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

этого прибора является масс-спектрометрическая трубка особой конструкции с рядом плоскопараллельных сеток.

На рис. 2.5 показана упрощенная схема масс-спектрометриче- ской трубки. Через входное отверстие, из окружающего про­ странства ионы попадают на систему из трех параллельных рав­ ноотстоящих друг от друга сеток, на которые генератором 7 по­ дается отрицательный пилообразно возрастающий потенциал v. На середину сетки 2, кроме того, подается переменное синусои­ дальное высокочастотное напряжение и = u0sin(u^ ± 0), ампли­ туда которого мала по сравнению с ускоряющим напряжением

рость иона зависит от его массы и ускоряющего напряжения, то, зная значение оптимальной скорости для данной системы сеток и величину ускоряющего напряжения, можно определить моле­ кулярный вес ионов. Оптимальная скорость при изменении уско­ ряющего напряжения по пилообразному закону сообщается по­

числом 16 соответствует 0 +, 14 —N+,18— изотопу кислорода, 30—NO +, 32 —O f и 28 — N ^. Все другие пики являются гармо­

ничными (ложными).

Анализатор ионов, состоящий из трех сеток, работает еще не­ удовлетворительно. Для улучшения его работы строят систему из трех трехсеточных секций, разделенных дрейфовыми про­ странствами определенной величины.

Для исследования состава нейтральных частиц перед входным отверстием трубки устанавливается специальная приставка, ко­ торая предварительно ионизирует эти частицы.

50

Нижняя граница применимости радиочастотного масс-спек­ трометра определяется длиной свободного пробега частиц и близ­ ка к высоте 100 км. Верхняя граница определяется чувствитель­ ностью прибора, т. е. предельно малой величиной тока, им реги-

— ^__rv_

стрируемого. Концентрация ионов Ю3 см"3 еще дает возможность проводить уверенные измерения. Таким образом, верхняя гра­ ница применимости масс-спектрометра превышает 1000 км.

§ 5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗОВОГО СОСТАВА

По газовому составу атмосферу Земли подразделяют на го­ мосферу и гетеросферу. В первом слое, простирающемся от по­ верхности Земли до высоты около 100 км, процентное-содержа­ ние основных газов и молекулярный вес не изменяются с высо­ той. Во втором слое, расположенном выше 100 км, газовый со­ став изменяется с высотой. С возрастанием высоты уменьшается количество тяжелых газов и увеличивается количество легких газов, что ведет к уменьшению молекулярного веса воздуха. Рас­ смотрим газовый состав для областей высот: менее 100 км, 100— 200 км и выше 200 км.

Область высот менее 100 км

Газы, входящие в состав приземного слоя атмосферы, приня­ то разделять на две группы: группу постоянных и группу пере­ менных составляющих.

Первая группа газов, называемая воздухом, составляет прак­ тически все 100% приземной атмосферы. В нее входят: молеку­ лярный азот и кислород, аргон, углекислый газ, гелий, водород и инертные газы — неон, криптон, ксенон.

Вторая группа газов содержится в атмосфере в очень незначи­

тельных количествах и называется примесями. Некоторое исклю­ чение составляют водяные пары, количество которых может до­ стигать до 2—3% по объему, и озон, который в нижних слоях является типичной «примесью», а в стратосфере может присут­ ствовать в заметных количествах.

Процентный состав приземного воздуха и примесей приведен в табл. 2.2 и 2.3 (Б. А. Миртов, 1961).

Поскольку вся область атмосферы до высоты 100 км сильно перемешана, то процентное содержание основных газовых компо­ нент (N2, 0 2, А г) на всех высотах остается таким же, как в при­ земном слое. Молекулярный вес в гомосфере постоянен и равен 28,966. В этой области атмосфера является азотно-кислородной.

Однако следует отметить наличие пространственно-времен­ ных вариаций концентрации углекислого газа. Так, в тропосфере наблюдаются регулярные сезонные вариации концентрации угле­ кислого газа, амплитуда которой уменьшается с увеличением вы­ соты. Бишоф и Болин (1969) отмечают, что на высоте 5 км ампли­ туда концентрации составляет 1010~6 (10 молекул С 02 на 1 • 106 частиц воздуха), а в верхней части тропосферы она уменьшается до 6 - КТ6. Очень заметное и резкое изменение п[С02] происходит при переходе от тропосферы к стратосфере.

52

В годовом ходе максимальная концентрация СОг в тропосфе­ ре наблюдается в мае, а минимальная — в августе и сентябре. На рис. 2.7 приведен годовой ход концентрации С 02 на уровне 500 мб над Тихим океанам (60° с. ш.). В ряде работ отмечается, что имеет место ежегодное увеличение концентрации С 02 в атмо­ сфере примерно на 0,7 -10“6 в результате промышленных загряз­ нений воздуха').

[СОг]-/0*6

Рис. 2.7. Годовой ход коцентрации СОз

Абсолютные и относительные концентрации примесей могут иметь существенные изменения как с высотой, так и в зависимо­ сти от времени суток, уровня солнечной активности и др.

Изменение с высотой концентрации основных газовых компо­ нент определяется падением общей плотности атмосферы, ско­ рость которого зависит от вертикального распределения темпе­ ратуры. В табл. 2.4 приведены данные о концентрациях молеку­ лярного кислорода и азота и полном числе молекул в области

’) Сб. «Исследования по ядерной метеорологии и химии атмосферы». Гидрометеоиздат, 1969.

53

высот 30—100 км. Их нужно рассматривать лишь как первое при­ ближение к реально существующим условиям. Суточные вариа­ ции концентраций основных составляющих газов ниже 100 км пока не обнаружены. Если они существуют, то, по-видимому, не­ велики.

Область высот от 100 до 200 км

Для этой области характерно начало гравитационно-диффуз­ ного разделения газов и увеличение роли фотохимических про­ цессов в формировании газового состава.

Масс-спектрометрические измерения, проведенные с помощью геофизических ракет на средних широтах ЕТС, показали, что в

табл. 2.5 (А. Д. Данилов, 1967).

На высоте около 200 км в период низкой солнечной активно­ сти (1962—1965 гг.) обнаружены суточные вариации газового со­ става. Так, распределение атомного кислорода имеет четкий мак­ симум около 14 ч местного времени и минимум около 3 ч. Отно­ шение максимальной концентрации к минимальной составляет

Оно максимально в полуденные часы и уменьшается к утру и к вечеру.

Высота, на которой зарегистрировано равенство концентра­ ций л[Ы2] = л[0], днем равна 150—200 км, ночью — около 225 км. Считают, что в отдельных случаях этот уровень может повышать­ ся до 400 км.

54

Согласно СА-64, в интервале высот 95—ПО км изменение мо­ лекулярного веса описывается функцией

а на высоте z = 110 000 м он принимает значение и. = 28,934. На высотах от ПО до 160 км молекулярный вес линейно уменьшает­ ся до значения р- = 27,9. Выше 160 км р. уменьшается нелинейно до р = 27,0 на высоте 200 км.

Область выше 200 км

Экспериментальные исследования концентрации нейтральных газовых частиц на высотах выше 200 км крайне малочисленны.

По данным масс-спектрометрических измерений на геофизи­ ческой ракете (15 сентября 1961 г.), концентрация молекул азота на высотах около 400 км составляла от 30 до 60% общего числа частиц1). Это подтверждено также данными американского ИСЗ «Эксплорер-17»: атомный кислород превалирует над молекуляр­ ным азотом выше 250—300 км. Таким образом, молекулярный азот до значительно больших высот, чем предполагалось раньше, является существенной компонентой атмосферы. Примерно до высоты 500 км атмосфера является азотно-кислородной.

Следует отметить, что область высот 200—500 км, где еще имеют место интенсивные фотохимические процессы и одновре-

■) «Космические исследования», 1963, К» 1.

55

менно существуют молекулы и атомы (в основном N2 и О), при небольшом количестве прямых измерений наиболее трудна для физически обоснованной интерпретации.

Несколько проще решается этот вопрос для области высот 500—1000 км. По современным представлениям на высоте при­ мерно 1000 км около 20—25% всех газовых частиц ионизирова­ но. В основном это ионы 0 + и лишь 7—9% от них составляют ионы N+.Остальные 75% нейтральных газовых частиц по своему химическому составу можно идентифицировать по косвенным данным и измерениям ионного состава.

Рис. 2.9. Распределение газового состава с высотой (по CIRA-65)

В качестве доказательства рассмотрим следующие обстоя­ тельства:

а) маловероятно, чтобы этими частицами были атомы гелия и водорода, так как их ионы не обнаружены в достаточном коли­ честве при масс-спектрометрических измерениях;

б) не могут быть этими частицами ни молекулы кислорода, ни молекулы азота в силу существования гравитационно-диффуз­ ного разделения газов выше 100 км\

в) атомы азота также не могут быть преобладающими части­ цами, так как на больших высотах процессы ионизации и реком­ бинации атомов азота и кислорода должны идти с одинаковыми скоростями и поэтому концентрация их ионов должна отражать концентрацию их нейтральных частиц; в этом случае должно вы­ полняться соотношение n[N+]>/г[0+],а в действительности массспектрометрические измерения для высот около 1000 км показы­ вают, что

n[N+] — 7 ч- 9% .

я[0+]

56

атомы кислорода, т. е. атмосфера на этих высотах является в ос­ новном атомно-кислородной. Выше 1000 км в газовом составе начинает преобладать водород. По данным масс-спектрометриче- ских измерений, высота, на которой происходит переход от пре­ обладания ионов 0 + к преобладанию ионов Н + в период низкой

(CIRA-65). При максиму­

ме солнечной активности атомный кислород в заметных количе­ ствах распространяется до высоты 2500 км, а при минимуме он обнаруживается лишь ниже 1300 км. В годы минимума солнеч­ ной активности атомный водород является преобладающей ком­ понентой, начиная с высот 600—800 км.

От уровня солнечной активности существенно зависит и мо­ лекулярный вес газовой смеси атмосферы (рис. 2.10). В годы максимума его величина значительно возрастает на всех высо­ тах, но особенно в слое 500—1500 км.

§ 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ИОННОГО СОСТАВА

Общее количество ионов по отношению к нейтральным моле­ кулам и атомам в верхней атмосфере незначительно. Так, на вы­ соте 300 км доля ионов от общей концентрации частиц может до­ стигать лишь 0,1 %, с высотой она растет и на высоте около 1000 км составляет примерно 20—25%. Таким образом, до этой

57

высоты основным составом атмосферы являются нейтральные ча­ стицы (атомы и молекулы), а ионы следует рассматривать лишь как малую «примесь». Выше 1000 км относительное содержание нейтральных частиц в атмосфере уменьшается. Начиная с высоты 2000—3000 км, большинство частиц уже ионизировано. В табл. 2.6 приведено значение концентраций нейтральных частиц я0 и ионов я(- на расстоянии двух и трех радиусов Земли. Концентра­

Ион атомного кислорода 0+ оказался постоянно присутствую­ щей и преобладающей компонентой атмосферного газа на всех высотах. Так как измерение абсолютной концентрации ионов связано с большими погрешностями, то было принято концентра­ цию различных ионов сравнивать с концентрацией ионов атом-

атомного азота [4].

По измерениям ионного состава с помощью ракет и ИСЗ мож­ но сделать следующие обобщения о среднем распределении ионов.

Сл о й 100—150 км: наблюдаются ионы NO+, и 0 +; преоб­

ладающим ионом является ЫО+ ;на высотах 100—ПО км обна­ ружены также ионы Mg+, Са+, Si+, Fe+, которые представляют

происходит быстрый рост относительной концентрации ОН на вы­ соте, близкой к 200 км, начинает обнаруживаться N^.

58

высотой его относительная концентрация.

Рис. 2.11. Изменение относительной концентрации ионов с высотой

Вы ше 500 км: преобладают ионы 0+ и N+; перестают обна­ руживаться молекулярные ионы (с точностью до 1% ).

Качественное изменение ионного состава с высотой можно

59