении пока невелико, поэтому мы почти не будем возвращаться к гравитационным волнам. Однако, вне сомнения, в недалеком будущем в книгах такого рода динамическим процессам и в том числе волнам придется уделять целые главы. Такова тенденция современного развития физики верхней атмосферы, или, иначе говоря, именно оттуда "дует ветер".
2. Сфера заряженных частиц
Ионосфера
Ионосферу можно образно представить себе в виде сферы заряженных частиц, окружающей Землю. Более строго под ионосферой понимают фиксированную область высот в верхней атмосфере, что-нибудь от 50 до нескольких тысяч километров.
Кое-что о структуре
На самом деле никаких четких границ ионосферы (сферы, где имеются ионы, т. е. заряженные частицы) не существует. Некоторое количество заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов) имеется даже в приземном слое воздуха. Правда, по происхождению они отличаются от заряженных частиц в собственно ионосфере, они - продукт радиоактивности, как естественной, так в последнее время, увы, и искусственной.