Рис. 30. Распределение концентрации Н₂О по высоте по данным Д. Зоннтага, А. В. Федынского, С. П. Перова и других исследователей. Значения q надписаны у кривых. Здесь же нанесена кривая температуры (Т).

Можно видеть, что величина q наибольших высотах растет (изолинии равных q, нанесены на график), достигая на высоте 75 км примерно 4∙10^-3. Здесь же нанесены результаты А. В. Федынского и С. П, Перова и некоторых других исследователей.

Расхождения между результатами разных исследователей побудили А. В. Федынского изучить вопрос о зависимости величины q от сезона и широты места, с которыми, как мы знаем, тесно связано формирование серебристых облаков. Результаты показали отчетливый максимум q в июле — августе и минимум в январе — феврале (в северном полушарии). Влажность в мезопаузе в средних широтах всегда больше, чем над тропической зоной. Над средними широтами влажность растет с высотой, начиная от высот 25÷30 км.

Таким образом, важный факт повышения влажности (т. е. величины q) в те сезоны, над теми широтами и на том уровне, где образуются серебристые облака, был надежно установлен. Но нужно было еще дать объяснение этому факту. В 60-е годы было предложено два объяснения этого явления.

Одно из них, более простое, состоит в том, что выше 25–30 км на средних широтах в летнее время года наблюдаются восходящие токи воздуха, которые переносят водяной пар в область мезопаузы, где он и вымерзает, образуя серебристые облака. Недостаток Н₂О компенсируется новым притоком пара снизу, и процесс продолжается. На других широтах и в другие сезоны восходящие токи либо не возникают, либо подавляются отсутствием вымораживания (температуры для которого слишком высоки). Исследование И. А. Хвостикова и И. М. Кравченко, выполненное в 1967 г., показало, что при скорости восходящих токов 1 см/с удельная влажность выше 70 км будет значительно больше, чем при их отсутствии. Учет вымерзания водяного пара позволяет объяснить не только поддержание, но и рост влажности с высотой.

Другое объяснение — более интересное. Оно состоит в том, что водяной пар на больших высотах образуется при взаимодействии атомов водорода, летящих к Земле от Солнца, с атомами кислорода верхних слоев земной атмосферы. Эта идея, впервые высказанная в 1933 г. норвежским геофизиком Л. Вегардом и поддержанная в 1952 г. И. А. Хвостиковым, получила количественное обоснование в 1961 г. в работе французского ученого К. де Турвиля.

Де Турвиль подсчитал количество водорода, которое захватывается магнитосферой Земли (в составе солнечного ветра летят не нейтральные атомы, а ионы водорода — протоны). Этот процесс захвата называется аккрецией. Расчеты де Турвиля привели к оценке скорости аккреции на всю Землю 1,7∙10⁶ г/с. Но анализ этого вопроса, проведенный в 1966 г. И. Л. Хвостиковым, показал, что оценка де Турвиля завышена в 100, а то и в 1000 раз, так что более реальный уровень притока водорода на всю Землю составляет 1,5∙10²÷1,5∙10⁴ г/с, а на единицу поверхности — около 2∙10^-15 г/см²∙с ~= 10⁴ атомов/см²∙с. Такой приток водорода почти в 40 раз превосходит его потерю за счет диссипации (ускользания) из верхних слоев атмосферы. Куда же девается остальная часть атомов водорода? Очевидно, они вступают в химические реакции с атомами атмосферы. Две из них, а именно,

H + H + M — > H₂ + M + 431 дж, (19)

H₂ + O + M — > H₂O + M (20)

приводят к образованию молекул Н₂O. В приведенных формулах М означает любой атмосферный атом, столкновение с которым ускоряет реакцию; 431 Дж — выход энергии в первой реакции, которая является, таким образом, экзотермической.

Весь этот механизм получил, по предложению американского исследователя В. Хаурвица, название «солнечный дождь».

Способен ли «солнечный дождь» обеспечить повышенную влажность мезопаузы? Примем необходимое для образования серебристых облаков значение q =10^-3. Тогда количество осажденной воды над уровнем 70 км составит столбик всего 1 мкм, масса которого (при площади 1 см²) будет равна 10^-4 г/см². Из этой массы 8 9 поставляет атмосферный кислород, которого вполне достаточно. На долю солнечного водорода остается 10^-5 г/см². Такое количество солнечный ветер принесет за 5∙10⁹ с = 150 лет, что, конечно, многовато. Поэтому гипотеза «солнечного дождя», несмотря на всю ее привлекательность, вряд ли может объяснить повышенную влажность мезопаузы, если приведенные выше оценки аккреции водорода из солнечного ветра не будут существенно пересмотрены в сторону их увеличения хотя бы до значений, принятых де Турвилем.

Основным механизмом, регулирующим влажность в области мезопаузы, по-видимому, следует считать систему восходящих токов в стратосфере.

Но нужно было решить еще один вопрос, который противники конденсационной гипотезы считали (в конце 50-х годов) чуть ли не камнем преткновения для ее обоснования.

Речь идет о тепловом режиме частиц серебристых облаков, в частности, — ледяных кристалликов. По мнению америьанских ученых Е. Вестина и Д. Дейрменджяпа, солнечные лучи и тепло Земли должны были заставлять кристаллики льда испариться, так что они не могли быть устойчивыми.

В 1961 г. автор этой книги подверг критике метод расчета Вестона и Дейрменджяпа, показав, что они получили завышенные значения средней температуры льда в мезопаузе. В 1970 г. он же выполнил более строгое рассмотрение этого вопроса. В самом деле, составим уравнение лучистого равновесия ледяной частицы. Источниками ее нагрева, вообще говоря, могут быть:

1) излучение Солнца в непрерывном спектре

2) излучение Солнца в линиях Q_УФ,

3) корпускулярное излучение Солнца Q_кop,

4) длинноволновое излучение Земли и нижних слоев атмосферы

5) тепло, выделяющееся при рекомбинации кислорода на частице, Q_peк.

Частица в свою очередь отдает тепло окружающей среде путем излучения (Q_изл) и теплопроводности — при столкновениях с атомами и молекулами воздуха (Q_τ). Следовательно, наше уравнение должно иметь вид

Автор оценил все слагаемые в левой части. Оказалось, что Q_УФ и Q_кop никогда не превышают 10 эрг/см²∙с, Q_peк = 4∙10³ эрг/см²∙с,

Таким образом, главной составляющей притока тепла для кристаллика льда является не солнечное излучение, а длинноволновое излучение Земли. Причина этого заключается в том, что мелкие кристаллики льда (<1 мкм) практически прозрачны для видимых лучей. Основной вклад в их нагрев лучами Солнца создает длинноволновый «хвост» солнечного излучения на волнах 2÷13 мкм. Но излучение Земли на этих же волнах более интенсивно, чем солнечное, — на целый порядок. Таким образом, общее тепло, поглощаемое ледяной частицей, составляет 2,2∙10⁵ эрг/см²∙с.

Как же частица теряет тепло? Отдача тепла излучением зависит в основном от температуры частицы и равна

Q_изл  = 4∙ε∙σ∙Т⁴, (22)

где ε — коэффициент излучения, σ — постоянная Стефана-Больцмана, множитель 4 означает, что частица излучает со всей поверхности, равной для шара 4π∙r², тогда как все притоки тепла мы рассчитывали на поверхность его миделя (π∙r²). Отдача тепла теплопроводностью зависит от разности температур частицы и окружающей среды. Приняв последнюю равной 160 К и вычисляя и Q_изл и Q_τ можно найти, при какой температуре частицы их сумма станет равной притоку тепла, найденному выше. Эта температура оказалась равной 170 К на высоте 80 км и 178 К на высоте 90 км. Оба эти значения лежат ниже точки инея водяного пара (192 К); иначе говоря, ледяные частицы в этих условиях испаряться не должны.