Механизмы и закономерности диссипации атмосферы
Диссипация в атмосфере представляет собой совокупность процессов, приводящих к рассеянию, ослаблению или преобразованию механической, тепловой и кинетической энергии в виде тепловых потерь или утечек вещества. Эти процессы критически важны для понимания устойчивости атмосферы, её эволюции, теплообмена и взаимодействия с космосом. Особенно существенную роль диссипация играет в верхней атмосфере, где молекулярные и турбулентные процессы обусловливают утечку вещества в межпланетное пространство.
Диссипативные процессы возникают вследствие:
Молекулярная вязкость проявляется как сопротивление сдвиговым движениям в среде. В атмосфере она становится особенно значимой в верхних слоях — мезосфере, термосфере и экзосфере, где плотность газа мала, а средняя длина свободного пробега молекул велика.
Турбулентная вязкость, напротив, доминирует в более плотных слоях — тропосфере и стратосфере. Она обусловлена хаотическим движением воздушных масс различного масштаба и характера. В этих слоях основное рассеяние энергии происходит через турбулентные вихри, которые со временем распадаются, передавая энергию в более мелкие масштабы вплоть до молекулярного уровня, где она окончательно преобразуется в тепло.
Плотность турбулентного диссипативного потока энергии может быть описана через:
$$ \varepsilon = \nu \left( \frac{\partial u_i}{\partial x_j} \right)^2 $$
где ε — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии, ν — кинематическая вязкость, ui — компоненты скорости.
Теплопроводность — еще один важный механизм диссипации, особенно в верхней атмосфере, где перенос энергии осуществляется преимущественно молекулярным путём. Поток тепла в направлении температурного градиента вызывает выравнивание температурных различий и преобразует организованную тепловую энергию в менее упорядоченную.
Частично этот процесс уравновешивается радиационным охлаждением, когда энергия излучается в виде инфракрасного излучения, особенно активно в слоях с повышенной концентрацией CO₂ и озона. В инфракрасном диапазоне атмосфера может эффективно терять энергию, особенно в диапазоне длин волн, где она полупрозрачна.
Радиационная диссипация особенно важна в ночной стратосфере и мезосфере, где отсутствует солнечное нагревание. Это приводит к значительным суточным перепадам температуры и к динамическому ответу в виде генерации гравитационных волн и турбулентности.
Молекулярная диффузия — это процесс перераспределения компонентов газовой смеси за счёт теплового движения молекул. В нижней атмосфере преобладает турбулентное перемешивание, но начиная с мезопаузы (~80–100 км) начинается доминирование молекулярной диффузии. Здесь состав атмосферы переходит от гомосферы к гетеросфере, где концентрации компонентов подчиняются экспоненциальному закону, зависящему от молекулярной массы:
$$ n(z) \propto \exp\left(-\frac{Mgz}{RT}\right) $$
где M — молярная масса газа, g — ускорение свободного падения, z — высота, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.
Этот процесс способствует селективной утечке лёгких газов в космос, в особенности водорода и гелия. На высотах выше 500 км начинается экзосфера, где молекулы могут преодолеть гравитационное притяжение Земли и покинуть её атмосферу. Этот процесс называют джинсовским (термическим) ускользанием.
Скорость джинсовской утечки:
$$ \Phi = \frac{n_e v_{th}}{2\sqrt{\pi}} \left(1 + \frac{\lambda}{2} \right) e^{-\lambda} $$
где ne — концентрация на экзобазе, vth — тепловая скорость, λ — параметр джинсовского удержания.
Атмосфера непрерывно возмущается гравитационными, акустическими и планетарными волнами. При распространении эти возмущения передают энергию и импульс, а на определённых высотах (особенно в мезосфере и термосфере) могут диссипироваться, вызывая локальный нагрев и перемешивание.
Гравитационные волны, возникающие из-за вертикальных смещений масс в гравитационном поле, играют особенно важную роль в передаче энергии из тропосферы в верхние слои атмосферы. На больших высотах амплитуда таких волн возрастает экспоненциально, и в конечном итоге они становятся нестабильными, разрушаются и передают свою энергию окружающей среде — этот процесс называется волновой диссипацией.
Рассматриваемый механизм эффективно объясняет температурные аномалии и ветровые профили в мезопаузе и термосфере.
В верхней атмосфере, начиная с ~60–80 км, ионизация солнечным излучением и потоками заряженных частиц приводит к образованию ионосферы. Здесь к обычным диссипативным процессам добавляются электродинамические взаимодействия, включая:
Эти механизмы обеспечивают эффективную передачу энергии из магнитосферы в атмосферу в высокоширотных областях, особенно во время магнитных бурь и полярных сияний. Именно здесь наблюдается наибольший вклад в нагрев верхней атмосферы.
Солнечные вспышки, корональные выбросы массы и вариации ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца напрямую влияют на интенсивность диссипативных процессов в атмосфере. Повышенная солнечная активность усиливает ионизацию, увеличивает плотность верхней атмосферы, активирует гравитационные и акустические волны, способствует расширению экзосферы и увеличивает потери водорода и гелия в космос.
В результате наблюдаются значительные колебания плотности и температуры термосферы, вариации орбит искусственных спутников, а также усиление электродинамической связи между атмосферой и магнитосферой.
Хотя диссипативные процессы в целом маломасштабны, они играют важнейшую роль в общем энергетическом балансе атмосферы. Они обеспечивают:
Кроме того, диссипация участвует в регуляции климата через радиационные потери и утечку лёгких газов, а также через взаимодействие с солнечной и магнитосферной активностью. В условиях изменяющейся солнечной активности и антропогенного влияния, учёт этих процессов необходим для построения точных климатических и аэрономических моделей.