Популярная аэрономия - [5]
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:
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)?
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.
