Для понимания того, что мы будем рассказывать дальше о серебристых облаках, необходимо иметь хотя бы общие представления о строении земной атмосферы, а особенно ее верхних слоев.

Основным признаком, определяющим подразделение атмосферы на отдельные слои, является изменение ее температуры с высотой. Характер этого изменения во многом зависит от состава атмосферы.

Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот — 78,09, кислород — 20,95, аргон — 0,93, углекислый газ — 0,03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км.

Но установить это удалось не сразу. Длительное время в науке господствовала теория диффузионного разделения газов, согласно которой самые легкие газы (водород и гелий) сосредоточены в верхних слоях атмосферы, а более тяжелые (азот, кислород и особенно аргон и углекислый газ) — в нижних слоях. Уже в 30-е годы XX в. удалось доказать, что благодаря интенсивному перемешиванию состав атмосферы до довольно больших высот остается постоянным и только потом начинается диффузионное разделение.

Кроме постоянных компонентов, перечисленных выше, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Эти компоненты оказывают большое влияние на тепловой режим Земли и ее атмосферы.

Рассмотрим схему строения земной атмосферы (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения земной атмосферы:

_{1 — тропосферные облака нижнего яруса, 2 — перистые облака, 3 — перламутровые облака, 4 — серебристые облака, 5 метеоры, 6 — болид, 7 — полярные сияния, 8 — метеорологическая ракета, 9 — геофизическая ракета.}

Известно, что в ее нижнем слое, именуемом тропосферой (от греческого тропэ — поворот), температура быстро падает с высотой: на 6?7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). Это происходит потому, что нижние (приземные) слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. В тропосфере образуются облака, осадки, дуют ветры, образуются самые различные метеорологические явления.

В зависимости от строения атомов и молекул различных газов они способны поглощать в той или иной степени излучение в различных диапазонах длин волн. Тар, молекула водяного пара (Н₂О) интенсивно поглощает инфракрасные лучи во всем диапазоне, за исключением «окна» на длинах волн 8?13 мкм. Напротив, озон (трехатомный кислород, О₃) поглощает ультрафиолетовые лучи короче 0,36 мкм.

На уровне от 11 до 17 км падение температуры с высотой прекращается и начинается стратосфера — сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34?36 км и ростом температуры до уровня ~ 60 км. Этот рост происходит за счет поглощения солнечных ультрафиолетовых лучей слоем озона, о котором подробнее будет сказано ниже. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой.

Выше стратосферы, примерно от уровня озонного пика температуры и до 30–85 км простирается мезосфера — область нового падения температуры с высотой. Мезосферу от стратосферы отделяет узкая область стратопаузы, примерно соответствующей высоте озонного максимума.

Еще выше температура вновь начинает расти. Сюда еще доходит ультрафиолетовое излучение Солнца на длинах волн короче 0,2 мкм, а в этой области спектра находятся полосы поглощения Шумана — Рунге молекулы кислорода (длины волн 1925–1760 A°; 1 A° (ангстрем) = 10^-4 мкм). Еще дальше в сторону коротких длин волн расположена сплошная область поглощения, называемая континуумом Шумана — Рунге (длины волн 1760–1350 А°). Поглощение лучей этих длин волн молекулярным кислородом приводит к нагреванию нижней термосферы — так принято называть область роста температуры выше 85 км.

Но поглощение солнечных ультрафиолетовых лучей приводит и к другому процессу — к диссоциации молекул кислорода на атомы. Этот процесс начинается от высоты 30 км и заканчивается на высотах 120–130 км. Выше весь кислород оказывается диссоциированным, т. е. состоящим из атомов.

С главным компонентом земной атмосферы — азотом положение сложнее. Вероятность (или, как принято говорить, эффективное сечение) диссоциации за счет прямого поглощения солнечных лучей у молекулы азота крайне мала. Диссоциация азота возможна лишь в результате более сложных реакций, например, диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов азота. Иначе говоря, сперва происходит ионизация молекулы азота, а потом молекулярный ион рекомбинирует с электроном, распадаясь при этом на два атома азота. Есть еще ряд реакций с участием иона молекулы окиси азота NO⁺, в результате которых образуется атомарный азот. Но для осуществления первой из этих реакций — фотоионизации молекулы азота — необходимо излучение с длиной волны менее 1270 А°. Поэтому диссоциация азота начинается выше, чем диссоциация кислорода, а именно, начиная с 200 км, причем концентрация атомов азота начинает превышать концентрацию молекул только на высоте 400 км.

Что же обусловливает продолжающийся рост температуры с высотой в верхней термосфере (выше 150 км)? В основном — опять-таки ультрафиолетовое излучение Солнца. В верхних слоях атмосферы происходит ионизация атомов и молекул, образуются слои заряженных частиц, известные под общим названием ионосфера. Но солнечные лучи, ионизуя атомы и молекулы воздуха, сообщают им дополнительную энергию, переходящую в скорости беспорядочных движений, что и проявляется в увеличении температуры до 2000 градусов на высоте около 1000 км. Заряженные частицы путем столкновений передают энергию нейтральным частицам.

Выше 100 км начинается диффузионное разделение газов, поскольку перемешивание на этих высотах уже не играет той роли, как на более низких уровнях. Химический состав атмосферы начинает меняться с высотой. Эта область переменного состава атмосферы называется гетеросферой, тогда как] область постоянного состава (ниже 100 км) называется гомосферой.

Если до высоты 180 км главным компонентом атмосферы продолжают оставаться молекулы азота, то в интервале высот 180–600 км их место занимают атомы кислорода. Между 600 и 1600 км главным компонентом является гелий, еще выше — атомарный водород. Нужно, однако, помнить, что границы эти условны и зависят от времени суток, а также от уровня солнечной активности.

Рассмотрим теперь строение атмосферы с несколько иной точки зрения, а именно с точки зрения ее взаимодействия с солнечными лучами. Хотя об этом уже не раз говорилось, мы совершим здесь как бы путешествие вместе с солнечным лучом в направлении сверху вниз. Это позволит привести все сказанное о взаимодействии излучения Солнца с атомами и молекулами атмосферы в стройную систему.

Солнечные лучи вступают на границу земной атмосферы как бы широким фронтом — на всех длинах волн. Сначала происходит ионизация атомов водорода (преобладающих, как мы видели, выше 1600 км), затем атомов гелия и кислорода. Но из-за разреженности атмосферы на больших высотах поглощение солнечного излучения выше 300 км практически незаметно.

Однако ниже 300 км поглощение ультрафиолетовых лучей постепенно растет в результате ионизации сначала атомов кислорода, затем атомов и молекул азота и молекул окиси азота и, наконец, молекул кислорода. Поглощаются в основном лучи с длинами волн от 100 до 1020 А° (энергия фотона с длиной волны 1020 А° соответствует потенциалу ионизации атома кислорода — это наименьшая энергия, необходимая для отрыва от атома внешнего электрона). Уже на высотах 120–140 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Зато она обеспечивает ионизацию самого мощного слоя ионосферы — слоя F, который принято подразделять на два подслоя: F₁ (130–180 км) и F₂ (180—1000 км). Максимум электронной концентрации (равной на этих высотах концентрации положительных ионов) достигается на высотах 250–300 км. Она равна там примерно 10⁶ электронов/см³.

Ниже 130 км проходят мягкие рентгеновские лучи (30—100 А°), которые ионизуют слой Е ионосферы (90—130 км). Жесткое рентгеновское излучение доходит до высот 60 км и образует самый нижний, хотя и обладающим наименьшей электронной концентрацией (10³ электронов/см³) слой D ионосферы.

Надо заметить, что мы нарисовали здесь лишь самую общую схему процессов. Ведь, кроме ионизации, непрерывно «работает» обратный процесс — рекомбинация, приводящий к уничтожению ионов и электронов, к воссоединению их в нейтральные частицы. Изучением процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы с атомами, молекулами, ионами и электронами при их взаимодействии друг с другом и с солнечным излучением, занимается наука аэрономия[1]).

Вернемся к солнечному излучению. Потеряв на высоте 100 км полностью свой самый коротковолновый участок ? < 1020 А°), оно начинает далее испытывать поглощение лучей на б?льших длинах волн. Молекулы кислорода поглощают излучение в континууме Шумана — Рунге (1760–1220 А°) энергия которого расходуется на их диссоциацию. Ниже 80 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Однако излучение в области полос Шумана — Рунге (1925–1760 А°) проходит и продолжает диссоциировать молекулы кислорода ниже 80 км. Образовавшиеся атомы кислорода могут взаимодействовать со своими молекулами и с какой-нибудь третьей частицей (обозначим ее буквой М), образуя в таких тройных столкновениях молекулы озона O₂

O₂ + O + M —> O₃ + M

Так образуется слой озона, или озоносфера. Он не может образоваться выше 80 км, поскольку вероятность тройных столкновений быстро падает с уменьшением плотности атмосферы на больших высотах. Не может озон образовываться и ниже 10 км — там нет атомов кислорода, поскольку излучение в области полос Шумана — Рунге полностью поглощается выше этого уровня.

Но озон сам является мощным поглотителем ультрафиолетовых лучей вплоть до длины волны 3100 А°. Энергия этих лучей расходуется на диссоциацию молекул озона, уравновешивая их образование в ходе тройных столкновений. Максимальная концентрация озона достигается на высотах 25–30 км. Этот уровень не совпадает с уровнем озонного максимума температуры 60–55 км. Происходит это потому, что лучи, несущие наибольшую энергию, поглощаются выше и до уровня максимальной концентрации озона не доходят. Те же лучи, которые достигают этого уровня, имеют относительно небольшую энергию и не могут нагреть молекулы озона, а через них — и других газов до достаточно высоких температур. Поэтому, как ни странно, в области максимальной концентрации озона температуры довольно низкие.

Хорошо известно значение озоносферы для защиты всего живого на Земле — растений, животных и людей — от губительного действия солнечных ультрафиолетовых лучей. Любые процессы, связанные с деятельностью человека, которые способны привести хотя бы к частичному разрушению озонного слоя, могут иметь роковые последствия для жизни на Земле.

В отличие от температуры, давление р и плотность ? воздуха убывают с высотой монотонно, в соответствии с так называемой барометрической' формулой:

Здесь р₀, ?₀ — давление и плотность на уровне моря, Н — высота, отсчитываемая от этого уровня, Н_* — очень важная величина, называемая шкалой высот, или высотой однородной атмосферы. Она определяет интервал высот, на котором плотность и давление уменьшаются в е раз (е = 2,718…— основание натуральных логарифмов). Как показывает теория, величина Н_* определяется формулой

Н_* = R?T/??g, (2)

где Т — температура, ? — средняя относительная молекулярная масса газа, g — ускорение силы тяжести, R — универсальная газовая постоянная. Поскольку g меняется с высотой очень медленно, можно считать, что H_* зависит только от двух переменных величин: температуры Т и средней молекулярной массы ?, а в пределах гомосферы (где ? постоянна) только от Т. На уровне моря H_* = 8 км. Нетрудно сообразить, что если бы можно было создать однородную атмосферу той же плотности, что у поверхности Земли, и с тем же общим давлением, ее высота была бы равна H_*. Для тех читателей, которые знают интегральное исчисление, дадим краткое доказательство этого.

Найдем суммарную массу столба реальной атмосферы единичного сечения, используя вторую формулу (1). Для этого проинтегрируем плотность воздуха по высоте от нуля до бесконечности:

Таким образом, масса нашего столба равна массе столба воображаемой однородной атмосферы высотой H_* и плотностью, равной ?₀. Поскольку давление газа p = ??R?T, в изотермической атмосфере, очевидно, и давление будет равно давлению однородного столба высотой H_*.

Если атмосфера неизотермична (а именно так и обстоит дело в случае земной атмосферы), величина H_* переменна и для каждого уровня имеет свое значение. Так, на уровне тропопаузы 6,4 км, на уровне стратопаузы H_* = 8,4 км, на уровне мезопаузы (где и образуются серебристые облака) H_* = 5 км. В термосфере H_* быстро растет, не только за счет роста температуры, но и за счет уменьшения ?. Уже на высоте 215 км H_* = 50 км, а на высоте 600 км H_* = 100 км.

В заключение остановимся на некоторых явлениях, происходящих в атмосфере. Образование обычных (тропосферных) облаков происходит, как правило, на высотах от 0,5 до 6 км (слоистые, дождевые, кучевые). На больших высотах плавают высоко-кучевые и высоко-слоистые облака. Однако выше 7,5 км облака почти целиком состоят из ледяных кристаллов: это перистые облака, высота которых может доходить до 15–17 км.

Еще выше, на уровне 25–30 км, наблюдаются так называемые перламутровые облака — явление гораздо более редкое, чем серебристые облака.

На высотах от 120 до 70 км происходит испарение и плавление входящих в атмосферу метеорных тел — наблюдаются метеоры, свечение которых в основном определяется излучением атомов и ионов метеорных паров. На уровнях 80—100 км наблюдается некоторое относительное изобилие метеорных атомов, и ионов: здесь они образуются, после чего смешиваются в ходе диффузии с атомами и молекулами воздуха.

При полете метеора за ним формируется ионно-электронный след, отражающий метровые радиоволны. Весь этот комплекс явлений принято называть метеорными явлениями.

Еще выше расположена область полярных сияний (рис. 3).

Рис. 3. Полярное сияние 18–19 июля 1965 г., видимое одновременно с серебристыми облаками

_{(фото Б. Фогля, Канада).}

Обычно разные формы полярных сияний располагаются на высотах от 100 до 1000 км, хотя иногда нижние границы дуг полярных сияний спускаются до 80 км. Как показывает спектральный анализ, основной вклад в свечение полярных сияний вносит излучение атомарного кислорода (особенно в зеленой линии 5577 А°), атомарной) азота, их ионов, молекул азота и кислорода и их ионов, а также водорода, гелия, натрия. Возбуждение свечения всех этих частиц происходит за счет их соударений с быстрыми заряженными частицами, летящими от Солнца (солнечный ветер). Это — протоны, электроны и ионы различных элементов, а также нейтральные атомы. Но основную роль в возбуждении свечения полярных сияний играют протоны и электроны. Поскольку эти частицы — заряженные, их траектории отклоняются магнитным полем Земли в сторону геомагнитных полюсов, поэтому сияния наблюдаются преимущественно в полярных районах.

Кроме полярных сияний, наблюдается еще общее свечение ночного неба, вызванное как возбуждением за счет столкновений, так и флуоресценцией газов атмосферы в результате фотовозбуждення (это свечение наблюдается вскоре после захода Солнца).

Мы закончили обзор строения верхних слоев атмосферы. Остается добавить, что в настоящее время все они доступны прямому изучению приборами, доставляемыми на самолетах (до 15–20 км), аэростатах (до 40 км), геофизических ракетах (до 250 км), искусственных спутниках Земли (до границ атмосферы).

Кстати, а что считать границей атмосферы? Исследования последних лет показали, что ионосфера простирается до высот в тысячи и десятки тысяч километров. Поэтому понятие границы атмосферы весьма условно. Часто принимают высоту этой границы в 2000 км. То, что выше, называют протоносферой — оболочкой, состоящей из ядер атомов водорода — протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц захваченных магнитным полем нашей планеты движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли.

Сведения о давлении, плотности и температуре атмосферы до высоты 700 км приведены в Приложении 1 в конце книги.