Состав нейтральной атмосферы

Рассмотрим атмосферу на высотах выше турбопаузы (гетеросферу), находящуюся в диффузионном равновесии, т. е. в состоянии, соответствующем равенству нулю скоростей молекулярной диффузии, В этих условиях, решения уравнений гидростатики показывает, что каждая компонента нейтральной атмосферы распределена по барометрическому закону со своей собственной шкалой высоты однородной атмосферы , зависящей от массы частиц  данного сорта. Чем тяжелей частица, тем быстрее ее концентрация убывает с высотой. Так что с ростом высоты должно возрастать относительное содержание легких компонент.

В гомосфере, т. е. ниже турбопаузы, вследствие интенсивного
турбулентного перемешивания нейтральные частицы всех сортов
распределены по высоте по одинаковому закону с общей для всего газа шкалой высот , определяемой средней массой. Состав атмосферы у поверхности Земли приведен в табл. 3.1, а высотные распределения концентраций главных атмосферных компонентов для трех характерных значений температуры атмосферы в области изотермии показаны на рис. 3.2. В термосфере преобладающим компонентом выше ~ 200 км становится атомарный кислород, а в экзосфере - гелий и атомарный водород, содержание которых у поверхности Земли совершенно незначительно.

На состав атмосферы влияют процессы возникновения и исчезновения
частиц сорта n, которые могут вызывать отклонения высотного распределения концентрации частиц данного сорта от диффузионно-равновесного выше турбопаузы и от полностью перемешанного состояния ниже турбопаузы.

 

Таблица 3.1. Состав атмосферы на уровне моря.

     

Рис. 3.2. Высотные распределения концентраций основных нейтральных компонент для экзосферной температуры 2000 (а), 1000 (б) и 500 К (в).

 

В частности, появление значительного количества атомарного кислорода выше турбопаузы обусловлено не только «всплыванием» О, но и интенсивным образованием его на высотах 90—120 км в реакции фотодиссоциации. (или фотолиза) молекулярного кислорода солнечным излучением с длиной волны короче 2424  соответствующей порогу диссоциации , равному 5,11 эВ:

Видно, что в каждом акте диссоциации молекулы кислорода образуется два атома кислорода. За счет этого резко увеличивается концентрация атомов кислорода и его влияние на процессы в ионосфере.   Наряду с процессом диссоциации может идти и обратный процесс – рекомбинация молекулы кислорода.

Ослабление интенсивности  на элементе длины пути излучения  за счет поглощения n-й компонентой атмосферы равно

где  — сечение поглощения излучения с длиной волны λ компонентой сорта n.

Высота максимума скорости диссоциации излучением с длиной волны λ определяется сечением поглощения и интегральным содержанием поглощающих частиц, растет с ростом зенитного угла и не зависит от числа падающих фотонов, а максимальное значение скорости диссоциации прямо пропорционально интенсивности диссоциирующего излучения и уменьшается с ростом зенитного угла.

Вследствие экспоненциального убывания концентраций нейтральных компонент с высотой столь же быстро убывают и частоты их столкновений т. е. возрастают длины свободного пробега, так что выше некоторого уровня , называемого основанием экзосферы, или экзобазой, частицы начинают двигаться практически без столкновений, независимо друг от друга. За уровень h_c принимают высоту, на которой длина свободного пробега и шкала высот для данной компоненты равны. Для атомарного водорода h_c = 400 км при Т=750 К и 800 км при Т= 2000 К. Те из частиц экзосферы, скорости которых превышают критическую, могут покидать земную атмосферу. Критическая («вторая космическая») скорость  определяется из условия равенства кинетической энергии частицы ее потенциальной энергии в гравитационном поле Земли:

откуда =11,2 км/с. Такой скорости соответствует температура убегания  которая равна 84000К для О, 21000К для Не и 5200К для Н. Поскольку реальные средние скорости частиц в экзосфере соответствуют температурам не выше 2000 К, ясно, что убегание существенно только для Н. Оно значительно искажает функцию распределения атомов водорода по скоростям.