Сколько на свете сфер

Ученые любят придумывать всякие "сферы". Тут и биосфера, и гидросфера, и литосфера. Но больше всего, конечно, развелось различных сфер в науках об атмосфере - метеорологии и аэрономии. Тут и хорошо известные понятия (кто не слышал о стратосфере или ионосфере!), и понятия, используемые лишь узкими специалистами (например, метасфера), и давно устоявшиеся слова (та же стратосфера), и термины, рождение которых происходит на наших глазах (эксайтсфера, которой нет еще и пяти лет отроду).

Давайте пройдемся по атмосфере снизу вверх и постараемся разобраться в лабиринте хоть части "сферических" терминов - ведь большинство их связано как раз с основными параметрами, определяющими структуру атмосферы (структурными параметрами),- давлением, плотностью, температурой и составом газа.

Структура атмосферы

Атмосферу можно делить на области (или сферы) по разным признакам: температуре, составу или доминирующим физическим процессам. Поскольку каждая такая система деления дает несколько терминов, то и набирается целое семейство атмосферных "сфер".

Наиболее распространена стратификация атмосферы по температурному признаку. Именно она вводит широко известные понятия "тропосфера" и "стратосфера". С нее мы и начнем свой поход по небесным сферам, в котором - в качестве карты можно использовать приведенный рисунок.

Мы стартуем, как обычно, с поверхности Земли. Пусть у нас лето и температура 27° С. Это будет 300° по шкале Кельвина. Двигаясь вверх, мы обнаружим, что температура резко падает (это знают все, кто поднимался в горы). Иначе говоря, наблюдается отрицательный градиент температуры с высотой. Область атмосферы, где мы сейчас находимся, называется тропосферой. Верхняя граница тропосферы лежит там, где прекращается падение температуры с высотой и начинается ее рост (очевидно, в этом месте градиент температуры равен нулю). Выше расположена уже стратосфера, где градиент температуры положителен. Граница между тропосферой и стратосферой (или узкий слой, где градиент температуры равен нулю) называется тропопаузой. Двигаясь вверх по тропосфере, мы успеем основательно замерзнуть, ибо температура тропопаузы всего около 200 К. Что же касается ее высоты, то последняя меняется от экватора к полюсу и на средних широтах равна 12 - 13 км.

Чтобы согреться, давайте активно подниматься дальше по стратосфере. Теперь чем выше, тем теплее. И так до самой стратопаузы - области, где наблюдается второй излом на высотном профиле температуры.

Здесь (высота около 50 км) температура почти равна (270 - 280 К) той, с которой мы начинали.

А дальше - снова в холод. Температура вновь падает с высотой, вновь отрицательный градиент температуры. Это - мезосфера. Ее верхняя граница - мезопауза - лежит на высоте 85 км (конечно, как и другие граничные высоты, она может меняться примерно на 5 км в ту или другую сторону). Это последний излом на температурной кривой. И одновременно область самой низкой температуры - в мезопаузе она может понижаться до 150 К. Дальше температура будет только возрастать - мы вступаем в область термосферы. В термосфере температура сначала резко возрастает - за каких-нибудь 30 - 40 км мы проскакиваем весь интервал от 150 до 300 К, в котором находились до сих пор, и продолжаем подниматься. На высоте 150 км температура уже перевалила за 500 К. И здесь нам надо решать, день сейчас или ночь. Ибо от этого зависит дальнейший рост температуры. Если дело происходит днем, температура будет продолжать подниматься до значения 1500 - 2000 К. Если сейчас ночь, температура будет расти значительно слабее - до 700 - 1000 К. В обоих случаях с высоты 200 - 250 км рост температуры прекратится и далее она не будет изменяться с высотой. Мы вступили в область изотермии.

Что же дальше (или выше)? Во что переходит термосфера? Обычно говорят, что термосфера переходит в экзосферу, хотя последний термин родился в результате деления на "сферы" не по температурному признаку, а по признаку доминирующего процесса, определяющего состав атмосферы.

Стратификация по этому признаку гораздо проще, чем по температурному. До высоты 105 - 110 км вязкость газа достаточно велика, и потому все движения в атмосфере происходят как движения атмосферного газа в целом. Невозможно выделить движение, скажем, молекул азота или кислорода - частицы разных типов непрерывно перемешиваются. Такой процесс называется турбулентным перемешиванием или турбулентной диффузией. Ясно, что турбулентная диффузия стремится сохранить постоянный состав атмосферного газа с высотой. Именно поэтому до указанных высот состав основных компонент атмосферного газа остается неизменным. Вариациям подвержены лишь относительные концентрации химически активных малых компонент, таких, как окись азота, озон и т. д. Область атмосферы от поверхности Земли до 105 - 110 км называется гомосферой, т. е. областью постоянного состава.

Выше кончается царство турбулентной диффузии, которая ставила все газы в одинаковые условия и тем обусловливала неизменный состав воздуха, и начинается царство молекулярной диффузии - гетеросфера. Область перехода (105 - 110 км) обычно называют турбопаузой.

Над турбопаузой дружба между различными атмосферными газами нарушается. Теперь каждый идет сам по себе: более легкие частицы устремляются вверх, а более тяжелые отстают. Иначе говоря, чем выше мы поднимаемся в гетеросфере, тем больше доля легких частиц (скажем, Н и Не) по сравнению с тяжелыми (скажем, О₂ и N₂).

Приведем здесь одну несложную формулу, которая важна для понимания многих вопросов, обсуждаемых дальше. Концентрация частиц [X]_h данного сорта (скажем, атомов О или молекул N₂) на некоторой высоте h связана с концентрацией этих же частиц [Х]₀ на другой высоте h₀, которую можно рассматривать как условное начало отсчета, следующим образом:

Формула (1). Условие начало отсчета

где H - очень важное понятие, правильно называемое "высота однородной атмосферы". Встречается и неправильное название "шкала высот", которое явилось результатом ошибочного перевода английского термина "scale height" - буквально "приведенная высота".

Что понимается под H в формуле (1)?

Формула (2)

Здесь R - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа, М - его молекулярный вес, g - ускорение свободного падения. Физический смысл высоты однородной атмосферы очень прост. Она показывает, на сколько километров надо подняться от данного уровня, чтобы концентрация рассматриваемого газа упала в е раз. В гомосфере, где концентрации всех основных составляющих атмосферы уменьшаются с высотой одинаково, естественно, и величина H будет для всех частиц одинакова. А вот в гетеросфере...

В гетеросфере вступает в силу закон: чем легче, тем больше. Ибо в знаменателе (2) стоит молекулярный вес данного газа М. Чем больше М, тем меньше H. А чем меньше H, тем быстрее падает с высотой концентрация этого газа. Пусть, например, высота однородной атмосферы для молекулярного азота (М = 28) на уровне турбопаузы (скажем, 110 км) равна 8 км. Для гелия (M = 4) она тогда составляет 56 км. Значит, при переходе от ПО к 166 км абсолютная концентрация гелия упадет в е раз. Но концентрация N₂ в том же интервале высот успеет упасть 7 раз по е раз, так как подъем на каждые 8 км будет означать для [N₂] уменьшение в 2,7 раза. Таким образом, концентрация гелия относительно N₂ возрастет со 110 до 166 км в е⁶≈400 раз! Вот что такое независимый закон распределения частиц, или так называемое диффузионное разделение.

Обратим внимание еще на одно обстоятельство в формуле (2). В числителе там стоит температура. Значит, чем выше Т, тем больше Н. И соответственно тем медленнее (в масштабе высот) происходит падение концентрации, а значит, и диффузионное разделение легких и тяжелых газов. Чем температура ниже, тем сильнее выражены все эффекты.

До каких же высот будет справедлива формула (1)? До тех высот, где частицы атмосферы еще испытывают достаточно соударений, чтобы обмениваться кинетической энергией. Область атмосферы, где это уже не так, называется экзосферой. Там на смену уравнениям гидростатики, одним из следствий которых является формула (1), приходят уравнения гидродинамики, учитывающие убегание легких атомов водорода и гелия из земной атмосферы. Гетеросфера на высотах, больших 1000 км, переходит в экзосферу, однако переход этот, конечно, не имеет четкой границы и зависит от многих геофизических факторов.

Мы знаем теперь, как меняется с высотой температура атмосферы- один из основных ее параметров. Другим таким параметром является плотность атмосферы, обычно обозначаемая Q, т. е. масса газа, заключенного в единичном объеме (обычно в одном кубическом сантиметре). Поведение плотности с высотой гораздо проще, чем поведение температуры. Если последняя возрастает, убывает или остается постоянной в зависимости от области высот, или "сферы", то первая неуклонно уменьшается с ростом высоты. Скорость уменьшения определяется все той же высотой однородной атмосферы Н. У поверхности Земли Н равна 7-8 км и выше меняется в соответствии с описанным ранее изменением температуры. На высоте 100 км величина g уже примерно в миллион раз меньше, чем в приземном воздухе. В термосфере падение плотности с высотой замедляется, так как из-за роста температуры и уменьшения молекулярного веса газа М растет Н. На высоте 300 км величина Н уже составляет 50 - 60 км. Соответственно плотность на этой высоте равна примерно 10^-10величины q у поверхности Земли.

На этом мы заканчиваем пока нашу экскурсию по "небесным сферам". В следующей главе мы вернемся к делению на сферы по признаку распределения заряженных частиц, а в главе б подробнее расскажем о понятии "эксайтсфера".

Сейчас нам надо обратиться к области рассмотренной нами гетеросферы и поговорить об изменении нейтрального состава, поскольку это очень нужно для всех дальнейших бесед. А главным в проблеме нейтрального состава является соотношение атомы - молекулы.