книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Раздел /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

Кольцо может просуществовать 15—20 мин, пока все частицы не погибнут в атмосфере. Космический аппарат на орбите, проходящей под радиацион­ ным поясом, зарегистрирует всплеск высыпающихся частиц, когда будет пересекать широту эпицентра предстоящего землетрясения. Проанализиро­ вав энергетическое и временное распределение частиц в зарегистрированных всплесках, можно определить место и время прогнозируемого землетрясения. Обнаруженная связь между сейсмическими процессами и поведением захва­ ченных частиц в магнитосфере Земли легла в основу разрабатываемого в на­ стоящее время нового метода оперативного прогноза землетрясений.

Магнитное поле Земли испытывает периодические колебания, что так­ же отражается на мощности магнитосферы и ионосферы. Инверсии магнит­ ного поля Земли являются наиболее долгопериодными и резко снижают мощность магнитосферы. Резкое понижение напряженности магнитного по­ ля Земли и его экранирующей способности усиливает воздействие солнеч­ ного излучения на биоту Земли. Более короткие экскурсы магнитного по­ ля (отклонения магнитной оси) имеют период около 300 тыс. лет.

3.2

Строение и динамика ионосферы Земли

Ионосфера — второй защитный слой, простираю­ щийся от верхней границы стратосферы до высоты 1000 км. Причиной та­ кой толщины является различная проникающая способность волнового и корпускулярного излучения на фоне снижения плотности атмосферы с вы­ сотой. Название этого слоя связано с повышенным содержанием положи­ тельных ионов и свободных электронов. Образование ионов на высотах от 80—85 до 400 км происходит за счет диссоциации нейтральных молекул под действием ультрафиолетовой, рентгеновской и корпускулярной радиа­ ции Солнца. Температура в ионосфере с подъемом повышается и на высо­ те около 120 км равна примерно -И50°С

В пределах ионосферы солнечная энергия преобразуется в другие виды энергии. В ионосфере текут интенсивные электрические токи, сила которых измеряется десятками тысяч ампер. Напряженность электрического поля ме­ жду ионосферой и поверхностью Земли достигает 300 000 волы. Поэтому на все изменения в ионосфере чутко реагируют земные (теллурические) токи.

Установлено, что с высотой в ионосфере плавно изменяются состав и концентрация ионов и электронов. На высотном профиле имеются макси­ мумы концентрации. Их условно называют ионосферными областями — FI, F2, Е, D.

106

Раздел /. Принципы эволюции и вюимодеиствия сложных систем

ла области F1 и F2 объединены в общую область F. В ночное время области D, Е и F1 становятся очень бедными на свободные электроны, и только об­ ласть F2 остается возможной для связи, хотя спорадический Е-слой доволь­ но редко встречается ночью.

Только слои Е, FI, спорадический слой Е (если присутствует) и об­ ласть F2 преломляют высокочастотные волны. Область D также важна, хо­ тя и не преломляет ВЧ радиоволны, а поглощает и ослабляет их.

F2 является самой важной областью в распространении высокочастотных радиоволн, так как:

она присутствует в течение 24 ч в день; высокое расположение этой области обеспечивает максимальную даль­

ность связи; она чаще всего отражает самые высокие частоты в высокочастотном

диапазоне.

Время существования электронов самое продолжительное в области F2, что объясняет появление этой области в ночное время. Обычное время су­ ществования электронов в областях Е, F1 и F2 — около 20 с. 1 мин и 20 мин соответственно.

Электроны возникают при их столкновении с незаряженными атома­ ми и молекулами (рис. 3.5). Так как для этого процесса необходима сол­ нечная радиация, возникновение электронов происходит только в солнеч­ ной части полусферы ионосферы. Когда свободный электрон связывается с заряженным ионом, обычно формируется нейтрально заряженная части­ ца. Flo существу, исчезновение является процессом, противоположным возникновению. Возникновение и исчезновение — это постоянные про­ цессы, которые происходят как днем, так и ночью.

А

Свободный электрон

Положительно

заряженный ион

Рис. 3.5. Ионизация частиц [Copyright IPS — Radio and Space Services Sydney Australial

108

Глава 3. Строение и динамика сфер Земш

Благодаря вертикальной стратификации ионосфера по-разному реаги­ рует на внешние воздействия, что иногда приводит к возникновению ионо­ сферных бурь.

Исследования последних лет показали, что формирование погоды так­ же тесным образом связано с корпускулярным излучением Солнца и по­ веления ионосферы. Было установлено, что пол действием внедряющихся в атмосферу высоких широт заряженных частиц происходит разогрев по­ лярной ионосферы, изменяются содержание озона (до 14%), электриче­ ский потенциал ионосферы и происходит возбуждение планетарных волн, которые затем распространяются к средним и низким широтам. Возника­ ющие вследствие этого эффекты влияют на погодные условия.

Вариации степени ионизации из-за изменения солнечной активности приводят к изменению концентрации ионов и электронов, что сопровож­ дается изменением планетарного электрического сопротивления и ионо­ сферного потенциала. В результате изменяется суммарный планетарный электрический ток. Глобальная электрическая сеть является замкнутой и чутко реагирует на любые изменения. При ионосферной бурс базанс на­ рушается — возникает гроза. Электрический потенциал ионосферы регузирустся совокупной активностью всех гроз на Земле.

3.3

Строение и динамика нейтральной атмосферы

Атмосфера — это область между ионосферой и по­ верхностью Земли, представленная нейтральными молекулами и атомами воздуха и пара. Масса земной атмосферы — 5.15 х 10г т, она давит на по­ верхность 510,2 млн км2 и создаст удельное давление 1,033 кг/см . Вследст­ вие уменьшения плотности воздуха с высотой 90% массы атмосферы заклю­ чено в слое до высоты 16.3 км и 99% — до 31,2 км. Поток лучистой энергии па земную атмосферу составляет 1,36 х 10я Вт/м2 (солнечная постоянная).

В атмосфере до высоты около 106 км содержатся хорошо перемешанные течениями воздуха газы (азот — 78%, кислород — 21, аргон — 0,9, углскис- 1ый газ — 0,03 и около 0,003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона). Эти соотношения остаются неизменными на протяжении нескольких десятков километров в высоту. В атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ и хлор (из вулканов).

109

Раздет. L Принципы эволюции и в шимодейапвия с южных систем

Кроме того, присутствуют ионизированные радикалы, пары воды, пыль и аэрозоли, что и определяет оптическую прозрачность атмосферы или про­ пускную способность солнечной и галактической радиации. Состояние ат­ мосферы может меняться при изменении содержания пыли и газов.

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, хотя на его долю приходится только 3% ее объема. Большая часть пара содержится в воздухе ниже высоты 3000 м. Количество пара в атмосфере изменяется в за­ висимости от температуры. В холодном воздухе могут содержаться доли про­ цента водяного пара. В воздухе некоторых жарких тропических областей его количество может достигать 4%. Высокая влажность воздуха — один из фа­ кторов. объясняющих меньшую величину суточных и сезонных колебаний температуры в тропиках по сравнению с очень сильными колебаниями температуры в пустынях.

Атмосфера состоит из тропосферы (8—16 км), стратосферы (до 50 км),

мезосферы (до 82 км), термосферы (106 км), ионосферы (до 10 000 км)

(рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема строения атмосферы [Дроздов О.А.. Васильев В.А. и др., 1989J

Толщина тропосферы достигает от 8 км у полюсов до 16 км у эквато­ ра. По мере подъема над поверхностью Земли уменьшается температура тропосферы на 6,5 К на 1 км. Тропосфера неустойчива и охвачена силь­ ными горизонтальными и вертикальными движениями. Тепловая энергия

п о