Очень важной современной проблемой строения верхней атмосферы является проблема граничных условий, или проблема турбопаузы. Мы уже говорили, что до высоты 105 - 120 км (турбопауза) атмосфера перемешана, а выше вступает в силу закон диффузионного разделения. Во многих моделях атмосферы считалось, что условия в турбопаузе неизменны (параметры атмосферы на h≈120 км брались обычно в качестве граничных условий) и не зависят от внешних факторов - сезона, солнечной и магнитной активности и т. п. В таких моделях все изменения состава верхней атмосферы происходили лишь за счет изменения температуры экзосферы и соответствующего перераспределения концентраций атомов и молекул по барометрической формуле.
Однако наблюдения последних лет показали, что характеристики турбопаузы не остаются неизменными - и абсолютные и относительные концентрации газов меняются в зависимости от условий. Не все эти вариации изучены до конца. Но уже ясно, что особенно остро реагирует состав газа на уровне турбопаузы на геомагнитные возмущения. Мы еще вернемся к этому вопросу в главе 4, говоря о поведении области F2 во время магнитных бурь.
Откуда ветер дует?
Исторически развитие аэрономии шло таким образом, что строение и фотохимию атмосферы рассматривали сначала в полном отрыве от атмосферной динамики. Даже область F2, более всего, как выяснилось позже, подверженную влиянию динамических процессов, первоначально считали результатом действия только процессов ионизации и рекомбинации. Лишь в конце пяти- десятых - начале шестидесятых годов стало ясно, какую большую роль играет в формировании слоя F2 амбиполярная диффузия. Еще через десятилетие подошли к пониманию роли другого динамического фактора - потоков плазмы из протоносферы в ионосферу и обратно. И наконец, в самое последнее время стали привлекать для объяснения особенностей поведения области F2 систему нейтральных ветров.
Различные динамические процессы - ветры, дрейфы, волны - привлекаются в последние годы для объяснения многих явлений в верхней атмосфере. Дальше мы увидим, как тесно связано состояние ночной ионосферы на высотах 100 - 200 км с профилем горизонтального ветра. Горизонтальные ветры могут быть причиной полугодовых вариаций нейтрального состава атмосферы и изменения количества окиси азота в нижней ионосфере, гравитационные волны влияют, видимо, на распределение профиля свечения атмосферных эмиссий и т. д.
Сколь-нибудь подробное описание (или даже классификация) динамических процессов в верхней атмосфере выходит за рамки данной книги. Равно как описание методов их исследования и связанных с этим проблем. Ограничимся здесь лишь краткой формулировкой основных положений, которые могут помочь при чтении дальнейших глав.
Когда говорят о ветрах в верхней атмосфере, то имеют в виду, как правило, движение нейтрального газа, глобальное по масштабу и медленно меняющееся во времени. На рассматриваемых здесь высотах нейтральный ветер в основном связан с тепловыми эффектами, т. е. с тем, какие географические области сильнее нагреты.
В области Е зональный ветер (ветер вдоль параллели) направлен с востока на запад зимой и с запада на восток летом. Это связано, видимо, с тем, что зимой полярная область на высотах 80 - 100 км теплее приэкваториальной, а летом - наоборот.
Меридиональная компонента ветра на этих высотах менее регулярна. В среднем зимой ветер дует к экватору на всех широтах, а летом - только на низких. В высоких широтах летом ветер чаще дует к полюсам.
Выше 200 км ветер в среднем направлен к полюсу вблизи полудня и к экватору - ночью. Скорость ветра составляет около 200 - 300 м/с на ночной стороне и 50 - 100 м/с - на дневной. Образно можно себе представить, что атмосферный газ растекается от послеполуденного вздутия к самой холодной (раннее утро) части атмосферы, как через полюс, так и зонально, вдоль параллели (на низких широтах). Ниже, в параграфе про область F, мы увидим, как эта картина нейтральных ветров используется для объяснения изменчивости высоты и формы слоя F2 в течение суток.
Вертикальные движения нейтрального газа (вертикальные ветры) измерять очень трудно, поэтому информации о них пока мало. Ясно, однако, что, во-первых, вертикальные ветры должны быть много слабее горизонтальных и, во-вторых, скорость вертикальных ветров должна расти с высотой. Современные оценки дают скорости около 1 см/с в области D и 2 - 3 м/с на высоте 300 км. Такие скорости слишком малы, чтобы вертикальные ветры могли влиять на рассматриваемые в этой книге ионизационно-рекомбинационный баланс и равновесные концентрации различных частиц. Однако в других важных проблемах верхней атмосферы (например, в проблеме теплового баланса) вертикальные ветры могут играть существенную роль даже и при небольших скоростях, приведенных выше.
Необходимо отметить здесь одну особенность системы горизонтальных нейтральных ветров на высотах 100 - 200 км. Это появление большой изрезанности профиля ветра, особенно в ночное время. В соседних слоях атмосферы, отстоящих друг от друга на 5 - 7 км, ветер может дуть в разные стороны. Ниже мы поговорим подробно о том, как это влияет на распределение ночной ионизации на этих высотах.
Для характеристики упорядоченного движения заряженных частиц в верхней атмосфере используют термин "дрейф". Дрейф ионизации может вызываться различными причинами. Прежде всего, это нейтральный ветер. На интересующих нас высотах плазма (заряженные частицы) вкраплена в достаточно плотную среду нейтральных частиц и при движении последних, естественно, движется вместе с ними. Однако присутствие в верхней атмосфере магнитных и электрических полей вызывает собственные движения заряженных частиц, поэтому дрейф последних далеко не всегда совпадает с нейтральным ветром.
Так, при движении ионосферной плазмы за счет нейтрального ветра под углом к силовым линиям магнитного поля появляется дополнительная компонента дрейфа вверх (или вниз, смотря куда, направлен нейтральный ветер). Этот вертикальный дрейф играет большую роль в формировании узких слоев в ионосфере (так называемый механизм ветрового сдвига) и в изменениях, происходящих в течение суток в области F2.
Очень активно изучаются в последнее время различные волновые процессы в верхней атмосфере. Чаще упоминаются при этом "внутренние" (низкочастотные аналоги звуковых) волны, распространяющиеся, в отличие от "внешних", не горизонтально, а вертикально. При периоде колебаний таких волн порядка нескольких минут природу волновых движений усложняет гравитация - появляются так называемые гравитационные волны.
Именно эти внутренние гравитационные волны и пытаются в настоящее время привлечь для объяснения многих явлений в верхней атмосфере, от эмиссий ночного неба до нейтрального состава во время магнитной бури. Но количество конкретных достижений в этом направлении пока невелико, поэтому мы почти не будем возвращаться к гравитационным волнам. Однако, вне сомнения, в недалеком будущем в книгах такого рода динамическим процессам и в том числе волнам придется уделять целые главы. Такова тенденция современного развития физики верхней атмосферы, или, иначе говоря, именно оттуда "дует ветер".
2. Сфера заряженных частиц
Ионосферу можно образно представить себе в виде сферы заряженных частиц, окружающей Землю. Более строго под ионосферой понимают фиксированную область высот в верхней атмосфере, что-нибудь от 50 до нескольких тысяч километров.
Кое-что о структуре
На самом деле никаких четких границ ионосферы (сферы, где имеются ионы, т. е. заряженные частицы) не существует. Некоторое количество заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов) имеется даже в приземном слое воздуха. Правда, по происхождению они отличаются от заряженных частиц в собственно ионосфере, они - продукт радиоактивности, как естественной, так в последнее время, увы, и искусственной.