Верхняя атмосфера подразделяется на несколько слоёв, каждый из которых обладает уникальными физическими характеристиками. Основными слоями, расположенными выше тропосферы и стратосферы, являются мезосфера, термосфера и экзосфера. Переход от стратосферы к мезосфере происходит через стратипаузу, далее следует мезопауза, а выше — термопауза. Каждый из этих уровней определяется изменением температуры с высотой и взаимодействием с солнечным излучением.
Мезосфера простирается от 50 до 85 км над поверхностью Земли. В этом слое температура с высотой резко понижается, достигая минимумов порядка −90 °C у верхней границы — мезопаузы.
Причины охлаждения:
Мезосфера является наиболее холодным слоем атмосферы и характеризуется крайне разреженным воздухом. Здесь происходит сгорание метеоров, которые видны с поверхности как «падающие звёзды».
Термосфера располагается в диапазоне примерно от 85 до 500–1000 км. В этом слое температура с высотой возрастает, достигая значений свыше 1500 °C, однако ощущаемое тепло остаётся низким из-за крайне малой плотности воздуха.
Основные физические процессы:
Температура в термосфере не определяется привычным тепловым равновесием, а связана с кинетической энергией разреженных молекул. Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к образованию полярных сияний в высокоширотных областях.
Ионосфера представляет собой неоднородный слой ионизированного газа, существующий в пределах термосферы (примерно от 60 до 1000 км), подразделяющийся на несколько зон: D, E, F1 и F2. Она формируется в результате действия солнечного ультрафиолета и рентгеновского излучения.
Характеристики ионосферы:
В ионосфере наблюдаются такие явления, как ионные бури, влияющие на геомагнитную обстановку и нарушающие работу спутников и радиосвязь.
Экзосфера начинается приблизительно с высоты 500–1000 км и постепенно переходит в межпланетную среду. Она состоит в основном из водорода, гелия и отдельных молекул кислорода, движущихся по баллистическим траекториям.
Особенности:
Экзосфера — это область, в которой атмосферные частицы могут преодолеть гравитацию Земли и утекать в космос, особенно в периоды усиленной солнечной активности.
Верхняя атмосфера особенно чувствительна к изменениям солнечной активности, таких как солнечные вспышки и выбросы корональной массы. Эти процессы вызывают:
Солнечные циклы оказывают долговременное влияние на плотность и термодинамические параметры верхней атмосферы, что критически важно при планировании орбитальных полётов.
Верхняя атмосфера получает энергию главным образом от солнечного коротковолнового излучения, тогда как перенос тепла осуществляется через:
Эффективность радиационного охлаждения существенно снижается с высотой, что приводит к неравномерному распределению теплового поля.
Несмотря на разреженность, в верхней атмосфере действуют сложные циркуляционные системы. В термосфере доминируют:
На больших высотах важную роль играет взаимодействие с магнитосферными токами, что приводит к формированию токов Биркеланда и вариациям плотности ионосферы.
Современные орбитальные аппараты и спутники подвергаются воздействию условий верхней атмосферы:
Верхняя атмосфера также влияет на климатические модели через механизмы восходящего влияния — передача энергии, импульса и химических соединений в нижние слои атмосферы, что важно для понимания процессов глобального потепления и вариаций климата.
Исследование верхней атмосферы осуществляется с помощью:
Развитие технологий позволяет интегрировать данные в системы прогнозирования космической погоды, что критически важно для авиации, телекоммуникаций и обороны.
Основные компоненты верхней атмосферы:
Химические реакции в этих слоях включают:
Именно в верхней атмосфере происходят уникальные реакции, невозможные в более плотных слоях, что придаёт ей особое значение в общей структуре атмосферной физики.