Мезосфера

Мезосфера — это слой атмосферы Земли, расположенный между стратосферой (ниже) и термосферой (выше). Она характеризуется понижением температуры с высотой, достигая самых низких значений в атмосфере планеты. Мезосфера простирается от высоты примерно 50–55 км до 80–90 км над уровнем моря. Верхняя граница мезосферы называется мезопаузой, за которой начинается термосфера.

Границы и физические характеристики

Нижняя граница (стратопауза)

Нижняя граница мезосферы совпадает со стратопаузой — переходным слоем между стратосферой и мезосферой. На высоте около 50–55 км температура перестаёт расти (как в стратосфере из-за поглощения ультрафиолета озоном) и начинает резко падать. Точная высота стратопаузы зависит от широты и времени года: в средних широтах она находится на высоте около 50–55 км, у экватора — на 55–60 км, в полярных регионах — на 45–50 км.

Верхняя граница (мезопауза)

Верхняя граница мезосферы — мезопауза — расположена на высоте 80–90 км. Это самый холодный участок атмосферы Земли. Температура здесь может опускаться до −90 °C (183 K) и даже ниже, вплоть до −100 °C (173 K) в летние месяцы в полярных широтах. Мезопауза является переходной зоной к термосфере, где температура снова начинает резко возрастать.

Температурный профиль

В мезосфере температура с высотой понижается в среднем на 2–3 °C на каждый километр. У стратопаузы температура составляет около 0 °C (273 K), а у мезопаузы — около −90 °C (183 K). Таким образом, перепад температур составляет примерно 90–100 °C. Это снижение объясняется отсутствием в мезосфере аэрозолей и газов, эффективно поглощающих солнечное излучение (в отличие от стратосферы с озоном и термосферы с молекулярным кислородом). Основной источник энергии в мезосфере — поглощение ультрафиолетового излучения молекулами кислорода и озона, но их концентрация здесь мала, поэтому нагрев незначителен.

Состав и давление

Химический состав мезосферы в целом аналогичен составу нижних слоёв атмосферы: азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и другие газы. Однако на высотах выше 80 км начинается диссоциация молекул кислорода и азота под действием ультрафиолетового излучения, что приводит к появлению атомарного кислорода и азота. Давление в мезосфере крайне низкое: у стратопаузы оно составляет около 1/1000 от давления на уровне моря (примерно 1 гПа), а у мезопаузы — около 1/100 000 (0,01 гПа). Плотность воздуха также экспоненциально убывает с высотой.

Явления в мезосфере

Серебристые облака

На высоте 75–85 км, вблизи мезопаузы, в летние месяцы в полярных широтах (50–70° северной и южной широты) наблюдаются серебристые облака (также известные как полярные мезосферные облака). Это самые высокие облака в атмосфере Земли. Они состоят из кристаллов льда, образующихся на частицах метеорной пыли при температурах ниже −120 °C. Серебристые облака видны в сумерках, когда Солнце находится ниже горизонта, но освещает их снизу. Они имеют характерный серебристо-голубой оттенок. Впервые описаны в 1885 году.

Метеоры и болиды

Мезосфера — основной слой, в котором сгорают метеоры. При входе в атмосферу со скоростью от 11 до 72 км/с метеорные тела (частицы размером от микрометров до метров) испытывают сильное трение о воздух, нагреваются до тысяч градусов и начинают светиться. Большинство метеоров (так называемых «падающих звёзд») сгорает на высоте 80–120 км, то есть в верхней части мезосферы и нижней термосферы. Более крупные тела (болиды) могут достигать нижних слоёв, но их свечение также начинается в мезосфере.

Полярные сияния

Хотя основная область полярных сияний находится в термосфере (выше 100 км), их нижняя граница может опускаться до 80–90 км, то есть в верхнюю часть мезосферы. В мезосфере наблюдаются преимущественно зелёные и красные линии атомарного кислорода, а также эмиссии азота. Однако из-за высокой плотности воздуха на этих высотах свечение быстро затухает.

Волны и турбулентность

В мезосфере активно распространяются атмосферные волны (гравитационные, планетарные, приливные), которые переносят энергию и импульс из нижних слоёв атмосферы. Эти волны могут вызывать значительные флуктуации температуры и ветра. Турбулентность в мезосфере, хотя и слабее, чем в тропосфере, играет важную роль в перемешивании газов и переносе тепла.

Исследование мезосферы

Методы изучения

Мезосфера труднодоступна для прямых измерений: она слишком высока для аэростатов (максимальная высота стратостатов — около 50 км) и слишком низка для спутников (минимальная высота стабильной орбиты — около 200 км). Поэтому её изучают с помощью:

• Ракет-зондов (метеорологических ракет) — запускаются на высоты до 100–150 км, измеряют температуру, давление, состав и ветер. Первые такие запуски начались в 1950-х годах.
• Лидаров (лазерных локаторов) — наземные установки, позволяющие измерять температуру, плотность и содержание аэрозолей на высотах до 100 км.
• Радаров — для изучения ветров, волн и метеорных следов (например, радары метеорного следа).
• Спутниковых измерений — спутники, оснащённые спектрометрами и радиометрами, могут получать данные о температуре, составе и облачности в мезосфере (например, приборы SABER на спутнике TIMED, MLS на спутнике Aura).
• Оптических наблюдений — фотографирование серебристых облаков, спектроскопия полярных сияний.

История исследований

• 1885 год — впервые описаны серебристые облака (Т. Бакхауз, В. Й. Б. фон Цейпель).
• 1920-е годы — начало систематических исследований верхней атмосферы с помощью радиозондов и ракет.
• 1950-е годы — запуски первых метеорологических ракет (в СССР — серия «МР-1», в США — «Nike-Cajun»).
• 1970-е годы — создание первых глобальных моделей атмосферы, включающих мезосферу.
• 2000-е годы — запуск спутника TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics) для комплексного изучения мезосферы и нижней термосферы.

Значение для климата и экологии

Мезосфера играет важную роль в глобальной циркуляции атмосферы. Через неё происходит перенос энергии и импульса из тропосферы и стратосферы в термосферу. Волны, распространяющиеся в мезосфере, влияют на ветры в нижней термосфере и ионосфере. Кроме того, мезосфера является «защитным слоем» от метеоров: без неё Земля подвергалась бы постоянной бомбардировке космической пылью и мелкими телами.

Изменения в мезосфере могут быть индикаторами глобальных климатических процессов. Например, наблюдается тенденция к понижению температуры в мезосфере и мезопаузе, что связывают с увеличением концентрации парниковых газов в нижних слоях атмосферы (охлаждение верхней атмосферы из-за усиления излучения в инфракрасном диапазоне).

Интересные факты

• В мезосфере находится самый холодный участок атмосферы Земли — мезопауза, где температура может опускаться до −100 °C.
• Серебристые облака — единственный тип облаков, который можно наблюдать в мезосфере. Они образуются только при очень низких температурах (ниже −120 °C) и наличии ядер конденсации (метеорной пыли).
• Ежегодно в атмосфере Земли сгорает около 100 тонн метеорного вещества, большая часть — в мезосфере.
• Мезосфера — наименее изученный слой атмосферы из-за труднодоступности для прямых измерений. До сих пор существуют значительные неопределённости в её температурном профиле, составе и динамике.
• В мезосфере наблюдаются так называемые «мезосферные вспышки» — кратковременные (длительностью до нескольких секунд) свечения, связанные с электрическими разрядами в верхней атмосфере (спрайты, эльфы).

Источники

• Атмосфера Земли // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1970.
• Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — М.: Изд-во МГУ, 1986.
• Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere. — 3rd ed. — Springer, 2005.
• Rees M. H. Physics and Chemistry of the Upper Atmosphere. — Cambridge University Press, 1989.
• Данные спутниковых миссий TIMED, Aura (NASA).