Все о космосе

Космос. Астрономия. Вселенная. Наука

Leaf
Главная
Новости
FAQ по Астрономии
Астрословарь
Древняя астрономия
Современные теории
Метагалактика
Солнечная система
Статьи о космосе
Космонавтика
Галерея астрофото
Популярно о космосе
Карта сайта
Поиск
Обратная связь
Партнеры

Астрономия


Leaf Главная arrow Блог материалов arrow Земля arrow Ветры в ионосфере



Ветры в ионосфере PDF Напечатать Е-мейл
Ветры в ионосфере — это одна из самых увлекательных и загадочных проблем ионосферной физики. Атмосфера, как мы уже говорили, непрерывно находится в движении, огромные массы воздуха переносятся на дальние расстояния. В тропосфере, особенно в приземном слое, существует множество различных ветров — как регулярных, таких, как пассаты, муссоны, горнодолинные, так и местных, дующих по прихоти погоды. Характер ветра определяется распределением давления в атмосфере, а как известно, давление, плотность и температура любого газа, в том числе и воздуха, тесно связаны между собой. Если атмосфера в двух областях будет нагрета неодинаково, то и давление там будет разное, а воздух будет перетекать из области высокого давления в область низкого давления. Его движение и есть ветер.

Температура и давление в приземном слое зависят не  только от притока солнечного тепла, но и от степени переизлучения этого тепла земной поверхностью. Ясно, что равнины и горы, лесные массивы и поверхность моря будут переизлучать солнечное тепло по-разному.

Эти и еще многие другие факторы, которые изучает специальная наука — метеорология,— определяют причудливую и сложную картину ветрового режима в нижней атмосфере, в приземном ее слое.

Непрерывность движения воздуха — необходимое свойство природы. Воздух на любых высотах очень редко находится в состоянии покоя. В одних районах земного шара преобладают южные ветры, в других же — северные, а иногда восточные или западные. Существует как вертикальный, так и горизонтальный перенос воздуха. Как правило, горизонтальный перенос характеризуется гораздо более высокими скоростями.

Основная причина возникновения всех воздушных течений на нашей планете — неравномерный ее нагрев солнечным излучением. В области между экватором и 30—35° северной и южной широты Земля получает избыточное количество солнечной энергии, но у полюсов ее не хватает. Механизм, с помощью которого поддерживается равновесие между приходом и расходом солнечной энергии, это и есть движение воздуха, или, как говорят, циркуляция атмосферы. Если бы циркуляции не было, температура в умеренных и высоких широтах непрерывно понижалась бы, а в низких — повышалась бы. И в Арктике, и в Антарктике было бы значительно холоднее, чем сейчас, а в экваториальных областях — еще более жарко.

Ветер над всей нашей планетой можно считать одним из блоков той тепловой машины, которую представляет система Земля — атмосфера. Энергию эта машина черпает от Солнца. Энергия ветра огромна — ведь атмосфера весит миллиарды миллиардов тонн и эту массу надо заставить двигаться. Но это лишь энергия движения. Энергия, переносимая воздушными течениями в виде тепла, вообще выражается колоссальными цифрами — на площадь величиной всего 4 км2 за сутки поступает солнечная энергия, равная энергии взрыва атомной бомбы, сброшенной в  1945 г. на Хиросиму.

Теплый воздух легче холодного, он стремится подняться вверх, а на его место приходит более холодный и плотный. Над теплым океаном и дышащими жаром Джунглями подымается поток нагретого воздуха. Когда же он достигает стратосферы и охлаждается, дальнейшему его подъему мешает слой уже имеющегося здесь теплого воздуха. А опуститься обратно ему не дают новые восходящие потоки. Поэтому воздух в более высоких слоях атмосферы начинает двигаться горизонтально и к полюсам. А ниже, у земной поверхности, холодный воздух от полюсов должен двигаться к экватору, чтобы пополнить фонтан бьющего вверх теплого воздуха. Вот и получается первая ячейка циркуляции — замкнутый поток от полюса к экватору: нагретый воздух перемещается вверх, потом, охлаждаясь,— к полюсу, после этого снова — вниз и затем — к экватору.

Но есть еще один могучий регулятор воздушных течений — вращение Земли вокруг собственной оси. Воздух в атмосфере из-за наличия сил трения между поверхностью Земли с ее горами, лесами, строениями и воздухом, а также между частицами воздуха вращается вместе с нашей планетой до значительных высот. Вспомните при этом, что существует очень большое различие скоростей, с которыми движутся разные участки земной поверхности при вращении Земли вокруг своей оси. За одно и то же время жители Новой Земли «проедут» по кругу несколько сотен километров, а обитатели Центральной Африки — несколько тысяч. На экваторе скорость вращения Земли — 1600 км/ч! Если бы не силы трения между Землей и воздухом, то тут был бы постоянный ураган!

Вращение Земли вносит изменения в направления воздушных течений, причем этот эффект (отклоняющая сила Кориолиса) играет большую роль на всех высотах — от тропосферы до верхней ионосферы. Именно поэтому чисто южные или чисто северные ветры появляются крайне редко. Воздух, движущийся к полюсам, в начале своего пути обладает «экваториальной» скоростью. Продвигаясь к Южному или Северному полюсу, он попадает в районы со все меньшей и меньшей скоростью вращения и потому как бы стремится обогнать проносящуюся под ним Землю, то есть поворачивает на восток. Воздух, движущийся к экватору, наоборот, попадает в районы со все большими и большими скоростями. Поэтому он «отстает» и отклоняется по мере приближения к экватору на запад. В районах от 30° северной и южной широты до экватора в приземном слое всегда преобладают восточные ветры. Это пассаты. В эпоху парусного флота их называли торговыми ветрами. Это самые устойчивые из всех известных на земном шаре атмосферных течений и по силе, и по направлению.

Циркуляция в полярных областях имеет свои особенности. Здесь преобладает восточный перенос. А вот между 30 и 60° северной и южной широты находится так называемая умеренная зона, где теплые и холодные воздушные массы постоянно сменяют друг друга. В общем летние ветры в приземных слоях северного полушария направлены с юго-запада, являясь частью гигантской ячейки циркуляции, в которой происходит подъем воздуха над экватором, а зимние — с северо-запада в результате медленного опускания воздуха над Северным полюсом. На основную систему циркуляции накладываются различные возмущающие факторы. Ячейки в системе циркуляции в зависимости от сезона сокращаются или расширяются то в одном, то в другом полушарии.

Над горными хребтами воздух поднимается, над снежными равнинами выхолаживается, над пустынями нагревается, над океанами увлажняется. Над Тихим и Атлантическим океанами возникают огромные горизонтальные воздушные вихри. Вихревое движение над океанами распространяется все дальше и дальше от центра вращения, куда сверху непрерывно поступают новые потоки воздуха. Время от времени порции воздуха на периферии вихря отрываются от него, приводя к потеплению или похолоданию в зависимости от того, откуда этот воздух приходит.

Суша и море нагреваются и охлаждаются по-разному, в зависимости от сезона. Летом ветер направлен с моря на сушу, а зимой — с суши на море. Эти ветры называют муссонами, и носят они сезонный характер. В прибрежной полосе морей и больших озер существует похожее явление, но не при смене сезонов, а только при смене дня и ночи. Эти ветры называют бризами. Бризы днем направлены с моря на побережье, а ночью — с побережья на море. Другим примером ветров, меняющих свое направление на противоположное в течение суток, являются горно-долинные. Ночью холодный тяжелый воздух стекает вниз по горным склонам. Днем он прогревается, расширяется и поднимается вверх по склонам. Это и есть так называемый горно-долинный ветер.

В верхней атмосфере также имеются системы ветров, столь же изменчивые и имеющие такую же сложную структуру, как и некоторые системы приземных ветров. Это струйные течения. Скорость их достигает сотен километров в час. Хотя известно, что струйные течения оказывают большое влияние на погодные процессы на всем земном шаре, причины их образования до сих пор точно не установлены. О том, как ведет себя ветер на больших высотах, до недавнего времени люди вообще ничего не знали. А все потому, что если измерить силу и направление ветра у Земли довольно просто (всем известны такие приборы, как флюгер или анемометр), то с высотой производить эти измерения становится все труднее. До 1960 г. мы имели подробное представление о ветрах, то есть проводили синоптический анализ ветрового поля, только до высоты примерно 30 км. Приборы запускались в атмосферу с помощью надувных шаров-зондов. В то время появлялись даже гипотезы об отсутствии в верхней атмосфере динамических процессов. Более того, уже открытые наукой ионосферные слои долго изучались именно в предположении, что никакого движения воздуха в ионосфере нет!

Настоящую революцию во взглядах совершили ракетные и радиофизические методы изучения движений в верхней атмосфере. Сразу же были обнаружены сильные горизонтальные ветры со скоростями в сотни километров в час. Сейчас нам уже ясно, что существует область стратосферной циркуляции до высоты примерно 80 км и область ионосферной циркуляции выше 80 км. Как мы уже говорили, ветер измеряют, помещая на ракете специальные датчики или выбрасывая из нее на заданной высоте искусственные облака (например, натриевые или бариевые). Широко применяется ракетно-гранатный метод (до высот примерно 90 км), основанный на использовании законов зависимости скорости распространения звука в атмосфере от температурно-ветровых характеристик атмосферы.

В настоящее время экономически развитые страны организовали специальную ракетную метеорологическую сеть, разработали дешевые малые ракеты и датчики к ним. В качестве таких датчиков используются, например, нарезанная металлическая фольга или тонкие посереб-реные стеклянные нити. Выброшенное из ракеты облако медленно оседает на землю и одновременно «тащится» ветром.  Специальные радиолокаторы улавливают отраженный от этой «цели» сигнал и определяют скорость и направление движения, а следовательно, скорость и направление ветра.

Информацию о ветре в слое 80—100 км дает оптическое и радиолокационное прослеживание движения метеорных следов. Для этого фотографируют метеорный след из двух-трех разнесенных пунктов. И из фотографий видно, что метеорные следы перемещаются, их сносит ветром. Иногда даже след разделяется на две части, причем движутся они в разные стороны. Это говорит о том, что метеорное тело прошло через такое место, где ветры имеют разное направление. Радиолокатор определяет скорость метеорного следа по разности частот излучаемого и отраженного от ионизированного метеорного следа радиоимпульса. Разность эта тем больше, чем быстрее движется след под действием воздушного потока, то есть чем сильнее ветер. А разность частот возникает в результате эффекта Доплера, о котором мы уже говорили.

Ну, а как наблюдать и измерять ветер выше метеорной зоны? Здесь на помощь приходят «ионосферные облака», неоднородности в распределении концентрации свободных электронов и ионов, область сгущения и разрежения в ионосферной плазме протяженностью от нескольких сотен метров до десятков километров. Ионосферные неоднородности, по крайней мере в нижней ионосфере, дрейфуют со скоростью ветра, то есть движутся в том же направлении и с той же скоростью, что и окружающие их нейтральные частицы. И такие неоднородности в ионосфере имеются всегда. Надо сказать, что причины их образования еще только выясняются. Здесь, конечно, определенную роль играют и турбулентность в самой ионосфере, и различные волновые возмущения, приходящие снизу, от более плотных слоев атмосферы, и специфические особенности поведения плазмы в магнитных и электрических полях, пронизывающих ионосферу.

Для нас важен тот факт, что такие неоднородности находятся в непрерывном движении (хаотическом и упорядоченном), а это позволяет нам изучать ионосферные ветры. Измерение движения ионосферных неоднород-ностей можно производить, используя те же радиоволны. Можно излучать радиоволны с Земли и затем принимать отраженные от неоднородностей ионосферы сигналы, а можно просто принимать излучение какой-нибудь «радиозвезды», прошедшее через «ионосферные облака». Если принимать сигнал в одной точке, то сила его будет меняться во времени. Если радиосигнал преобразовать в звук, как это делается в обычном радиоприемнике, звук будет то громче, то тише, будет «замирать». Это явление «замираний», аналогичное мерцанию звезд. Замечали ли вы когда-нибудь, глядя на ночное небо, что светящаяся точка звезды в глубине неба мигает и чуть-чуть дрожит? Кажется, что звезда колеблется и меняет яркость и цвет. На самом деле мерцание вызывается преломлением световых лучей в атмосфере. А расположение воздушных слоев, их свойства (плотность, температура, характеристики ветра, влажность и т. п.) непрерывно изменяются. В результате глаз улавливает то больше, то меньше света, и это воспринимается как изменение яркости звезды.

Мерцания «радиозвезд» и замирания отраженного от ионосферы сигнала вызваны наличием неодно-родностей и ветров в ионосфере. Наиболее простой метод определить, «куда ветер дует»,— это принять радиосигнал не в одной, а в нескольких точках на Земле, например в вершинах прямоугольного треугольника. Катеты такого треугольника удобно расположить по странам света: один в направлении север — юг, а другой — в направлении запад — восток. Чем больше треугольник, тем более крупные неоднородности можно изучить.

Приемные антенны подключают к трем радиоприемникам, а иногда специальный электронный коммутатор с большой частотой (десятки раз в секунду) по очереди подключает их к одному приемнику. Принятые сигналы записываются на магнитофон либо, для наглядности, на кинопленку или ленту самописца. Возникают три кривые (волнистые линии) — для каждой антенны своя. Они и показывают, как меняется сила сигналов во времени. Если внимательно посмотреть, то можно заметить, что кривые очень похожи, но сдвинуты во времени относительно друг друга. Спрашивается почему? А просто неоднородности прошли над системой приемных антенн так, что сигнал усилился (или ослабился) сначала на одной антенне, затем на другой, потом на третьей. Этот временной сдвиг надо измерить, а зная, как и на каком расстоянии друг от друга расположены антенны, легко рассчитать скорость и направление движения ионосферных облаков.

Такие измерения проводятся и в слое D, и в слое Е, и в области F ионосферы. Мы уже знаем, что неоднородности движутся со скоростью реактивных самолетов. Сопоставляя данные измерений, производившихся одновременно в самых разных точках земного шара, можно получить представление о характере общей циркуляции атмосферы на ионосферных уровнях.

Есть здесь, правда, одна сложность: неоднородности электронной и ионной концентраций движутся со скоростями нейтрального ветра только в области не выше 130—140 KhA, то есть там, где плотность газа еще достаточно велика, чтобы нейтральные частицы, сталкиваясь с заряженными, увлекали ионы за собой. А выше, в области F, неоднородности, хотя и связаны с ветром, но движутся уже самостоятельно. Поэтому, чтобы оценить силу ветра, приходится, измерив дрейф неоднородно-стей, прибегать к решению сложных физических уравнений.

По существу, у нас пока практически нет экспериментального метода прямых измерений скорости ветра выше 200 км. Некоторую усредненную за очень большой период (иногда это несколько месяцев, а то и лет) информацию о вращении атмосферы на этих высотах дают только наблюдения за торможением спутников. Дело в том, что ветер, если он направлен навстречу спутнику, тормозит его. Это торможение невелико, но, действуя на каждом витке, понемногу заставляет спутник менять наклон орбиты, а это изменение уже можно измерить и путем расчетов оценить скорость зонального ветра (меридиональный ветер не оказывает существенного влияния на изменение орбиты).

Эти данные, а также теоретические расчеты показывают, что в области F2 ветер направлен с дневной (освещенной Солнцем) стороны планеты на ночную через полюс. На ночной стороне скорость ветра достигает 200—300 м/с, на дневной же ветер тормозится из-за наличия большого количества заряженных частиц (нейтральные частицы, сталкиваясь с ними, теряют свою энергию) и скорость его уже составляет только 50— 100 м/с.

Самое важное то, что система ионосферных ветров позволяет объяснить многие аномалии в поведении слоя F2 — полуденный минимум электронной концентрации, вариации с широтой, сезонные аномалии. Например, сейчас уже стало ясно, что ветры порождают вертикальные движения ионов и электронов: ночью — вверх, днем — вниз. Значит, в околополуденные часы ионизированные частицы устремляются из максимума области F2 вниз — вот и получается «провал» в суточном ходе. Ночью же электроны текут вверх и, хотя ионизирующего излучения Солнца нет, количество заряженных частиц в области F2 остается достаточно большим.

Заряженная компонента ионосферной плазмы переносится не только ветрами. Здесь существует еще один важный физический процесс — диффузия в гравитационном поле, то есть в поле тяжести Земли. Электроны и ионы, обладая собственной массой, оседают по направлению к Земле. Ионы значительно тяжелее электронов, но намного опередить их им не удается, так как разноименные заряды притягиваются. Вот и путешествуют ионы и электроны почти как одно целое — такая Диффузия называется амбиполярной. Скорость переноса, или диффузии, зависит как от концентрации частиц, так и от их температуры.

Но вот что интересно, диффузионные и фотохимические процессы (образование ионов и электронов под действием солнечного излучения) конкурируют между собой, то есть действуют в противоположных направлениях. Диффузия приводит к тому, что концентрация свободных электронов с ростом высоты падает, а фотохимические процессы — к тому, что она растет. Главный максимум ионосферы меняет свое положение в зависимости от того, какой процесс побеждает в этой борьбе. Да и количество электронов в максимуме тоже от этого зависит. Днем побеждает фотохимия — максимум электронной концентрации смещается вверх. Ночью берет реванш диффузия — максимум опускается ближе к Земле, да и сама ионосфера на высотах слоя F2 поддерживается за счет нисходящего диффузионного потока.

Казимировский Э. С.

<Предыдущая   След.>