Termosfera

Figura 1. Structura atmosferei Pământului
Figura 2. Temperatura medie și masa molară a aerului în funcție de altitudine. Scăderea masei molare odată cu creșterea altitudinii reflectă schimbarea compoziției aerului.

Termosferei (din greaca θερμός termos „cald, fierbinte“ și σφαίρα sphaira „sferă“) este zona de altitudine a atmosferei Pământului în care sa temperatură se ridică din nou (deasupra stratului de ozon) cu altitudinea. Temperatura minimă clar pronunțată la limita inferioară a termosferei se numește mezopauză și se află la 80-100 km deasupra nivelului mării. Zona celei mai abrupte creșteri a temperaturii este de aproximativ 120 km. Temperatura puternic fluctuantă (particule neutre) a exosferei este atinsă la o altitudine de aproximativ 500-600 km .

Termosfera se suprapune în mare măsură cu ionosfera . Deși gradul de ionizare este de aproape 1 în exosferă, densitatea maximă a electronilor se află aproximativ în mijlocul termosferei. Este vorba despre absorbția radiațiilor și echilibrul energetic. Pentru proprietățile electrice, a se vedea articolul despre ionosferă, pentru consecințele radiației particulelor, a se vedea aurora boreală .

Chiar și la mezopauză, presiunea și densitatea sunt cu aproximativ cinci ordine de mărime mai mici decât la sol. Aici meteorii își încep traseul și navele spațiale reintră din spațiu . În termosferă, densitatea scade cu încă șapte ordine de mărime . În termosfera superioară există deja orbite de satelit reduse .

Presiune și densitate

Figura 3. Presiunea și densitatea atmosferei terestre. Cântarele orizontale sunt logaritmice (bifele cu puteri de zece ale presiunii sau densității).

Ca și în partea inferioară a atmosferei, presiunea aerului scade odată cu creșterea altitudinii. Cu toate acestea, datorită influenței creșterii temperaturii odată cu altitudinea și schimbării compoziției, scăderea are loc mai lent. În partea superioară a termosferei, presiunea urmează aproximativ o funcție exponențială care rezultă din formula altitudinii barometrice .

Deși atmosfera de aici este extrem de subțire, rezistența la aer este vizibilă pe o perioadă lungă de timp. Stația Spațială Internațională (ISS), care orbitează Pământul la o altitudine de aproximativ 350 km, ar pierde atât de mult altitudine în câțiva ani , fără o creștere regulată de orbită de către motoarele de rachetă , care a căzut la pământ.

Densitatea gazului atmosferic scade aproape exponențial cu altitudinea (Fig. 3).

Masa totală  M a atmosferei într-o coloană verticală de secțiune transversală A de un metru pătrat deasupra suprafeței pământului este:

Cu

  • densitatea atmosferei ρ A = 1,29 kg / m 3 pe sol la o înălțime de z = 0 m
  • înălțimea medie a scării H ≃ 8 km a atmosferei inferioare.

80% din această masă se află deja în troposferă, în timp ce termosfera reprezintă doar aproximativ 0,002% din masa totală. Prin urmare, nu este de așteptat nicio influență măsurabilă a termosferei asupra straturilor atmosferice inferioare.

Compoziție chimică

Moleculele de gaz sunt disociate și ionizate de raze X solare , radiații ultraviolete și corpusculare , motiv pentru care gazele din termosferă apar predominant ca plasmă formată din ioni , electroni și particule neutre. Odată cu altitudinea, intensitatea radiației crește și rata de recombinare scade , motiv pentru care gradul de ionizare crește și masa medie a particulelor ( indicată ca masă molară în Fig. 2 ) scade. Un alt motiv pentru scăderea masei molare este că particulele ușoare au o viteză mai mare la aceeași temperatură și, prin urmare, sunt mai puțin influențate de gravitație . În acest fel, atomii de lumină și ionii se acumulează în partea superioară a termosferei.

Constituenții gazului neutru

Turbulența este responsabilă pentru faptul că gazul neutru din zona de sub pauza turbo la o altitudine de aproximativ 110 km este un amestec de gaze cu masă molară constantă (Fig. 2).

Peste turbo break, gazul începe să se separe . Ca urmare a proceselor dinamice, diferitele componente în mod constant să încerce să ajungă lor starea de echilibru prin difuzie . Formulele lor de înălțime barometrică au înălțimi la scară care sunt invers proporționale cu masele lor molare. Prin urmare, deasupra a aproximativ 200 km altitudine, dominanți treptat constituenții mai ușori, cum ar fi oxigenul atomic  (O), heliul  (He) și hidrogenul  (H). Acolo înălțimea medie a scării este de aproape 10 ori mai mare decât în ​​straturile atmosferice inferioare (Fig. 2). Compoziția aerului variază în funcție de locația geografică, de ora și de sezon, dar și de activitatea solară și de fluctuațiile geomagnetice .

istorie

În timpul dinaintea explorării spațiului , singurele informații despre raza de altitudine peste 70 km erau indirecte; provin din cercetări ionosferice și câmpul magnetic al pământului :

Odată cu lansarea satelitului rus Sputnik , a fost posibil pentru prima dată să se determine în mod sistematic decelerarea timpului orbitei de la măsurătorile efectului Doppler ale semnalului satelit și să se obțină densitatea aerului în atmosfera ridicată , precum și temporală și variații spațiale. În principal, primele măsurători au fost Luigi Giuseppe Jacchia și Jack W. Slowey (SUA), Desmond King-Hele (Anglia) și Wolfgang Priester , precum și Hans-Karl Paetzold (Germania). Astăzi, un număr mare de sateliți măsoară direct cele mai diverse componente ale gazului atmosferic din acest interval de altitudine.

Bugetul energetic

Temperatura termosferică poate fi determinată din observații ale densității gazelor, dar și direct cu ajutorul măsurătorilor prin satelit. Profilul de temperatură respectă legea destul de bine ( profilul Bates ):

(1)

Cu

  • temperatura exosferică medie globală peste aproximativ 400 km altitudine
  • temperatura de referință = 355 K.
  • altitudinea de referință = 120 km
  • un parametru empiric care scade odată cu .

Din această ecuație, alimentarea cu căldură poate fi determinată peste q o ≃ 0,8 până la 1,6 m W / m 2 înălțime. Această căldură este degajată straturilor inferioare ale atmosferei prin conducție .

Temperatura constantă a exosferei deasupra altitudinii servește ca o măsură a radiației ultraviolete solare și a razelor X (XUV). Acum, emisia radio solară la 10,7 cm este un bun indicator al activității solare. Prin urmare, o empirică permite ecuația valorii numerice derivată care, cu legături valide și pentru condiții de liniște geomagnetică:  

(2)

Cu

  • în  K
  • Index Covington în , d. H. o valoare pentru  , în medie pe o lună.

De obicei, indicele Covington variază între aproximativ 70 și 250 pe parcursul ciclului de 11 ani al petelor solare și nu scade niciodată sub 50. Aceasta înseamnă că, chiar și în condiții de calm geomagnetic, acesta fluctuează între aproximativ 740 și 1350 K.

Rezidual Temperatura de 500 K , în a doua ecuație este derivată Aproximativ jumătate din sursa de alimentare din sfera magneto și cealaltă jumătate a valurilor atmosferice din troposferă , în partea de jos Termosferă disipată fi.

Surse de energie

Radiații solare XUV

Temperaturile ridicate din termosferă sunt cauzate de raze X solare și radiații ultraviolete extreme (XUV) cu lungimi de undă mai mici de 170 nm, care sunt aproape complet absorbite aici. O parte din gazul neutru este ionizată și este responsabilă pentru formarea straturilor ionosferice. Radiația solară vizibilă de la 380 la 780 nm rămâne aproape constantă, cu o gamă de variație mai mică de 0,1% ( constantă solară ).

În schimb, radiația solară XUV este extrem de variabilă în timp. B. Razele X solare asociate cu rachete solare cresc dramatic în câteva minute. Fluctuațiile cu perioade de 27 de zile sau 11 ani se numără printre variațiile proeminente ale radiației solare XUV, dar fluctuațiile neregulate pe toate perioadele de timp sunt regula.

În condiții de calm magnetosferic, radiația XUV furnizează aproximativ jumătate din sursa de energie din termosferă (aprox. 500 K). Acest lucru se întâmplă în timpul zilei, cu un maxim lângă ecuator .

Vânt solar

O a doua sursă de energie este furnizarea de energie din magnetosferă , care, la rândul său, își datorează energia interacțiunii cu vântul solar .

Mecanismul acestui transport de energie nu este încă cunoscut în detaliu. O posibilitate ar fi un proces hidromagnetic: particulele vântului solar pătrund în regiunile polare ale magnetosferei, unde liniile câmpului geomagnetic sunt direcționate esențial pe verticală. Acest lucru creează un câmp electric care este direcționat de dimineață până seara. Curenții de descărcare electrică pot curge în stratul dinamo ionosferic de -a lungul ultimelor linii de câmp închis ale câmpului magnetic al Pământului cu punctele lor de bază în zonele de lumină polară . Acolo ajung pe partea de seară ca curenți electrici de Pedersen și Hall în două benzi înguste de curent (DP1) și de acolo înapoi în magnetosferă ( câmp de convecție electrică magnetosferică ). Datorită pierderilor ohmice ale curenților Pedersen, termosfera este încălzită, în special în zonele de lumină polară.

Dacă condițiile magnetosferice sunt perturbate, particulele încărcate electric de mare energie din magnetosferă pătrund, de asemenea, în zonele aurorei, unde conductivitatea electrică crește drastic și, astfel, curenții electrici sunt crescuți. Acest fenomen poate fi observat la sol ca lumini polare .

În cazul activității magnetosferice scăzute, acest aport de energie este de aproximativ un sfert din bugetul total de energie din ecuația 2, adică aproximativ 250 K. În timpul activității magnetosferice puternice, această proporție crește considerabil și, în condiții extreme, poate depăși cu mult influența radiația XUV.

Undele atmosferice

Există două tipuri de unde atmosferice pe scară largă în atmosfera inferioară:

  • unde interne cu lungimi de undă verticale finite , care pot transporta energia undelor în sus și ale căror amplitudini cresc exponențial odată cu înălțimea
  • unde exterioare cu lungimi de undă verticale infinit de mari a căror energie de undă scade exponențial în afara zonei sursă și care nu poate transporta energia undelor.

Multe valuri de maree atmosferice , precum și valurile gravitaționale atmosferice care sunt excitate în atmosfera inferioară aparțin valurilor interne. Deoarece amplitudinile lor cresc exponențial, aceste unde sunt distruse de turbulențe la altitudini de aproximativ 100 km cel târziu , iar energia lor de undă este transformată în căldură. Aceasta este porțiunea de aproximativ 250 K din ecuația 2.

Valul de maree din întreaga zi (1, −2), care este cel mai bine adaptat la sursa de căldură din troposferă din punct de vedere al structurii sale meridionale , este un val extern și joacă doar un rol marginal în atmosfera inferioară. Cu toate acestea, în termosferă, acest val se dezvoltă în valul mareic dominant. Conduce Sq-Strom electric la altitudini cuprinse între 100 și 200 km.

Încălzirea termică, în principal din valurile mareelor, are loc preferențial pe emisfera diurnă la latitudini mici și medii. Variabilitatea lor depinde de condițiile meteorologice și rareori depășește 50%.

dinamica

Peste aproximativ 150 km toate undele atmosferice degenerează în valuri externe, iar o structură de undă verticală nu mai este vizibilă. Structura lor meridională este cea a funcțiilor sferice  P n m cu

  • un număr de undă meridiană  m (m = 0: valuri medii zonale; m = 1: valuri pe tot parcursul zilei; m = 2: valuri de jumătate de zi etc.)
  • numărul de undă zonal n.

Ca o primă aproximare, termosfera se comportă ca un sistem oscilator amortizat cu efect de filtru trece-jos . H. Undele la scară mică (cu numere de undă mari n și m) sunt suprimate în comparație cu undele la scară largă.

În cazul activității magnetosferice scăzute, temperatura exosferică variabilă în timp și spațial observată poate fi descrisă printr-o sumă de funcții sferice:

Figura 4. Secțiunea transversală schematică a înălțimii meridionale a sistemelor de circulație
a (a) componentei simetrice a vântului a mediei zonale (P 2 0 ),
a (b) componentei antisimetrice a vântului (P 1 0 ) și
a (d) simetrică a tuturor componentă de vânt de zi (P 1 1 ) la ora 15:00 și ora 15:00 locală.
(c) prezintă vectorii orizontali ai vântului valului pe tot parcursul zilei în emisfera nordică.

Este

este temperatura medie globală a exosferei (de ordinul 1000 K).

Al doilea termen (cu ) este generat de încălzirea solară diferită în latitudini mici și înalte. Se creează un sistem de vânt termic , cu vânturi către poli în ramura de circulație superioară și vânturi opuse în ramura inferioară (Fig. 4a). Asigură un echilibru termic între latitudini joase și înalte. Coeficientul ΔT 2 0 ≈ 0,004 este mic deoarece încălzirea Joule în zonele aurorei compensează parțial excesul de căldură solar legat de XUV în latitudini joase.

Al treilea termen (cu ) este responsabil pentru transportul excesului de căldură din emisfera de vară în emisfera de iarnă (Fig. 4b). Amplitudinea sa relativă este de aproximativ ΔT 1 0 ≃ 0.13.

În cele din urmă, al patrulea termen (cu ) valul mareic dominant (1, −2)) descrie transportul excesului de căldură de la partea de zi la partea de noapte (Fig. 4d). Amplitudinea sa relativă este de aproximativ ΔT 1 1 ≃ 0,15.

Termeni suplimentari (de exemplu, valuri de jumătate de an sau jumătate de zi) trebuie adăugați la ecuația de mai sus, dar sunt de o importanță mai mică (a se vedea mai sus efectul trece-jos).

Sumele corespunzătoare pot fi derivate pentru presiunea aerului, densitatea aerului, constituenții gazului etc.

Termosfera și furtunile ionosferice

Perturbările magnetosferice , care pot fi observate la sol ca perturbări geomagnetice, variază mult mai mult decât radiația solară XUV . Sunt dificil de prezis și fluctuează de la minute la câteva zile. Reacția termosferei la o furtună magnetosferică puternică se numește furtună termosferică.

Deoarece energia este furnizată la latitudini mai mari ( mai ales în zonele aurorei), semnul al doilea termen P 2 0 în ecuația 3 modificări : Căldura este transportată din cele regiunile polare la latitudini inferioare. În plus față de acest termen, sunt implicați și alți termeni de ordin superior, dar se estompează rapid. Suma acestor termeni determină „timpul de funcționare” al perturbațiilor de la latitudini mari la mici, adică timpul de reacție al termosferei.

În același timp, se poate dezvolta o furtună ionosferică . Schimbarea în raportul densitate de azot molecule (N 2 ) la atomii de oxigen (O) este importantă pentru dezvoltarea unei astfel de perturbare ionosferice : o creștere în N 2 densitatea crește procesele de pierdere în ionosferic plasmă și prin urmare conduce la o scăderea densității electronilor în stratul F de plasmă ionosferică responsabilă ( furtună ionosferică negativă ).

literatură

  1. Klose, Brigitte; Meteorologie - O introducere interdisciplinară la fizica atmosferei ; Springer Spectrum ; Berlin, Heidelberg 2016; P. 71 ( [1] )
  2. ^ Rawer, K., "Propagarea valurilor în ionosferă", Kluwer, Dordrecht, 1993
  3. Chapman, S. și J. Bartels, „Geomagnetism”, Clarendon Press, New York, 1951
  4. ^ A b Prölss, GW, Perturbări de densitate în atmosfera superioară cauzate de disiparea energiei eoliene solare, Surv. Geophys., 32 , 101, 2011
  5. Rawer, K., Modelarea atmosferelor neutre și ionizate, în Flügge, S. (ed.): Encycl. Phys., 49/7 , Springer Verlag, Heidelberg, 223
  6. a b Hedin, AE, Un model termosferic revizuit bazat pe spectrometru de masă și date de dispersie incoerente: MSIS-83 J. Geophys. Rez., 88 , 10170, 1983
  7. Willson, RC, Măsurători ale iradianței solare totale și variabilitatea acesteia, Space Sci. Rev., 38 , 203, 1984
  8. ^ Schmidtke, G., Modelarea radiației solare pentru aplicații aeronomice, în Flügge, S. (ed.), Encycl. Fizic. 49/7 , Springer Verlag, Heidelberg, 1.
  9. Knipp, DJ, WK Tobiska și BA Emery, sursă de încălzire termosferică directă și indirectă pentru ciclurile solare, Solar Phys., 224 , 2506, 2004
  10. ^ Volland, H., "Marea atmosferică și valurile planetare", Kluwer, Dordrecht, 1988
  11. Köhnlein, W., Un model de temperatură și compoziție termosferică, Planet. Space Science. 28 , 225, 1980
  12. von Zahn, U., și colab., Model ESRO-4 al compoziției termosferice globale și al temperaturilor în timpul activității solare scăzute, Geophy. Res. Lett., 4 , 33, 1977
  13. ^ Prölss, GW, „Fizica spațiului din apropierea pământului”, Springer Verlag, Heidelberg, 2001

Link-uri web