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

В результате простых преобразований с использованием ба­ рометрической формулы изотермической атмосферы

и уравнения состояния в виде

получим формулу концентрации молекул

Отношение концентраций пi и пг двух газов с молекулярными весами pi и р2 на некоторой высоте z обозначим через р, т. е.

Подставив в уравнение (2.27) значения р и р0 и умножив его правую часть на 100, получим соотношение, позволяющее рассчи­ тывать степень гравитационно-диффузного разделения двух га­ зов в процентах:

40

В табл. 2.1 приведены результаты расчета степени гравитаци­ онно-диффузного разделения нескольких газов на различных вы­ сотах над уровнем начала разделения при полном отсутствии перемешивания.

Т а б л и ц а 2.1

Гравитационно-диффузное разделение газов при отсутствии перемешивания

Гравитационно-диффузное разделение двух газов идет тем быстрее, чем больше разность их молекулярных весов. Если в пе­ реходной области неполностью отсутствует перемешивание, то процентное изменение с высотой легких и тяжелых газов будет происходить медленнее, чем это показано в таблице.

Кроме процессов диффузии и перемешивания, распределение газов с высотой зависит от фотохимических процессов, происхо­ дящих главным образом в верхних слоях атмосферы.

§ 3. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Фотохимические процессы в верхних слоях атмосферы возни­ кают в результате поглощения молекулами атмосферных газов квантов ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца. Эти процессы приводят к диссоциации молекул и образованию атомов, ионизации молекул и атомов, образованию некоторых химических соединений, которые в нижних слоях атмосферы не наблюдаются или имеются в очень небольших количествах.

Процессы диссоциации и ионизации могут также происходить в результате столкновения молекул с частицами солнечного кор­ пускулярного излучения.

Для того чтобы произвести диссоциацию или ионизацию мо­ лекулы, квант света или корпускулярная частица должны обла­ дать определенной энергией. Так, диссоциация молекул 0 2 мо­ жет произойти лишь под воздействием ультрафиолетовой радиа­

41

определенных высот в зависимости от длины волны, то фотохи­ мические процессы могут происходить лишь в верхних слоях. Об­ ласть атмосферы примерно от 60 до 160 км, где наиболее актив­ но идут фотохимические реакции, принято называть хемосферой.

Рассмотрим процессы диссоциации и ассоциации основных атмосферных газов — кислорода и азота, которые приводят к из­ менению физических свойств верхней атмосферы в связи с обра­ зованием атомного кислорода и азота, а также новых молекуляр­ ных соединений, таких, как озон (Оз), гидроксил (ОН), окись азота (N0).

Процессы диссоциации и ассоциации кислорода

Диссоциация молекул кислорода происходит под воздействи-

О

ем ультрафиолетовой радиации Солнца с длиной волны X< 2424А. Основными являются следующие фотохимические реакции, при­ водящие к образованию атомов кислорода:

ция (3.2). Реакция фотолиза озона происходит ниже 100 км под воздействием квантов от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. В двухступенчатой реакции (3.4) под действием кван­ та света происходит образование возбужденной молекулы кисло­ рода, столкновение которой с невозбужденной молекулой приво­ дит к образованию молекулы озона и атома кислорода. В этом случае квант излучения может иметь меньшую энергию, чем в ре­ акции (3.1).

Присутствие атомного кислорода в верхней атмосфере обна­ ружено по спектрам полярных сияний и свечения ночного неба, а также по химическому анализу проб воздуха, полученных с помощью ракет, и масс-спектрометрическим измерениям.

Процессу диссоциации обратен процесс ассоциации. При нем происходит образование молекул из свободных атомов газа. Ос­ новными реакциями процесса ассоциации являются реакции двух типов.

42

1. Ассоциация при соударениях двух атомов кислорода, нахо дящихся в различном энергетическом состоянии. В этом случае образуется нормальная или возбужденная молекула кислорода и излучается квант энергии (радиативная ассоциация):

где М — нейтральная газовая частица, являющаяся как бы ка­ тализатором реакции.

Н к м

Рис. 2.2. Распределение л[02] и л[0], рассчитанное Мозесом и By при разных предположениях о рас­ пределении температуры

Реакция (3.7) является побочной для высот выше 100 км. Атомы, участвующие в ней, могут быть в энергетических состоя­ ниях (Зр) или (’D). Реакция (3.8) происходит на высотах ниже 90 км. Избыток энергии, выделяющейся в результате этих реак­ ций, уносится нейтральной частицей.

3. На высотах ниже 100 км молекула кислорода может обра­ зоваться также в результате взаимодействия атомного кислорода с молекулами озона:

Благодаря одновременно происходящим процессам диссоци­ ации и ассоциации на каждой высоте в верхней атмосфере долж­ ны устанавливаться некоторые равновесные концентрации ато­ мов и молекул кислорода, которые могут быть также рассчита­

43

ны теоретическим путем. Исследованием этого вопроса занима­ лись многие ученые.

На рис. 2.2 показано распределение концентраций атомного и молекулярного кислорода, рассчитанное Мозесом и By при раз­ ных предположениях о распределении температуры с высотой. Кривая 1 соответствует температуре на 110 км (Тц0 = 300°К) и вертикальному градиенту температуры 7 = 1 0 град/км, кривая 2—

7’1ю = 300°К, Т= 5 град/км, кривая 3— 7’ио= 270°К, 7 = 5 град/км.

гулирует вертикальное распределение атомного и молекулярно­ го кислорода.

На графике (рис. 2.3) приведено распределение молекуляр­ ного кислорода с высотой выше 100 км при различных физиче­

но-диффузного равновесия и кривая 3 — случаю полного пере­ мешивания. Экспериментальные данные (показаны точками) ближе всего совпадают с распределением при гравитационно­ диффузном равновесии. Непосредственные измерения показы­ вают, что даже на высоте около 170 км молекулярный кислород составляет еще 0,1 атомного кислорода [4].

Диссоциация и ассоциация азота

В верхней атмосфере имеется значительная концентрация и атомного азота. Доказательством этого служит наблюдение эмиссий атомов азота в спектре свечения ночного неба и поляр­ ных сияний, обнаружение N+ при масс-спектрометрических из­ мерениях и др. Однако точное распределение концентраций ато­ мов азота с высотой остается неизвестным. По масс-спектромет­

44

рическим измерениям нейтрального состава атмосферы в интер­ вале высот 100—200 км верхний предел концентрации n[/V] < < 107н-108 см~3.

Процессы диссоциации молекул азота в верхней атмосфере гораздо сложнее процессов диссоциации молекул кислорода и пока еще недостаточно изучены. По-видимому, наиболее эффек­ тивными процессами, приводящими к образованию атомного азо­ та, являются ионосферные процессы с участием заряженных ча­ стиц. Эти процессы могут происходить лишь под воздействием

О

радиации с длиной волны Х< 700А, а поэтому должны наблю­ даться на гораздо больших высотах, чем процессы диссоциации молекул кислорода.

Согласно Бейтсу, положительные ионы N^, образующиеся

в верхней атмосфере* имеют очень малое время жизни. В резуль­ тате диссоциативной рекомбинации ионы исчезают и образуются два атома азота:

До высоты 200 км ионы азота могут исчезать также в резуль­ тате ионо-молекулярных реакций, например:

Атомный азот может образовываться также при диссоциации положительных ионов окиси азота:

Одновременно с диссоциацией молекул в верхней атмосфере про­ исходит и ассоциация атомов азота.

Исчезновение атомов происходит в результате тройных со­ ударений:

45

На больших высотах, где полная концентрация нейтральных частиц М уже мала, наиболее эффективна радиативная ассоци­ ация атомов:

На высотах 160—180 км время жизни атомного азота, участ­ вующего в фотохимических реакциях, становится больше време­

ста и уровня солнечной актив­ ности. На рис. 2.4 показано из­ менение в течение суток отношения концентрации атомного кис­

лорода и молекулярного азота на высоте 180 км. По горизонталь­ ной оси на этом рисунке отложена абсолютная разница в часах между временем наблюдения и местным полуднем. Точки соот­ ветствуют экспериментальным данным. Из хода кривой видно, что величина отношения возрастает к полуденным часам и умень­ шается вечером и утром.

Водород и гидроксил в верхней атмосфере

В спектре свечения ночного неба четко обнаруживается поло­ са, принадлежащая молекуле гидроксила ОН.

Соединение ОН в нижней атмосфере отсутствует. Максимум его эмиссии наблюдается в слое от 80 до 88 км, т. е. в области мезопаузы. В спектре полярных сияний (на высотах 100 км и бо­ лее) полосы ОН уже нет.

Образование молекул ОН возможно лишь при наличии в верх­ ней атмосфере атомного водорода или молекул водяного пара.

Возможными реакциями, приводящими к образованию воз­ бужденной молекулы ОН*, считают следующие:

46

Предполагают, что нейтральные атомы водорода могут воз­ никать в верхней атмосфере двумя путями:

1) протоны солнечного происхождения по пути к Земле при­ соединяют электроны и превращаются в нейтральные атомы во­ дорода;

2) в результате фотодиссоциации молекул водяного пара под воздействием коротковолновой радиации Солнца.

Молекулы водяного пара, в свою очередь, могут поступать в область мезопаузы в результате эпизодических проникновений из стратосферы, а также образовываться непосредственно в верх­ ней атмосфере.

Образование молекул водяного пара может происходить сле­ дующим путем.

1. При окислении молекул водорода:

(3.21)

2. При столкновении двух молекул гидроксила:

Гипотезу образования молекул водяного пара в верхней атмосфере в результате превращения протонов солнечного про­ исхождения иногда называют гипотезой «солнечного дождя». Ввиду сложности происходящих процессов количественно она еще не решена.

Вобласти мезопаузы при значительных понижениях темпе­ ратуры может возникать процесс конденсации водяного пара и образование так называемых серебристых (мезосферных) об­ лаков.

Взависимости от уровня солнечной активности изменяется

ляются основными ионизаторами атмосферных газов. Поэтому изменение уровня солнечной активности приводит к периодиче­ ским и нерегулярным изменениям распределения газов с высо­ той в верхней атмосфере.

47

§ 4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Экспериментальное определение газового состава верхней атмосферы представляет собой сложную техническую задачу. В этих целях используются как прямые, так и косвенные методы. Рассмотрим кратко основы наиболее распространенных методов.

Исследование спектров свечения ночного неба и полярных сияний

Спектрометрические и фотометрические исследования свети­ мости ночного неба и полярных сияний задолго до запуска гео­ физических ракет позволили получить хотя в основном и каче­ ственные, но достаточно правильные и подробные сведения о га­ зовом составе верхней атмосферы.

Собственное свечение ночного неба и полярные сияния возни­ кают в результате процессов возбуждения атомов и молекул, а также рекомбинации ионизированных частиц и дают линейчатый спектр. Спектральные линии излучения отождествляются с мо­ лекулами, атомами и ионами соответствующих им газов. Шири­ на спектральных линий позволяет судить об их количественном содержании.

Высота излучающего слоя ночного неба определяется по от­ ношению интенсивности излучения в зените к интенсивности при некотором выбранном зенитном расстоянии. Высота полярного сияния находится в результате базисного фотографирования.

Результаты исследований спектров свечения ночного неба и полярных сияний позволили сделать заключение о том, что на высотах около 100 км происходят процессы диссоциации молекул кислорода, но еще отсутствует гравитационно-диффузное разде­ ление газов.

Оптический метод исследования содержания молекулярного кислорода

Этот метод применяется для определения количества молеку­ лярного кислорода на различных высотах.

О

Известно, что в диапазоне длин волн от 2000 до 1000 А по­ глощение солнечной радиации обусловлено почти исключительно, молекулами кислорода. Поэтому по измерениям интенсивности радиации в указанном диапазоне длин волн на различных высо­ тах можно путем расчетов определить распределение молекуляр­ ного кислорода с высотой.

В качестве регистраторов радиации могут быть использова­ ны ионизационные камеры или счетчики фотонов, поднимаемые в верхнюю атмосферу на ракетах. Может применяться и непо­

48

средственное фотографирование ультрафиолетового участка спектра. Тогда количество кислорода определяется по интенсив­ ности полос поглощения.

Метод взятия проб воздуха

До недавнего времени единственым методом, позволяющим непосредственно измерять газовый состав в свободной атмосфе­ ре, являлся забор проб воздуха на различных высотах с после­ дующим анализом их в лабораторных условиях. Металличе­ ские или стеклянные баллоны для взятия проб раньше поднима­ лись в атмосферу с помощью шаров-зондов- и стратостатов, а с 1947 г. — с помощью геофизических ракет. Главная трудность метода взятия проб в применении к большим высотам связана со значительным уменьшением количества доставляемого в бал­ лонах газа. Так, баллоны емкостью З л е высоты около 100 км доставляют для анализа объем газовой смеси около 6 мм3 при нормальных условиях. В этих случаях возрастают требования к ослаблению «гажения» используемой аппаратуры, весьма услож­ няется методика лабораторного анализа проб.

Для анализа получаемых проб применяются физико-химиче­ ский и спектральный методы. Физико-химическим методом можно анализировать пробы объемом не менее 10 мм3, поэтому надеж­ ные результаты можно получить до высот 70—80 км. Спектраль­ ный метод позволяет проводить количественный анализ атмо­ сферного воздуха на основные компоненты (кислород, аргон, азот) в количествах, измеряемых десятыми и даже сотыми до­ лями кубических миллиметров (при н.т. д.). С удовлетворитель­ ной точностью (5—8%) этот метод позволяет проводить иссле­ дования до Bbicot ПО км. Одним из основных недостатков этого метода является то, что компоненты газового состава за период времени от взятия пробы до ее анализа успевают вступить в ре­ акции между собой.

Масс-спектрометрический метод

Для исследования газового остава выше 100 км на ракетах и ИСЗ устанавливают радиочастотный масс-спектрометр. Этот при­ бор позволяет получать полную картину наличия и пространст­ венно-временного изменения всех компонент газового состава — химически устойчивых и неустойчивых, нейтральных и ионизиро­ ванных частиц. Анализ состава газовой смеси проводится непо­ средственно в полете без нарушения ее естественного состояния. Данные анализа сразу же по радиотелеметрическим каналам пе­ редаются на Землю.

Радиочастотный масс-спектрометр типа Беннета работает на принципе разделения ионов по скоростям. Основным элементом