big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Состав и температура верхних слоев земной атмосферы по данным полярных сияний

Давно известно, что атмосфера Земли простирается на несколько сот километров, причем плотность воздуха постепенно уменьшается с высотой. Верхние слои атмосферы привлекали внимание исследователей еще раньше, чем стало очевидным их практическое значение.

Первые подъемы человека в воздух на аэростатах дали для науки очень многое. Выдающуюся роль в исследовании атмосферы сыграли полеты советских воздухоплавателей, поднимавшихся со сложным оборудованием на высоту до 22 км. Изобретенные учеными нашей страны радиозонды поднимались с приборами на еще большие высоты, примерно до 35 км. В послевоенные годы для исследования верхних слоев атмосферы стали использоваться ракеты, а в самые последние годы — искусственные спутники Земли. Они поднимают на сотни километров разнообразные автоматические приборы. Но ракеты только начинают свои рейсы в верхние слои атмосферы, и пока наиболее многочисленные и важные данные об атмосфере на высоте около 100 км и выше получены косвенными методами, т. е. путем исследования с Земли природных явлений, происходящих в этих слоях атмосферы. Среди этих явлений важную роль играют полярные сияния, исследование которых, как мы уже знаем, позволило установить состав воздуха на больших высотах.

Прежде считалось, что состав высоких слоев атмосферы должен значительно отличаться от состава воздуха вблизи поверхности Земли. При этом исходили из предположения, что в нижних слоях атмосферы, вследствие сильных воздушных течений, газы атмосферы хорошо перемешаны, а начиная с известной высоты такое перемешивание прекращается, и в более высоких слоях происходит частичное разделение тяжелых и легких газов. Тяжелые газы располагаются ближе к Земле, а легкие выше. По расчетам выходило, что на высоте 100 км, где происходят полярные сияния, процентное содержание газов (по объему) должно быть следующим: азота — 2,95, кислорода — 0,11, водорода — 95,58 и гелия — 1,31%. В то же время у поверхности Земли, как известно, сухой воздух содержит 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, около 0,03% углекислого газа и 0,01 % составляют вместе взятые неон, гелий, криптон, водород, ксенон и др. Следовательно, главной составной частью атмосферы на высоте 100 км должен быть водород. Однако, как мы видели из предыдущей главы, спектр полярного сияния состоит из линий и полос, принадлежащих главным образом кислороду и азоту. Линии водорода и гелия в спектре полярных сияний проявляются слабо и нерегулярно.

На рис. 32 приведены две спектрограммы полярных сияний. Левая спектрограмма получена для обычного сияния, а правая — для сияния, освещенного Солнцем и расположенного на несколько сот километров выше обычного. Сравнивая эти две спектрограммы, можно заметить, что на правой спектрограмме линии 4278, 3914 и 6300 А ярче, чем соответствующие линии на левой. Наоборот, зеленая линия 5577 А ярче на левой спектрограмме. Иначе говоря, зеленая линия в спектре сияния, освещенного Солнцем и расположенного выше обычного сияния, несколько погасла, а красная линия значительно усилилась. Стали ярче и линии, принадлежащие молекулярному азоту. Кислород и азот остаются главными составными частями атмосферы до самых высоких границ, на которые простираются лучи полярных сияний и на высоте большей, чем средняя высота нижнего края полярных сияний, диссоциация молекул азота на атомы далеко не является полной. Спектр освещенных Солнцем сияний, находящихся на высоте 1000 км, также состоит из линий, принадлежащих азоту и кислороду. Между тем, по старым взглядам, на этих высотах атмосфера должна быть почти исключительно водородной.

Таким образом, из спектров полярных сияний можно было заключить, что на высотах от 100 км и выше атмосфера такая же «перемешанная», как и в нижних слоях, и состав воздуха продолжает оставаться азотно-кислородным. Это заставило исследователей пересмотреть старые представления о составе и строении верхних слоев атмосферы.

Одной из причин приблизительного постоянства состава воздуха может быть наличие на этих высотах сильных ветров, вследствие чего происходит постоянное перемешивание газов. Существование таких быстрых горизонтальных движений атмосферы на больших высотах подтверждают, например, наблюдения за движением метеорных следов и так называемых серебристых облаков. Эти облака иногда бывают видны на темном фоне неба после захода и перед восходом Солнца, когда его лучи освещают верхние слои атмосферы, а нижние погружены в тень. Серебристые облака, как это было установлено впервые русскими учеными (Цераским, Покровским,. Орловым

Спектрограмма двух полярных сияний

и др.), расположены на почти неизменных высотах, в среднем равных 82 км; скорость их движения составляет многие десятки, а часто и сотни метров в секунду.

Есть указания на существование еще больших скоростей. В январе 1940 г. в Норвегии наблюдались облакообразные полярные сияния, которые перемещались со скоростями от 200 до 800 м/сек., в западном направлении. Перемещение и деформация «языка» та кого сияния изображены на рис. 33.

Из анализа фотографий полярных сияний в Иеркской обсерватории можно было установить наличие дрейфа отдельных мест сияний в западном направлении в вечерние часы и в восточном — в утренние.

Наибольшие скорости, зарегистрированные в течение 1952 г., были 600 м/сек. к западу в вечерние часы и примерно 1400 м/сек. в послеполуночное время.

Исследование воздушных течений в высоких слоях атмосферы представляет собой задачу большого практического и теоретического

Движение и деформация "языка" облакообразного сияния, наблюдавшегося в ночь с 3 на 4 января 1940 г.

значения. Если, пользуясь так называемой барометрической формулой, выражающей связь между давлением атмосферы и высотой над земной поверхностью, подсчитать уменьшение давления с высотой, то окажется, что давление на высоте 500 км будет совсем незначительным. Согласно этим расчетам, давление на верхней границе длинного луча полярного сияния должно быть почти в миллион раз меньше, чем на его нижней границе. Однако, наблюдая занавеси и длинные лучи сияний, можно видеть, что они светятся без заметного уменьшения интенсивности от нижнего края до верхней границы.

Таким образом, воздух обнаруживает себя достаточно заметно вплоть до высоты 1000 км, на которой располагаются иногда концы лучей полярных сияний, освещенных Солнцем. Других явлений, относящихся к слоям выше этого уровня, пока не обнаружено. Указанный уровень можно считать условно верхней границей земной атмосферы.

Одной из причин медленного уменьшения плотности воздуха с высотой является, по-видимому, его высокая температура в верхних слоях атмосферы. Температура начинает повышаться с уровня 85—90 км, а на высоте 100 км она, судя по некоторым косвенным данным, составляет около +37° по шкале Цельсия (или 310° по абсолют ной шкале температуры). На высоте 200 км температура воздуха, возможно, еще на несколько сот градусов выше. На большей высоте температура должна еще возрасти. Предполагаемая зависимость температуры атмосферы от высоты, полученная из различных данных (прямых и косвенных определений), приведена на рис. 34. Делались попытки определять температуру в областях полярных сияний по самим спектрам сияний. Это возможно сделать, изучая ширину не которых спектральных линий и полос сияний, которая зависит от теплового движения излучающих атомов и молекул, или используя зависящие от температуры изменения в распределении интенсивных полос азота. Результаты многочисленных измерений температуры в области сияний по данным Вегарда приведены в табл. 3.

Как видно из таблицы, по определениям, полученным из спектров сияний, средняя ночная температура, отнесенная к высотам 90—140 км, составляет — 44° Ц, т. е. примерно на 80° ниже температуры, полученной другими методами. Долгое время причина расхождений оставалась неясной. Выяснить ее удалось лишь в конце 1950 г.

В условиях большого разрежения воздуха в верхних слоях атмосферы молекулы сталкиваются одна с другой относительно редко. За короткое время пребывания молекулы в возбужденном состоянии не успевает установиться равновесие между свойствами молекул, от которых зависит распределение интенсивности полос спектра, и скоростью поступательного движения молекул, определяющей температуру газа. По этой причине температура, определяемая по спектрам, примерно в полтора раза меньше фактической. Если увеличить

Зависимость температуры атмосферы от высоты

температуру 229° (в градусах абсолютной шкалы), определенную по спектрам полярных сияний, в полтора раза, то получающееся значение 343° (+70° Ц) согласуется с результатами, полученными с по мощью других методов.

Из анализа спектров вершин длинных лучей сияний, освещенных Солнцем, Вегардом показано, что температура в области полярных сияний практически не возрастает с высотой. Не подтверждается мнение о возрастании температуры во время полярных сияний, сопровождаемых сильными магнитными бурями. Возрастания температуры во время сияний можно было ожидать потому, что «включается» новый механизм нагрева — молекулы и атомы атмосферы испытывают упругие столкновения с солнечными частицами, возбуждающими сияния, что влечет за собой увеличение их кинетической энергии, а следовательно, и температуры.

И. С. Шкловский высказал соображения о том, что температура атмосферы во время полярных сияний умеренной интенсивности практически не должна меняться. Только для весьма мощных полярных сияний можно было бы ожидать повышения температуры, но этот вопрос требует особого исследования. Нужно еще иметь в виду, что полярные сияния происходят главным образом осенью, зимой и весной и притом в высоких широтах, где температурный режим атмосферы отличен от такового на более низких широтах.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.