В этом и состоит основная задача аэрономии: подробно и точно описать происходящие в верхней атмосфере процессы, определить влияние каждого из них на изменение различных атмосферных параметров и в конце концов построить настолько полные и детальные модели, описывающие состояние верхней атмосферы, что по ним можно было бы с достаточной для практических целей точностью предсказать поведение всей верхней атмосферы в целом или ее конкретных характеристик в любых заданных условиях.
В разных областях аэрономии мы в разной мере приблизились к этой цели. Скажем, ионный состав атмосферы выше 100 км мы знаем достаточно хорошо и умеем смоделировать его с приемлемой точностью. А тот же ионный состав ниже 100 км известен все еще плохо и его теоретическое моделирование только начинается.
При построении теоретических моделей, описывающих поведение параметров верхней атмосферы, выявляются новые процессы и явления в атмосфере, о которых раньше не знали совсем или не думали о их роли в аэрономии. Так, десять лет назад никто не занимался аэрономией возбужденных частиц, а сейчас без учета этих частиц не мыслится ни одна теоретическая модель верхней атмосферы. Из попыток смоделировать поведение ионосферной области F2 относительно недавно родилась идея взаимного обмена плазмой между верхней ионосферой и протоносферой. Сейчас уже очевидно, что потоки ионов и электронов из протоносферы в ионосферу - важный механизм поддержания ночной области F2.
Читатель найдет много аналогичных примеров на следующих страницах этой книги. Собственно, вся она посвящена рассказу о том, что мы знаем в аэрономии, какие новые идеи появились в последнее время и в чем состоят самые острые нерешенные проблемы.
Чтобы облегчить понимание тех глав, где больше говорится о проблемах и загадках аэрономии, в первых двух главах дается очень краткое и схематическое описание (неизбежно сухое, как всякая схематизация) строения атмосферы в целом и ионосферы как ее существенной части - в частности.
1. Как устроена атмосфера
Большинство современных проблем аэрономии связано с физикохимией верхней атмосферы. Иначе говоря, ученых волнуют вопросы "почему?", "в результате каких процессов?". Конечно, вопросы эти, как правило, возникают после того, как установлен факт существования того или иного явления (скажем, высоких концентраций окиси азота или присутствия ионов-связок), которое надо объяснить. Но и сам процесс установления того или иного факта представляет собой решение проблемы или поиск ответа на вопрос: "как устроена?". Описание таких проблем и всевозможных коллизий, возникающих при их решении, ничуть не менее интересно, чем описание проблем физикохимии.
Однако в силу первичности вопроса "как устроена" по сравнению с вопросом "почему" в настоящее время в аэрономии гораздо больше последних, чем первых,- во всяком случае, на уровне изложения в данной книге. Поэтому и основной акцент здесь сделан на проблемах атмосферной физикохимии, где непрерывно рождаются противоречия, возникают новые проблемы и идеи.
А как быть с чистой структурой? Имеет ли смысл в подобной книге описывать устоявшиеся за много лет представления о составе и строении атмосферы? Ответом автора является данная глава. В ней дается достаточно краткое описание основных особенностей строения атмосферы. Такое описание, видимо, будет полезно для самой общей ориентировки при чтении дальнейших глав. Кроме того, ведется рассказ и о некоторых современных проблемах, прежде всего о проблеме вариации плотности и состава.
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.
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.