Physics of auroral phenomena : proceedings of the 39th annual seminar, Apatity, 29 February-4 March, 2016 / [ed. board: N. V. Semenova, A. G. Yahnin]. - Апатиты : Издательство Кольского научного центра РАН, 2016. - 167 с. : ил., табл.

"Physics o f Auroral Phenom ena”, Proc. XXXIX Annual Sem inar, A patity, pp. 142-145, 2 0 1 6 © Polar G eophysical Institute, 2016 Polar Geophysical Institute СРЕДНЯЯ И ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ: СЛОИ ХОЛОДА И ВЫСОКИЕ ОБЛАКА О .С. У гол ьн ико в1, И.А. М аслов1, Б.В. Козелов2, В.И. Кириллов2 1И нст ит ут космических исследований РАН, г. М осква 2П олярны й геоф изический институт , г. А пат иты e-mail: ougolnikov@ gmail.com А н н о т а ц и я . В статье рассматривается общая температурная структура атмосферы Земли. Отмечаются условия появления различных типов атмосферного аэрозоля в средней и верхней атмосфере: вулканический аэрозоль, перламутровые и серебристые облака. Экспериментальной основой работы являются измерения поляризации рассеяния на частицах вулканического аэрозоля под углом около 90° (после извержения вулкана Рабаул в 2006 г.) и рассеяния на частицах серебристых облаков в широком диапазоне углов (несколько случаев появления ярких облаков в 2014 и 2015 годах в средних и северных широтах). На основе этих измерений делается оценка характерных размеров частиц аэрозоля. Атмосфера Земли представляет собой сложную физико-химическую систему, характеристики которой существенно зависят от высоты над поверхностью Земли. Известное всем разделение на основные слои (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера) определяется зависимостью температуры от высоты, которая характеризуется несколькими максимумами и минимумами. Общие закономерности изменения температуры в атмосфере Земли с высотой можно качественно объяснить взаимодействием коротковолнового солнечного излучения с различными модификациями одной химической составляющей - кислорода. Молекулярный кислород 0 2 занимает второе место по населенности в земной атмосфере после молекулярного азота (N2), но значительно превосходит азот по коэффициенту поглощения ультрафиолетовой радиации в спектральном диапазоне 100-240 нм. Его зависимость от длины волны приведена на рис. 1. По нему же можно судить о высотах над поверхностью Земли, где происходит поглощение того или иного излучения. Солнечная радиация с длиной волны менее 180 нм поглощается в высоких слоях атмосферы (100 км и выше), в существенной степени нагревая эти слои. Более мягкий ультрафиолет (до 240 нм) достигает высот порядка 30 км. Его недостаточно для нагрева этих слоев вследствие их большой плотности. Однако, поглощение приводит к диссоциации некоторого количества молекул кислорода. Образующиеся атомы кислорода соединяются с другими молекулами, образуя озон ( 0 3). Несмотря на свою небольшую концентрацию (около 10-5 от концентрации кислорода в стратосфере), озон полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию до длин волн около 310 нм, что вызывает существенный прогрев верхней стратосферы. Высотная зависимость суммарного эффекта радиационного нагрева также показана на рис. 1, на ней четко видны два максимума. На рис. 2 показаны распределение температуры [Marsh, 2005] и линии тока атмосферного воздуха [Garcia, Solomon, 1983] на разных высотах и широтах. Хорошо видны положения двух минимумов температуры (тропопауза и мезопауза) и ее максимума (стратопауза). Их высоты зависят от широты и сезона года. Так, наиболее глубокий температурный минимум в стратосфере наблюдается зимой в полярных широтах и вблизи экватора, а в мезосфере, как ни странно, летом, причем летняя мезосфера оказывается самым холодным местом всей Земли! Причина столь необычного температурного распределения кроется в особенностях переноса воздушных масс. Минимумы температуры в экваториальной тропосфере и летней полярной мезосфере располагаются над областями поднимающихся воздушных масс, которые подвергаются быстрому (в случае мезосферы - адиабатическому) выхолаживанию. В результате, в июне и июле на широтах севернее +50° (в декабре и январе южнее -50°) температура может упасть ниже 150 К. что при относительном содержании водяного пара в 3 1 0 ^ (по объему) на высоте 80-85 км соответствует температуре его насыщения (кристаллизации). Так возникают серебристые облака - самые высокие в атмосфере Земли. Серебристые облака могут быть видны в сумерки, при погружении Солнца под горизонт от 5° до 10°. В это время верхняя мезосфера еще освещена Солнцем, в то время как более низкие и плотные слои атмосферы уже погружаются в тень Земли. Характеристики частиц, составляющих облака, могут быть получены на основе анализа рассеянного солнечного излучения. Особенно информативными являются поляризационные измерения, так как поляризация рассеянного излучения сильно зависит от размера частиц. Для увеличения точности эти измерения должны охватывать как можно больший диапазон углов рассеяния, что удается сделать редко: серебристые облака обычно бывают видны только на фоне зари. 142