Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Рис. ЗАО Зато вполне уверенно можно говорить о молниях, бывших из вершин грозовых туч в стратосферу, рассматривая особую группу джетов, получивших название даесевгм-стартеры. Они распространяются от вершины грозовой тучи всего лишь на 1Π— 15 км и имеют хорошо выраженную характерную структуру ветвяшихся молниевых плазменных каналов (рис. 3.41). Возможно, джеты-стартеры являются начальным этапом развития обычных джетов. В 2002 г. над океаном и в 2007 г. над сушей были зарегистрированы необычные джеты, стартовавшие от высоты 1б км до высот 85 — 90 км (из верхней тропосферы прямо в верхнюю мезосферу).
Их Дб. Высотные грозовые разрады в атмосфере: снрайты и днсеты 265 назвали гигантскими джетами. С учетом формы различают древовидные и морковообразные гигантские джеты. Максимальный поперечник гигантского джета составляет 40 км, а его объем равен примерно 30000 кмз; длительность свечения порядка секунды. Подмечено, что древовидный гигантский джет похож на гибрид красного спрайта (в верхней части) и обычного джета (в нижней части).
В связи с этим можно предположить, что здесь мы имеем дело с искровым разрядом, переходящим с высотой (по мере развития) в тлеющий разряд. Рис. 3.41 Джеты переносят в ионосферу отрицательные заряды. Получается, что не только в областях хорошей погоды, но также и в областях грозовой деятельности сушествуют положительные токи от ионосферы к Земле. Это, конечно, противоречит сложившимся представлениям о глобальной атмосферной электрической цепи. По-видимому, глобальная цепь имеет более сложную структуру. Как заметил российский физик, специалист в области электродинамики атмо-сферы и физики ионосферы, Евгений Анатольевич Мареев (род. 1960), «судя по всему, в ближайшее время изучение энергетики, структуры и динамики глобальной электрической цепи будет одной из наиболее актуальных проблем атмосферного электричества».
266 Глава 3. Электричество в отмоо9ере Как можно наблюдать спрайты и джеты Эти высотные разряды возникают обычно в низких и средних широтах над достаточно мощными грозовыми облаками. Чаще всего встречаются спрайты, а значительно реже — джеты, особенно гигантские джеты. В светлое время суток практически невозможно обнаружить ни спрайтов, ни джетов. Поэтому наблюдение высотных разрядов следует проводить только в ночное время.
В принципе спрайты и обычные джеты (синие струи) можно заметить даже невооруженным глазом. При этом надо позаботиться о визуальной доступности пространства над грозовым облаком. Следует находиться на расстоянии 100 — 150 км от грозы и вести наблюдение ночного звездного неба под углом 1Π— 20 с возвышенного места. Перед наблюдением следует адаптировать глаза к темноте, предварительно исключив возможность попадания в поле зрения молний под грозовыми облаками, экранируя их листом картона. Если вы различаете на небе Млечный Путь, значит, ваши глаза достаточно адаптированы. Наберитесь терпения и ждите. Спрайты и обычные джеты (тем более гигантские джеты) нетрудно отличить по их характерной форме от метеоров и комет.
Конечно, обычно спрайты и джеты наблюдают с помощью высокоскоростной видеокамеры. Наблюдения ведутся, в основном, не с земной поверхности, а с борта самолетов или космических станций и кораблей. 3.7. ЭКСКУРС В ИОНОСФЕРУ ЗЕМЛИ Ионизация атмосферы До сих пор, говоря о составе атмосферного воздуха, мы принимали во внимание только электрически нейтральные атомы и молекулы. Однако наряду с ними в атмосфере имеются заряженные частицы — атомарные и молекулярные ионы и свободные электроны.
Ионов и электронов в атмосфере существенно меньше, чем нейтральных частиц; их концентрация не превышает 10" м '. В приземном слое атмосферы (до высоты 3 — 5 км) ионизацию воздуха осуществляют космические лучи и радиоактивные газы, по- 3.7. Экскурс е ионосферу земли 267 ступающие в атмосферу из земной коры. Космические лучи являются основным ионизатором воздуха в пределах всей тропосферы и всей стратосферы.
Концентрация создаваемых ими ионов и электронов на высотах 20 — 30 км достигает 10з м<х На высотах больше 50 км (в мезосфере и термосфере) основным ионизатором атмосферы является излучение Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение). Под действием излучения происходят процессы фотоионизации: Х+ у> Х'+ е, (3. 33) Нейтральная частица Х (атом или молекула) поглощает фотон у, в результате чего появляются положительный ион Х' и свободный электрон е. Чтобы произошла реакция (3.33), фотон должен обладать энергией достаточной для отрывания электрона от нейтральной частицы.
Эта реакция невозможна, если энергия фотона е меньше энергии И",, называемой энергией ионизация частицы Х. Необходимое условие осуществления реакции (3.33) имеет вид: в> И;. (3.34) Энергия фотона в, взятого из излучения с длиной волны Л, равна нс/Л, где й = 6,63 10-зе Дж с — постоянная Планка, с = 3 1О' м/с— скорость света. Поэтому условие (3.34) принимает вид: Л < Ьс/И', (3.35) Если И', измерять в электронвольтах, а Л в нанометрах, то условие (3.35) можно переписать в виде: Л < 1250/И~ (3.35а) Заметим, что условие (3.34) является необходимым, но отнюдь не достаточным для осуществления реакции (3.33).
Далеко не всякий фотон с энергией, равной илн большей энергии ионизации, ионизирует частицу Х, пролетая вблизи нее. Акты ионизации совершаются лишь с некоторой вероятностью. 268 Глава 3. Электричество в атмосфере Для молекулярного кислорода О, энергия ионизации И',. = 12 эВ (и, значит, длина волны излучения должна быть не более !04 нм). Для молекулярного азота Х, энергия ионизации Иг = 15 эВ (т. е. длина волны не должна превышать 83 нм).
Длины волн ультрафиолетового излучения находятся в диапазоне от 10 до 400 нм, видимого излучения — от 400 до 740 нм„рентгеновского — от 1О ' до 1О нм. Как видим, для фотоионизации О, или Х требуется коротковолновое ультрафиолетовое излучение, его называют жестким или дальним ультрафиолетовым излучением. Если производящий ионизацию фотон оказывается достаточно жестким (е существенно больше, чем И',), то избыток энергии будет унесен образовавшимся электроном.
И если энергия этого электрона (с учетом происхождения его называют фотоэлектроном) окажется достаточно большой, то он может оторвать новый электрон от подвернувшейся нейтральной частицы. Таким образом, наряду с фотоионизацией может происходить ударная ионизация при столкновении фотоэлектрона с нейтральной частицей. На высотах, не превышающих примерно 200 — 250 км, в относительно больших количествах рождаются не только ионы О,", Х;, О", но также ионы оксида азота ХО'.
Отметим два пути образования этих ионов в атмосфере. На первом пути сначала происходит фото- ионизация молекулы Х,: Х, +у-«Х;+е, а затем молекулярный ион Х~ участвует в диссоциативной рекомбинации, в результате которой он разваливается на атомы Х и Х' (звез«очка показывает, что атом возникает в возбужденном состоянии): — + 1~*. Атомарный азот в отличие от молекулярного чрезвычайно активен; при его взаимодействии с молекулой кислорода О, появляется оксид азота: Х+ 02«ХО+О Фотоионизация молекулы оксида азота приводит к появлению иона ХО'. ХО+ у — «ХО'+е. 3. 7. Зкскурс в ионосферу земли 269 Заметим, что энергия иоиизации молекулы оксида азота равен И', = 9,6 эВ и, следовательно, ионизация оказывается возможной при длинах волн излучения до 130 им. Второй путь образования ионов )чО', более прямой.
Эти ионы могут появиться в так называемых ионна-молекулярных реакция» (раньшее их называли реакциями перезарядки или реакциями переноса заряда): Мы имеем в виду две реакции такого типа: О" + 1Ч, -+ )ЧО' + )ч; Х; + О -«110' + 1Ч. (3.36) Обратим внимание: в этих реакциях ие происходит ии образования, ни исчезновения зарядов — просто совершается их перераспределение. В заключение заметим, что начиная с высот около 500 км быстро возрастает и становится доминирующей доля ионов Не' и Н', образующихся при фотоиоиизации соответствующих атомов. Определение ионосферм Если буквально расшифровать термин «иоиосфера» как «сфера, содержащая ионы», то следовало бы называть ионосферой всю атмосферу. Однако под ионосферой принято поиимать атмосферу на высотах, начиная от 50 — 60 км, т. е. выше ие только тропосферы, ио и стратосферы.
Объяснение этому можно дать, обратившись к истории вопроса. В самом начале прошлого столетия английский физик Оливер Хевисайд (1850 — 1925) и американский инженер-электрик Артур Кеннели (1861 — 1939) независимо друг от друга предположили, что вокруг Земли существует иоиизироваииый слой атмосферы, способный подобно своеобразному зеркалу отражать радиоволны. Его сначала назвали слоем Хевисайда — Кеннели, а затем ионосферой. Существование слоя, отражающего радиоволны, было экспериментально подтверждено в 20-х гг. прошлого столетия. Согласно сложившимся в те годы представлениям, поверхность земного шара и иоиизироваииый слой атмосферы выполняют роль обкладок гигантского сферического конденсатора, которые действуют иа радиоволны подобно тому, как зеркала действуют иа световые лучи.
Отражаясь попеременно от слоя ионосферы и от земной поверхиости, радиоволны могут огибать земной шар огромными скачка- 270 Глава 3. Электричество в атмосфере ми в сотни и тысячи километров и таким образом преодолевать многие тысячи километров (рис. 3.42). На основе зондирования ионосферы радиоимпульсами ученые заключили, что внутри ноно-сферы располагаются несколько «электронных зерРис. 3.42 кал» вЂ” слоев, отражающих радиоволны. Эти слои обозначили в порядке постепенного удаления от поверхности Земли как 2)-слой, Е-слой, Е-слой. Развернувшиеся во второй половине прошлого века исследования ионосферы с помощью ракет и искусственных спутников Земли показали, что никаких сколько-нибудь выраженных ионосферных слоев не существует, а происходит монотонное изменение концентрации электронов с высотой, обнаруживающее основной максимум на высотах 300 — 350 км. Тот факт, что отражение радиоволн усиливается на определенных высотных участках, связан не с определенными электронными слоями-отражателями, а с изменением с высотой условий отражения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
