Будова атмосфери за властивостями газів. Мезосфера. Термосфера і іоносфера. Екзосфера

 

Мезосфера - шар атмосфери між стратосферою і іоносферою від 40 км до 80 км. Характеризується зниженням температури від 0° до –90°С

Іоносфера (від іони і грец. Spháira - куля), іонізованого частина верхньої атмосфери; розташована вище 50 км. Верхней границей Ионосфера является внешняя часть магнитосферы Земли. Ионосфера представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности специфическими свойствами, определяющими характер распространений в ней радиоволн и различных возмущении (подробнее см. Плазма, Распространение радиоволн). Верхній кордоном Іоносфера є зовнішня частина магнітосфери Землі. Іоносфера являє собою природне утворення розрідженої слабоіонізірованной плазми, що знаходиться в магнітному полі Землі і що володіє завдяки своїй високій електропровідності специфічними властивостями, що визначають характер поширень в ній радіохвиль і різних обуренні (докладніше див Плазма, Поширення радіохвиль). Только благодаря Ионосфера возможен такой простой и удобный вид связи на дальние расстояния, как радиосвязь. Тільки завдяки Іоносфера можливий такий простий і зручний вид зв'язку на далекі відстані, як радіозв'язок.

Первые предположения о существовании высоко над Землёй электропроводящего слоя высказывались в связи с исследованием магнитного поля Земли и атмосферного электричества (К. Гаусс, 1839; У. Томсон, 1860; Б. Стюарт, 1878). Перші припущення про існування високо над Землею електропровідного шару висловлювалися у зв'язку з дослідженням магнітного поля Землі і атмосферної електрики (К. Гаус, 1839; У. Томсон, 1860; Б. Стюарт, 1878). Вскоре после открытия А. С. Поповым радио (1895) А. Кеннелли в США и О. Хевисайд в Великобритании почти одновременно (в 1902) высказали предположение, что распространение радиоволн за пределы прямой видимости обусловлено их отражением от электропроводящего слоя, расположенного на высотах 100-300 км. Незабаром після відкриття А. С. Поповим радіо (1895) А. Кеннеллі в США і О. Хевісайд у Великобританії майже одночасно (в 1902) висловили припущення, що поширення радіохвиль за межі прямої видимості обумовлено їх відбиттям від електропровідного шару, розташованого на висотах 100 -300 км. Научные исследования Ионосфера были начаты в 20-х гг., когда применили зондирующие ионосферные станции и, посылая с Земли короткие радиосигналы с различной длиной волны, наблюдали их отражения от соответствующих областей Ионосфера Английским учёным У. Эклсом был предложен механизм влияния заряженных частиц на радиоволны (1912), советский учёный М. В. Шулейкин (1923) пришёл к выводу о существовании в Ионосфера не менее 2 слоев, английский учёный С. Чепмен (1931) построил теорию простого слоя, в первом приближении описывающую Ионосфера Большой вклад внесли работы советских учёных Д. А. Рожанского, М. А. Бонч-Бруевича, А. Н. Щукина, С. Ионосфера Крючкова, английских учёных Дж. Лармора, Э. Эплтона и др. Наукові дослідження Іоносфера були розпочаті в 20-х рр.., Коли застосували зондуюче іоносферні станції і, посилаючи з Землі короткі радіосигнали з різною довжиною хвилі, спостерігали їх відбиття від відповідних областей Іоносфера Англійською вченим У. Еклс був запропонований механізм впливу заряджених частинок на радіохвилі (1912), радянський вчений М. В. Шулейкин (1923) прийшов до висновку про існування в Іоносфера не менше 2 шарів, англійський учений С. Чепмен (1931) побудував теорію простого шару, в першому наближенні описує Іоносфера Великий внесок внесли роботи радянських вчених Д. А. Рожанська, М. А. Бонч-Бруєвича, А. Н. Щукіна, С. Іоносфера Крючкова, англійських вчених Дж. Лармора, Е. Еплтона та ін

Наблюдения на мировой сети станций позволили получить глобальную картину изменения Ионосфера Было установлено, что концентрация ионов и электронов в Ионосфера распределена по высоте неравномерно: имеются области, или слои, где она достигает максимума (рис. 1). Таких слоев в Ионосфера несколько; они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Спостереження на світовій мережі станцій дозволили отримати глобальну картину зміни Іоносфера Було встановлено, що концентрація іонів та електронів у Іоносфера розподілена по висоті нерівномірно: є області, або шари, де вона досягає максимуму (рис. 1). Таких шарів у Іоносфера декілька; вони не мають різко виражених кордонів, їх положення і інтенсивність регулярно змінюються протягом дня, сезону та 11-річного сонячного циклу. Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации Ионосфера Ночью он поднимается до высот 300-400 км, а днём (преимущественно летом) раздваивается на слои F ₁ и F ₂ с максимумами на высотах 160-200 км и 220-320 км. Верхній шар F збігається з головним максимуму іонізації Іоносфера Вночі він піднімається до висот 300-400 км, а вдень (переважно влітку) роздвоюється на шари F ₁ і F ₂ з максимумами на висотах 160-200 км і 220-320 км. На высотах 90-150 км находится область Е, а ниже 90 км область D. На висотах 90-150 км знаходиться область Е, а нижче 90 км область D. Слоистость Ионосфера обусловлена резким изменением по высоте условий её образования (см. ниже). Шаруватість Іоносфера обумовлена різкою зміною по висоті умов її утворення (див. нижче).

Применение сначала ракет, а потом и спутников позволило получить более надёжную информацию о верхней атмосфере, непосредственно измерить на ракетах ионный состав (при помощи масс-спектрометра) и основные физические характеристики Ионосфера (температуру, концентрацию ионов и электронов) на всех высотах, исследовать источники ионизации - интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков. Застосування спочатку ракет, а потім і супутників дозволило отримати більш надійну інформацію про верхній атмосфері, безпосередньо виміряти на ракетах іонний склад (за допомогою мас-спектрометра) і основні фізичні характеристики Іоносфера (температуру, концентрацію іонів та електронів) на всіх висотах, дослідити джерела іонізації - інтенсивність і спектр короткохвильового іонізующего випромінювання Сонця і різноманітних корпускулярних потоків. Это позволило объяснить регулярные изменения в Ионосфера С помощью спутников, несущих на борту ионосферную станцию и зондирующих Ионосфера сверху, удалось исследовать верхнюю часть Ионосфера, расположенную выше максимума слоя F и поэтому недоступную для изучения наземными ионосферными станциями. Це дозволило пояснити регулярні зміни в Іоносфера За допомогою супутників, що несуть на борту іоносферних станцію і зондувальних Іоносфера зверху, вдалося дослідити верхню частину Іоносфера, розташовану вище максимуму шару F і тому недоступну для вивчення іоносферних наземними станціями.

Было установлено, что температура и электронная концентрация n _е в Ионосфера резко растут до области F (см. таблицу и рис. 2); в верхней части Ионосфера рост температуры замедляется, а n _е выше области F уменьшается с высотой сначала постепенно до высот 15-20 тыс. км (так называемая плазмопауза), а потом более резко, переходя к низким концентрациям n _е в межпланетной среде. Було встановлено, що температура та електронна концентрація n _е в Іоносфера різко зростають до області F (див. таблицю і рис. 2); у верхній частині Іоносфера зростання температури сповільнюється, а n _е вище області F зменшується з висотою спочатку поступово до висот 15 -- 20 тис. км (так звана плазмопауза), а потім більш різко, переходячи до низьких концентрацій n _е в міжпланетної середовищі

Термосферу (від термо... і грец. Spháira - куля), верхній шар атмосфери, розташований між верхньою межею мезосфери - мезопауза і підставою екзосферу (в середньому від висот близько 80 км до 500 км). Положення цих рівнів змінюється в межах ± 10 -20%. Для Термосфера характерен положительный градиент температуры. Для термосферу характерний позитивний градієнт температури. Он равен нулю в мезопаузе, имеет максимальное значение между 100 и 200 км и вновь становится равным нулю вблизи основания экзосферы. Він дорівнює нулю в мезопауза, має максимальне значення між 100 і 200 км і знову стає рівним нулю поблизу підстави екзосферу. Здесь атмосфера становится практически изотермической. Тут атмосфера стає практично ізотермічної. От мезопаузы до экзосферы температура приблизительно изменяется от 200 К до 1000—2000 К. Особенно велики вариации температуры у основания экзосферы. Від мезопауза до екзосферу температура приблизно змінюється від 200 К до 1000-2000 К. Особливо великі варіації температури біля основи екзосферу.

Плотность Термосфера в среднем изменяется от 1,8 ×10 ^-8 г/см ³ на высоте около 80 км до 1,8×10 ^-15 г/см ³ на высоте около 500 км. В мезопаузе относительный состав атмосферных компонент близок к приземному, но чем выше, тем большее количество кислорода находится в атомарном состоянии. Щільність термосферу в середньому змінюється від 1,8 × 10 ^-8 г / см ³ на висоті близько 80 км до 1,8 × 10 ^-15 г / см ³ на висоті близько 500 км. У мезопауза відносний складу атмосферних компонент близький до приземному, але чим вище, тим більшу кількість кисню знаходиться в атомарному стані. На уровне около 120 км начинается диффузионное разделение газов. На рівні близько 120 км починається дифузійне розділення газів. Выше уровня 200—300 км преобладающим становится более лёгкий атомарный кислород. Выше 500 км имеются значительные относительные концентрации ещё более лёгких элементов: водорода и гелия. Часть молекул и атомов Термосфера находится в ионизированном состоянии и сосредоточена в нескольких слоях (см. Ионосфера). Вище рівня 200-300 км переважним стає більш легкий атомарний кисень. Вище 500 км є значні відносні концентрації ще більш легких елементів: водню та гелію. Частина молекул і атомів термосферу знаходиться в іонізованому стані і зосереджена в кількох шарах (див. Іоносфера).

Все характеристики Термосфера подвержены весьма значительным вариациям в зависимости от географического положения, солнечной активности, сезона года и времени суток. Всі характеристики термосферу схильні до досить значним варіацій в залежності від географічного положення, сонячної активності, сезону року і часу доби. Температурный и динамический режим Термосфера регулируется поглощаемой ею энергией. Температурний і динамічний режим термосферу регулюється поглинається нею енергією. Эта энергия может вводиться как от источников, расположенных извне, так и снизу из тропосферы. Основные источники термосферной энергии: жёсткое солнечное электромагнитное излучение, диссоциирующее и ионизирующее атмосферу; энергичные заряженные частицы (протоны и электроны), вторгающиеся в высокоширотные области атмосферы во время полярных сияний; диссоциированные на атомы молекулы атмосферы; акустически гравитационные волны, которые могут возникать как в тропосфере, так и в верхней атмосфере в области полярных сияний; диссипация энергии при циркуляции Термосфера Ця енергія може вводитися як від джерел, розташованих ззовні, так і знизу з тропосфери. Основні джерела термосферной енергії: жорстке сонячне електромагнітне випромінювання, дисоціюють і іонізуюче атмосферу; енергійні заряджені частинки (протони і електрони), що вторгаються в високоширотним області атмосфери під час полярних сяйв; дисоційованому на атоми молекули атмосфери; акустично гравітаційні хвилі, які можуть виникати як в тропосфері, так і у верхній атмосфері в області полярних сяйв; дисипації енергії при циркуляції термосферу

Молекулы азота, кислорода и атомы кислорода, преобладающие в составе термосферы, не могут излучать в больших количествах инфракрасное излучение. Молекули азоту, кисню і атоми кисню, що переважають у складі термосферу, не можуть випромінювати у великих кількостях інфрачервоне випромінювання. Поэтому из-за недостаточности излучающей способности Термосфера сильно разогревается, в особенности на больших высотах. Тому через недостатність випромінюючої здатності термосферу сильно розігрівається, особливо на великих висотах. При этих условиях отвод тепла может осуществляться только теплопроводностью к мезопаузе вследствие положительного градиента температуры. За цих умов відведення тепла може здійснюватися тільки теплопровідністю до мезопауза внаслідок позитивного градієнта температури. В мезопаузе содержится большое количество сложных молекул (двуокиси углерода, воды и озона), которые хорошо излучают инфракрасную радиацию и тем самым обеспечивают отвод тепла, накопленного вверху, за пределы земной атмосферы. У мезопауза міститься велика кількість складних молекул (двоокису вуглецю, води і озону), які добре випромінюють інфрачервону радіацію і тим самим забезпечують відведення тепла, накопиченого вгорі, за межі земної атмосфери.

Термосфера оказывает тормозящее действие на ИСЗ. Термосферу чинить гальмівну дію на ШСЗ. Кроме того, от её состояния сильно зависит поведение ионосферы. Крім того, від її стану сильно залежить поведінка іоносфери.

Екзосфера (від екзо... і сфера), сфера розсіювання, зовнішній, найбільш розріджений шар атмосфери, де довжини вільного пробігу часток такі великі, що частинки можуть діссіпіровать (розсіюватися) в міжпланетний простір. Масса «воздуха» в Экзосфера близка к 10 ^¾10 массы атмосферы. Маса «повітря» в Екзосфера близька до 10 ^{¾ 10} маси атмосфери. Быстрее всего диссипируют лёгкие газы (Н, Не). Экзосфера начинается на высотах 450—800 км, а её верхняя граница находится на расстоянии нескольких тыс. км от земной поверхности, где концентрация частиц становится такой же, как в межпланетном пространстве. Экзосфера состоит из ионизированного газа (плазмы); у её начала отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1; в верх. Швидше за все діссіпіруют легкі гази (Н, Не). Екзосфера починається на висотах 450-800 км, а її верхня межа знаходиться на відстані декількох тис. км від земної поверхні, де концентрація часток стає такою ж, як у міжпланетному просторі. Екзосфера складається з іонізованого газу (плазми); у її початку відношення концентрацій заряджених і нейтральних частинок близько до 1; в гору. половине Экзосфера воздух почти полностью ионизирован. половині Екзосфера повітря майже повністю іонізована. Нижняя и средняя части Экзосфера в основном состоят из атомов О и N; с увеличением же высоты быстро растет относительно концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура Экзосфера 1500—3000 К; она слабо растет с высотой. Нижня і середня частини Екзосфера в основному складаються з атомів О і N; зі збільшенням ж висоти швидко росте щодо концентрація легких газів, особливо іонізованого водню. Газокінетіческая температура Екзосфера 1500-3000 К; вона слабко зростає з висотою. Рост солнечной активности приводит к потеплению Экзосфера и к увеличению её толщины. Зростання сонячної активності призводить до потепління Екзосфера і до збільшення її товщини. На физические процессы в Экзосфера сильно влияет магнитное поле Земли, напряжённость которого у начала Экзосфера равна 0,3 э, на внешней её границе 10 ^-2 — 10 ^-3 э. На фізичні процеси в Екзосфера сильно впливає магнітне поле Землі, напруженість якого біля початку Екзосфера дорівнює 0,3 е, на зовнішньому її кордоні 10 ^-2 - 10 ^-3 е.. В Экзосфера в основном расположены радиационные пояса Земли. У Екзосфера в основному розташовані радіаційні пояси Землі