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.
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.
Атомы - молекулы
Состав гомосферы хорошо известен. Это - состав приземного воздуха. Отличие может быть лишь в небольших примесях - малых составляющих, таких, как О3, NO, N, Н20. С основными же составляющими все ясно: 78% молекулярного азота, 21% молекулярного кислорода и около 1 % аргона. Остальное как раз и есть малые составляющие, которые в сумме дают меньше 0,1% общего количества частиц.
Эта картина остается на удивление неизменной, пока мы движемся по атмосфере вверх примерно до 100 км. Здесь в число основных составляющих начинает активно вторгаться атомный кислород. Откуда он взялся в гомосфере? Конечно, из молекул O2. Ведь чем выше мы поднимаемся, тем сильнее действует на окружающие молекулы кислорода солнечное ультрафиолетовое излучение, способное диссоциировать молекулу O2, разрушить ее на два атома. Из-за этого-то процесса диссоциации и появляются начиная с высот 80 - 90 км в заметном количестве атомы О. (О том, почему этого же не происходит с молекулами N2, мы поговорим в главе 6.) На высоте турбопаузы концентрация атомов кислорода может составлять 10-20% концентрации O2.
А дальше вступает в игру молекулярная диффузия, которая правит выше уровня турбопаузы. И теперь все карты в руках более легких атомов О. Поэтому их относительная концентрация, а значит, и роль в различных процессах начинают быстро расти с высотой.
Со своими "родителями", молекулами О2, атомы О расправляются быстро. Уже на 120 - 130 м величины [О] и [O2] сравниваются, и выше атомов кислорода много больше, чем молекул. С молекулами азота дело несколько труднее, поскольку они не так подвержены разрушению в результате диссоциации, как O2. Но неумолимые законы диффузионного разделения приводят к тому, что на высотах 160 - 180 км сравнивается концентрация О и N2. Выше у атомного кислорода нет конкурентов среди молекул - он основная (доминирующая) компонента атмосферы. Его концентрация определяет общую плотность атмосферы, ионизация атомов О является основным процессом ионизации, высота однородной атмосферы Н для атмосферного газа равна величине Н для атомного кислорода и т. д.
Все это происходит на высотах от 160 - 180 до 600 - 700 км. Ну а выше? Кто может конкурировать с атомами О, если с молекулами O2 и N2 покончено еще внизу? Только другие атомы. Мы уже приводили в качестве примера некоторые данные о скорости возрастания концентрации гелия (напомним, что гелий в четыре раза легче кислорода - его атомный вес равен 4). На уровне турбопаузы количество гелия ничтожно мало - примерно один атом Не на 104 окружающих молекул. Но по законам молекулярной диффузии его относительная концентрация непрерывно и быстро растет. И вот выше 600 км он вступает в борьбу с атомным кислородом. И конечно, побеждает. Но и его царству приходит конец. Его вытесняет еще более легкий газ - водород, который в четыре раза легче гелия. Водорода в области турбопаузы еще меньше, чем гелия (около 10-9 общего числа частиц), но диффузионное разделение к нему еще более благожелательно. Поэтому в конце концов он становится основной атмосферной компонентой (концентрации Н и Не сравниваются на высотах 1500 - 2000 км).