Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

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

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