Солнце
<<  Строение атмосферы Солнца Свет и затмения  >>
Лекция 5: Верхняя атмосфера в движении
Лекция 5: Верхняя атмосфера в движении
§1
§1
На ионосферных высотах атмосфера – это химически активная среда,
На ионосферных высотах атмосфера – это химически активная среда,
– находится в континууме Ш-Р
– находится в континууме Ш-Р
Интегрально, в ЭУФ диапазоне поток энергии I = 2 эрг/см2с
Интегрально, в ЭУФ диапазоне поток энергии I = 2 эрг/см2с
Уравнение теплового баланса в гидродинамике
Уравнение теплового баланса в гидродинамике
Уравнение теплового баланса в гидродинамике
Уравнение теплового баланса в гидродинамике
Функция нагрева атмосферы
Функция нагрева атмосферы
Тут штука в том, что авроральные частицы греют атмосферу аналогично
Тут штука в том, что авроральные частицы греют атмосферу аналогично
§2
§2
Эмпирические модели термосферы
Эмпирические модели термосферы
Среднее – суперротация атмосферы
Среднее – суперротация атмосферы
Усреднённая по долготе (по местному времени) меридиональная циркуляция
Усреднённая по долготе (по местному времени) меридиональная циркуляция
§3
§3
В верхней атмосфере амплитуды регулярных (суточных, сезонных,
В верхней атмосфере амплитуды регулярных (суточных, сезонных,
Во-вторых, на регулярные вариации параметров атмосферы накладываются
Во-вторых, на регулярные вариации параметров атмосферы накладываются
§4
§4
Базовая теория зиждется на представлении, что в экзосфере молекулы
Базовая теория зиждется на представлении, что в экзосфере молекулы
Распределение Максвелла по вертикальной скорости:
Распределение Максвелла по вертикальной скорости:
Строгую теорию этого вопроса см
Строгую теорию этого вопроса см
Против классической теории можно привести более серьёзное возражение
Против классической теории можно привести более серьёзное возражение
§5
§5
Пойдём простым логическим ходом
Пойдём простым логическим ходом
Условие возможности/невозможности гидростатического равновесия
Условие возможности/невозможности гидростатического равновесия
Странно всё это
Странно всё это
Мораль
Мораль
Полярный, звёздный, солнечный ветер (качественно)
Полярный, звёздный, солнечный ветер (качественно)
To be continued
To be continued

Презентация на тему: «Верхняя атмосфера в движении». Автор: Kosmos_2. Файл: «Верхняя атмосфера в движении.ppt». Размер zip-архива: 3047 КБ.

Верхняя атмосфера в движении

содержание презентации «Верхняя атмосфера в движении.ppt»
СлайдТекст
1 Лекция 5: Верхняя атмосфера в движении

Лекция 5: Верхняя атмосфера в движении

2 §1

§1

Фотохимия и энергетический баланс термосферы.

3 На ионосферных высотах атмосфера – это химически активная среда,

На ионосферных высотах атмосфера – это химически активная среда,

находящаяся под агрессивным воздействием солнечного КВ излучения (рентген, экстремальный УФ, УФ), а также энергичных частиц (электронов и ионов), высыпающихся из магнитосферы. Посему физика верхней атмосферы называется ещё «аэрономия», что означает – наука об атмосферных микропроцессах. Термин ввёл в обиход в 1961 г. бельгийский метеоролог М. Николе.

4 – находится в континууме Ш-Р

– находится в континууме Ш-Р

– в экстремальном УФ

Под действием солнечной радиации происходит множество хим. реакций, например, с участием кислорода (т.н. реакции Чепмена):

Важно, что в отличие от N рекомбинация О идёт очень медленно.

Ниже 80 км воздух почти целиком состоит из молекул: N2 – 78% и О2 – 21% (1% – малые компоненты). Выше 80 км происходит 1) разделение компонент по индивид. барометрическим законам, 2) интенсивная фотодиссоциация молекул. N бодро рекомбинирует обратно в N2. Кислород нет, термосфера наполняется О.

5 Интегрально, в ЭУФ диапазоне поток энергии I = 2 эрг/см2с

Интегрально, в ЭУФ диапазоне поток энергии I = 2 эрг/см2с

Из них Локальный нагрев: 30-40% Энергия рекомбинации О, транспортируемая к 90 км: 20% УФ гало, излучение в космос 40-50 %

В континууме Шумана-Рунге поток энергии I = 15 эрг/см2с. Из них Локальный нагрев: 33% Энергия рекомбинации О, транспортируемая к 90 км: 66%

Эуф

Шр

6 Уравнение теплового баланса в гидродинамике

Уравнение теплового баланса в гидродинамике

Рассмотрим элементарный объём среды (жидкую точку). Масса элементарного объёма = M, объём «элементарного объёма» = V (не путать со скоростью). Применим к нему первое начало термодинамики:

В нашем случае ?Q = нагрев УФ излучением (типа функция Чепмена) минус потери тепла из-за теплопроводности. Далее стандартный для этой науки формализм:

Займёмся работой ?A = pdV. Тут красивейший оборот:

Т.Е., Дивергенция скорости = темп относительного изменения элементарного объёма!

Тогда первое начало термодинамики для жидкой точки принимает вид:

Теплоёмкость ед. Массы

7 Уравнение теплового баланса в гидродинамике

Уравнение теплового баланса в гидродинамике

Примеры:

Нагрев (охлаждение) из-за сжатия (расширения) среды

Функция теплового источника (слой Чепмена) – плотность потока тепла

Теплопроводность

1) Атмосфера неподвижная и греется. Теплопроводности нет. Тогда

– нагрев, в смысле изменения Т, максимален при

2) Атмосфера в стационарном равновесии

3) А что в стратосфере? Там поглощает только озон, в то время как греются все сорта газов вместе:

8 Функция нагрева атмосферы

Функция нагрева атмосферы

Солнечное излучение

В результате получается такое распределение Т (ср. по широте):

Нагрев в полярных сияниях

(<I> = 2 эрг/см2с в ЭУФ)

<I> = 0.1 эрг/см2с при спокойных условиях, I ~ 1 эрг/см2с в геомагнитных бурях, imax ~ 10 эрг/см2с в локальных областях

9 Тут штука в том, что авроральные частицы греют атмосферу аналогично

Тут штука в том, что авроральные частицы греют атмосферу аналогично

фотонам. Но энергии авроральных электронов (кэВ-ы) гораздо больше, чем УФ фотонов (эВ-ы). Это серьёзно! С другой стороны, энерговыделение от высыпающихся частиц сосредоточено только в авроральных овалах.

Вклад полярных сияний в глобальный энергетический баланс верхней атмосферы

10 §2

§2

Динамическая структура термосферы.

11 Эмпирические модели термосферы

Эмпирические модели термосферы

Суточные вариации Т – десятки % (на поверхности Земли – единицы %)

По наблюдениям за торможением спутников были созданы эмпирические модели термосферы: 2D и 3D распределения ? и Т. На этой основе многие авторы рассчитывали (по заданному распределению ? и Т) картину движения атмосферы (картину ветров).

Запаздывание отклика атмосферы (нагрева и охлаждения) на 4-5 час

12 Среднее – суперротация атмосферы

Среднее – суперротация атмосферы

Уравнение движения (гор. компонента):

Супер- ротация

Вид Земли с северного полюса «сверху»

Солнечный прилив в атмосфере: горизонтальная компонента скорости на высоте 320 км. Vmax ~ 200 м/c. Это расчет!

А это наблюдение по торможению спутников

Подсолнечная точка

Вечер

Утро

Роль вязкости – выше 300 км вертикальный слой атмосферы движется как целое, без шира скорости. Роль столкновений с ионами – ночью, когда ионов мало, ионное трение меньше чем днём. Отсюда возникает суперротация атмосферы.

13 Усреднённая по долготе (по местному времени) меридиональная циркуляция

Усреднённая по долготе (по местному времени) меридиональная циркуляция

Летнее солнцестояние

Равноденствие

Спокойная магн. активность

Средняя

Высокая

Эта структура – ячейки термической циркуляции – не видна на фоне солнечного прилива и выявляется только в результате суточного усреднения глобальной картины. При этом скорости ветров меридиональной циркуляции – десятки м/с – в несколько раз меньше, чем у солнечного прилива. Выше ~ 200 км авроральный источник конкурирует с солнечным.

14 §3

§3

Изменчивость термосферы.

15 В верхней атмосфере амплитуды регулярных (суточных, сезонных,

В верхней атмосфере амплитуды регулярных (суточных, сезонных,

солнечного цикла) вариаций Т составляют десятки процентов, ? – сотни процентов (сильно зависит от высоты).

Поэтому бессмысленно говорить о параметрах космической среды вообще, только при конкретных условиях – где и когда. Ответ на этот вызов дают модели атмосферы, ионосферы и магнитосферы (которые бывают эмпирические, полуэмпирические, теоретические). Входными параметрами моделей являются: широта, долгота, высота, время, параметр солнечной активности. Но даже это грубо.

16 Во-вторых, на регулярные вариации параметров атмосферы накладываются

Во-вторых, на регулярные вариации параметров атмосферы накладываются

сильные спорадические вариации, в основном, динамической природы (колебания, вихри, ветра). Мгновенные распределения атмосферно-ионосферных параметров, взятые из моделей, фактически никогда не реализуются. Модельные распределения являются средними. Возникает философский и практический вопрос: что есть стационарное состояние, а что есть возмущение?

Ход атмосферных параметров на орбитальном витке “Dynamics Explorer 2”

17 §4

§4

Диссипация экзосферы, классический подход.

18 Базовая теория зиждется на представлении, что в экзосфере молекулы

Базовая теория зиждется на представлении, что в экзосфере молекулы

летают без столкновений по индивидуальным траекториям, как камни, и некоторые из них улетают «в бесконечность».

Тут важны такие моменты: 1) В распределении Максвелла по скоростям всегда есть молекулы со скоростью больше второй космической:

2) Выше 500-600 км столкновений между нейтралами нет (т.е., столкновения не препятствуют убеганию).

19 Распределение Максвелла по вертикальной скорости:

Распределение Максвелла по вертикальной скорости:

Поток частиц вверх:

Проблема состоит в невозможности определить этот параметр с необходимой точностью. Погрешность получается:

При неточности знания температуры на экзобазе ~ 10%, погрешность времени улетучивания атмосферы составляет: для водорода ~ 100 %, для тяжёлых газов – смешное число раз!

20 Строгую теорию этого вопроса см

Строгую теорию этого вопроса см

, например, у Сивухина (т.2, §79). Строгость состоит в точном вычислении величин, которые точно вычислять не имеет смысла. Более того, теория диссипации экзосферы выглядит довольно-таки умозрительно. Потому что не основывается на конкретных экспериментальных данных (о том, что молекулы в экзосфере летают по Кеплеровским траекториям) и в своих существенных деталях не проверяется. Классическая теория правильно объясняет сам факт наличия/отсутствия атмосфер больших/маленьких планет (Земля, Венера, …/Луна, Меркурий, …). В случае Земли ещё и факт отсутствия первичной (водородной) атмосферы. Но этого недостаточно Существуют и другие согласующиеся с этими фактами теории.

21 Против классической теории можно привести более серьёзное возражение

Против классической теории можно привести более серьёзное возражение

На магнитосферных высотах атмосфера Земли почти полностью ионизирована. А движение плазменной атмосферы – движение снова коллективное, «квазигидродинамическое». Современная теория первоначально была разработана для солнечного ветра (E.N.Parker, 1958). Потом концепция Паркера была перенесена на атмосферы других звёзд (звёздный ветер) и планет (полярный ветер) Чтобы понять нижеследующую теорию, надо обязательно увидеть солнечный ветер как он есть. См. анимацию по данным солнечного телескопа SOHO: http://sohowww.nascom.nasa.gov/

22 §5

§5

Солнечный и полярный ветер.

23 Пойдём простым логическим ходом

Пойдём простым логическим ходом

Пойдём вместе! 1) На минутку вообразим, что гравитации не существует. Тогда атмосфера под действием теплового давления будет непрерывно расширяться (в вакуум), с ускорением! 2) Включим гравитацию. Сначала рассмотрим плоскую Землю (по Т. Пратчетту). В планарной атмосфере установится барометрическое равновесие:

3) И, наконец, рассмотрим 3D. Барометрическая формула принимает вид:

24 Условие возможности/невозможности гидростатического равновесия

Условие возможности/невозможности гидростатического равновесия

атмосферы при T = T(r)

Почему так?

2) Случай ? > 1: Это – правильная конечная атмосфера

Решим уравнение гидростатического равновесия в сферической геометрии:

Чтобы исследовать этот интеграл зададим модельный ход температуры:

25 Странно всё это

Странно всё это

Нас учили, что межзвёздная среда конденсируется под действием гравитации. А получилось, что всё зависит от асимптотического хода температуры T = T(r): если T быстро уменьшается, то гравитация удерживает газовое облако, если T падает недостаточно быстро (или совсем не падает), то аккреция вещества не происходит! Интуитивно, условие эффективного удержания атмосферы гравитационным полем – это когда тепловая скорость частиц много меньше скорости убегания. Исследуем это:

Случай 1 это когда кривые Vm и Vesc пересекаются. Тепловая скорость становится при rc больше скорости убегания, атмосфера за критической сферой расширяется, что «отсасывает» атмосферу изнутри сферы.

26 Мораль

Мораль

На больших расстояниях от центра гравитации частицы убегают не потому, что они такие быстрые, а потому что там становится мала скорость убегания (при r ? ?: сколь угодно мала!). (Другое дело, что убегающих частиц экспоненциально мало, мы исследуем эффекты «в хвосте» барометрического распределения.) Но важен сам факт – чтобы сбалансировать расширение атмосферы гравитацией надо атмосферу заморозить. И чем дальше от центра, тем сильнее. Тепловое расширение солнечной атмосферы, которую не удерживает гравитация, порождает «солнечный ветер» – сверхзвуковой поток солнечной плазмы. То же для атмосфер других звёзд называется «звёздный ветер». Аналогичное истечение плазмы планетных магнитосфер (вдоль открытых силовых линий магнитного поля) – «полярный ветер».

27 Полярный, звёздный, солнечный ветер (качественно)

Полярный, звёздный, солнечный ветер (качественно)

При том различие с теорией диссипации экзосфер кардинальное: Экзосферные молекулы убегают с торможением (гравитационным полем). Как брошенные вверх камни; Поток солнечного ветра убегает наоборот с ускорением, вызванным направленным наружу тепловым давлением атмосферы.

rc

Убегание атмосферы возникает из-за невозможности гидростатического равновесия в гравитационном поле. Базовая модель солнечного ветра (Паркер, 1958) описывает стационарное расширение солнечной атмосферы, динамика солнечного ветра аналогична картине ускорения газа в сопле. Уравнение движения для с. ветра, в принципе, является вариантом уравнения Бернулли.

Полярный ветер в магнитосфере Земли

28 To be continued

To be continued

«Верхняя атмосфера в движении»
http://900igr.net/prezentacija/astronomija/verkhnjaja-atmosfera-v-dvizhenii-94883.html
cсылка на страницу

Солнце

20 презентаций о солнце
Урок

Астрономия

26 тем
Слайды
900igr.net > Презентации по астрономии > Солнце > Верхняя атмосфера в движении