книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник

ным табл. 8.3, в слое 9—12 км, т. е. там, где чаще всего располо­ жена ось струйных течений и отмечаются наибольшие скорости ветра и вертикальные градиенты ее. В стратосфере встречаемость болтанки в несколько раз меньше, чем в верхней тропосфере и в области тропопаузы, и имеет тенденцию к уменьшению с высотой.

ционного движения в разных слоях атмосферы и при различном состоянии ее. Рис. 8.24 позво­

ляет оценить вероятность превышения заданной величины aw. Этот рисунок показывает, что с увеличением высоты вероят­ ность значений 0,5 м/сек уменьшается: она составляет око­ ло 30% в слое 0—3 км и только 10% в слое 9—15 км. Очень силь­ ная турбулентность (ат > 5 м/сек) почти одинаково часто встре­ чается в слоях 0—3 и 6—9 км (вероятность около 5- 10-4), но она существенно реже наблюдается в слое 9—15 км (вероятность око­ ло 10~5). Особенно велико различие в распределениях ow при яс­ ной погоде и в грозовых (а также кучевых) облаках. Так, вероят­ ность встретить значения ow > 2 м/сек составляет примерно 50% в грозовых облаках и менее 5% при ясной погоде.

171

§ 6. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТУРБУЛЕНТНОМ РЕЖИМЕ МЕЗОСФЕРЫ

Вмезосфере наблюдается развитая турбулентность. Сведения

оней получены с помощью наблюдений за метеорными следами.

*) Н. G. Booker. J. Geophys. Res., 63, № 1, 1958.

2) J. S. G ree n how. J. Geophys. Res., 61, № 4, 1956.

172

Рис. 8.26. Повторяемость (число случаев) верти­ кальных градиентов скорости ветра в слое

80—100 км

{3 > 72 (м/сек)/км. Близкие к этим величины р получил А. В. Анд­ реев1) по измерениям рассеяния радиоволн на трассе Москва— Львов.

Для получения характеристик турбулентности Гринхау сгруппировал все данные по часовым интервалам времени и рас-

') А. В. А н д р е е в . Труды ЦНИИИС, вып. 1 (175), 1960.

173

считал средние значения (ит) радиальных составляющих скоро­ сти ветра и отклонения (8и) от этих средних. Средние квадра­ тические значения горизонтальных отклонений (пульсаций) за­ ключены, по этим данным, между 15 и 45 м/сек при медианном

гц/км

Рис. 8.29. Продольная пространственная спектральная функция Ф на высоте 50 км (по наблюдениям во Флориде в 1968 г.)

значении 25 м/сек, максимальные значения вертикальных пуль­ саций не превышают 10—15 м/сек при среднем значении 2 м/сек. Привлекая сведения о пульсациях Ьи в разных точках простран­ ства, Гринхау рассчитал нормированные автокорреляционные функции (q) по формуле

[ 2 ( Ч » ) 2£ ( Ч , ) гр

174

Рис. 8.30. Поперечная пространственная спектральная функция Ф на высоте 50 км (по наблюдениям во Флориде в 1968 г.)

175

где 5иА и 8ив — пульсации скорости ветра в точках А и В. Ре­

зультаты расчета q приведены на рис. 8.27 и 8.28. Горизонталь­ ный масштаб D самых крупных вихрей, определенный из усло­ вия q(D) = 0, равен, по этим данным, 150 км (соответствующий временной масштаб 6* 103 сек).

Новейшие данные о спектральных характеристиках поля турбулентности в стратосфере и мезосфере приведены на рис. 8.29—8.31. Эти графики построены по материалам наблюде­ ний искусственных следов, которые образуются за поднимающи­ мися ракетами1). На рисунках показана зависимость спектраль­

') S. Р. Zimmerman, С, A. T r o w b r i d g e , I. L. Ко f sky. Tur­ bulence spectra observed in pessive Contaminaht cases in the upper atmosphereThirteenth COSPAR Meeting, 20—29 may 1970, Leningrad.

176

ной плотности турбулентной энергии от пространственной часто­ ты (здесь по осям абсцисс отложена частота, а по осям ординат— спектральная функция Ф, имеющая размерность, обратную ча­ стоте). Эти рисунки показывают, что в верхних слоях в области больших частот справедлив закон пяти третьих, а в области ма­ лых частот Ф обратно пропорциональна частоте в третьей сте­ пени.

12 Зли. 5025

ГЛАВА IX

ИОНОСФЕРА ЗЕМЛИ

Атмосфера Земли состоит не только из нейтральных молекул и атомов, но и из положительно и отрицательно заряженных ио­ нов, а также свободных электронов. Благодаря наличию заря­ женных частиц атмосфера способна проводить электричество, преломлять, отражать и поглощать радиоволны.

Ионы и электроны неравномерно распределяются по высоте. Их концентрация имеет отдельные максимумы. Область атмо­ сферы, содержащую ионы и свободные электроны в достаточном количестве, чтобы влиять на распространение радиоволн, приня­ то называть ионосферой. Нижняя ее граница находится на вы­ соте 60—80 км, а верхняя распространяется до 20 000 км.

Ионосфера существенно влияет на распространение радио­ волн, причем степень этого влияния различна для разных диапа­ зонов. Поэтому исследование ионосферы имеет большое значе­ ние для решения практических задач по организации радиосвязи на различных длинах волн.

Благодаря существованию ионосферы возможна радиосвязь на коротких радиоволнах на большие расстояния при малых мощностях передатчиков. Ионосфера почти без поглощения про­ пускает радиоволны от нескольких сантиметров до 20 м, но отра­ жает обратно к земной поверхности радиоволны среднего и длин­ ного диапазонов.

§ 1. ИОНОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ И ОСНОВНЫЕ ИОНИЗАТОРЫ

Ионы и электроны в атмосфере образуются в результате со­ ударения молекул и атомов и процессов фотоионизации. При соударении частиц различают упругие и неупругие удары. В ре­ зультате упругого удара квантовое состояние и число взаимодей­ ствующих частиц не изменяются, а изменяются только скорости и направления движения частиц.

178

При неупругом ударе изменяется квантовое состояние моле­ кулы или атома, т. е. происходит их ионизация или возбуждение. Неупругие удары, приводящие к ионизации частиц, называют ударами 1-го рода. Удары 2-го рода — ударные взаимодействия уже возбужденных частиц.

Фотоионизация — это отрыв валентного электрона от атома за счет поглощения кванта излучения. Механизм прямой фото­ ионизации подобен ударам 1-го рода, при этом роль ионизирую­ щей частицы играет квант излучения.

На ионизацию молекулы или атома, т. е. на отрыв одного ва­ лентного электрона и удаление его из сферы действия ядра, за­ трачивается определенная работа, называемая работой иониза­ ции. Она совершается за счет кинетической энергии ионизирую­ щей частицы или энергии кванта излучения. В табл. 1.9 приведе­ ны экспериментальные данные о работе ионизации и ионизирую­ щей длине волны для газов, входящих в состав атмосферы.

Из табл. 9.1 видно, что ионизация даже наиболее легко иони­ зируемой молекулы окиси азота может быть осуществлена лишь весьма коротковолновым излучением, которое не достигает ниж­ ней атмосферы. Поэтому процессы фотоионизации возможны только в верхних слоях атмосферы. Основные сведения о составе ионов и их относительном содержании на разных высотах были приведены в § 6 главы II.

Различают четыре основных ионизатора атмосферы.

1. Р а д и о а к т и в н о е и з л у ч е н и е . Благодаря радиоак­ тивному распаду из Земли поступает эманация радия — газооб­ разный радон, при распаде которого возникают а-, р- и "(-излуче­ ния, ионизирующие молекулы воздуха. Естественный радиоак­ тивный распад в приземном слое обеспечивает образование око­ ло 10 пар ионов в 1 см%за 1 сек.

2. К о с м и ч е с к и е лучи . Частицы высоких энергий, при­ ходящие в атмосферу с Земли из космического пространства, на уровне моря создают среднюю мощность ионизации, равную 2—4 парам ионов в 1 см3 в 1 сек. С увеличением высоты до 18 км мощность ионизации возрастает пропорционально росту потока космических частиц.

шенной солнечной активности, как предполагают, может созда­ вать мощность ионизации, сравниваемую (особенно в полярных районах) с мощностью, создаваемой электромагнитным излуче­ нием Солнца.

В ионизацию атмосферы небольшую долю вносят также ко­ ротковолновое излучение звезд и метеорные частицы.

Наряду с процессом ионизации в атмосфере происходит ре­ комбинация заряженных частиц с образованием нейтральных молекул и атомов. Рекомбинация положительного и отрицатель­ ного ионов (нормальная рекомбинация) происходит преимуще­ ственно в нижних слоях атмосферы. При этом возникают одна или две нейтральные молекулы. Рекомбинация положительного иона с электроном (захват электрона) характерна для высоких слоев атмосферы. В этом случае возникает нормальная или возбужден­ ная молекула или атом. Поскольку скорость процессов иониза­ ции и рекомбинации, а также мощность ионизаторов на разных высотах различна, то поэтому концентрации ионов и электронов имеют неравномерное распределение с высотой.

Первый максимум ионной концентрации наблюдается у зем­ ной поверхности и обусловлен естественным радиоактивным из­ лучением. Под воздействием космических лучей образуется вто­ рой максимум на высоте 14—18 км. Выше этого максимума кон­ центрация ионов убывает до высоты примерно 40 км, а затем вновь начинает интенсивно расти и уже на высоте 60—80 км сте­ пень ионизации в несколько раз выше, чем в тропосфере и стра­ тосфере.

В области ионосферы концентрация ионов и электронов не­ прерывно возрастает с высотой, достигая нескольких максиму­ мов, которые относятся к слоям (областям) ионосферы D, Е, F1, F2 (см. § 5). Эти максимумы обусловлены ионизацией атмосфе­ ры коротковолновым и корпускулярным излучениями Солнца.

Основной максимум в атмосфере — максимум ионосферного слоя F2, где электронная концентрация достигает пе = 1 -ь -ь2- 10б эл/см3, располагается на высотах от 220 до 320 км. Его высота и концентрация электронов изменяются в зависимости от

180