Термосфера

Термосфера — это слой атмосферы Земли, расположенный между мезосферой и экзосферой, характеризующийся резким повышением температуры с высотой. Она является одним из верхних слоёв атмосферы, где температура воздуха может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, однако из-за крайне низкой плотности вещества это тепло не ощущается как нагрев. Термосфера играет ключевую роль в распространении радиоволн, защите планеты от космического излучения и взаимодействии с солнечным ветром.

Границы и физические характеристики

Термосфера начинается на высоте примерно 80–85 км над поверхностью Земли (верхняя граница мезосферы, называемая мезопаузой) и простирается до высоты около 600–800 км, где постепенно переходит в экзосферу. Верхняя граница термосферы не имеет чёткой фиксации и зависит от солнечной активности: в периоды максимума солнечной активности она может подниматься до 1000 км и выше.

Основной физической особенностью термосферы является монотонный рост температуры с высотой. На нижней границе (мезопауза) температура составляет около −90 °C (183 К). С подъёмом она быстро увеличивается, достигая на высотах 200–300 км значений порядка 500–1500 °C, а на высотах свыше 500 км — до 2000–3000 °C. Такой нагрев обусловлен поглощением коротковолнового солнечного излучения (ультрафиолетового и рентгеновского) молекулами и атомами газов, в первую очередь кислорода и азота. При этом плотность воздуха в термосфере чрезвычайно мала: на высоте 200 км она составляет около 10⁻⁹ кг/м³ (примерно в миллиард раз меньше, чем у поверхности Земли), а на высоте 600 км — порядка 10⁻¹² кг/м³.

Из-за низкой плотности понятие «температура» в термосфере отличается от привычного. Температура здесь характеризует среднюю кинетическую энергию частиц (атомов и молекул), которые движутся с огромными скоростями, но сталкиваются крайне редко. Поэтому объект, помещённый в термосферу (например, космический аппарат), не нагревается до таких высоких температур — теплообмен с разреженной средой минимален.

Состав и ионизация

Состав термосферы существенно отличается от нижних слоёв атмосферы. На высотах от 80 до 200 км преобладают молекулярный азот (N₂) и молекулярный кислород (O₂), а также атомарный кислород (O). Выше 200 км основным компонентом становится атомарный кислород, а на высотах свыше 600 км — гелий (He) и водород (H). Тяжёлые газы, такие как аргон и углекислый газ, в термосфере практически отсутствуют из-за гравитационной сепарации.

Ключевым процессом в термосфере является ионизация — отрыв электронов от атомов и молекул под действием солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также корпускулярного излучения (потоков заряженных частиц от Солнца). В результате образуются ионы и свободные электроны, формирующие ионосферу — область, которая является частью термосферы (и частично мезосферы). Ионосфера делится на несколько слоёв: D (60–90 км), E (90–150 км), F1 (150–200 км) и F2 (200–600 км). Слой F2 наиболее плотный и играет решающую роль в отражении коротких радиоволн.

Влияние солнечной активности

Состояние термосферы сильно зависит от солнечной активности, которая изменяется с 11-летним циклом. В периоды солнечного максимума увеличивается поток ультрафиолетового и рентгеновского излучения, что приводит к росту температуры и расширению термосферы: её верхняя граница поднимается, а плотность на фиксированных высотах возрастает. В периоды солнечного минимума, наоборот, термосфера сжимается, и плотность падает.

Солнечные вспышки и корональные выбросы массы вызывают резкие возмущения в термосфере — так называемые ионосферные бури. Они сопровождаются усилением ионизации, ростом температуры и плотности, что может нарушать радиосвязь и работу спутников. Кроме того, во время геомагнитных бурь в термосфере возникают полярные сияния — свечение верхних слоёв атмосферы, вызванное взаимодействием заряженных частиц солнечного ветра с атомами и молекулами газов.

Значение для радиосвязи и навигации

Ионосфера, расположенная в термосфере, обладает способностью отражать радиоволны коротковолнового диапазона (от 3 до 30 МГц). Благодаря этому возможна радиосвязь на большие расстояния, в том числе межконтинентальная, без использования спутников. Радиоволны, направленные под углом к горизонту, отражаются от ионизированных слоёв и возвращаются на Землю за тысячи километров от передатчика.

Однако ионосфера нестабильна: её свойства меняются в течение суток, по сезонам и в зависимости от солнечной активности. Ночью слой D исчезает, и радиоволны могут отражаться от более высоких слоёв E и F, что улучшает дальнюю связь. Днём, напротив, слой D поглощает волны, снижая качество связи. Современные системы спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС) и связи (в том числе мобильной) учитывают влияние ионосферы, так как её неоднородности вызывают задержки и искажения сигналов.

Влияние на космические аппараты

Термосфера оказывает существенное воздействие на спутники и другие космические объекты, движущиеся на низких околоземных орбитах (до 2000 км). Основной эффект — аэродинамическое торможение, вызванное столкновением с разреженными частицами атмосферы. Хотя плотность мала, на высоких скоростях (около 7–8 км/с) торможение становится значительным и приводит к постепенному снижению орбиты. Без коррекции спутник может войти в плотные слои атмосферы и сгореть.

В периоды повышенной солнечной активности плотность термосферы возрастает, и торможение усиливается. Это требует более частых манёвров коррекции орбиты для поддержания заданной высоты. Например, Международная космическая станция (МКС), находящаяся на высоте около 400 км, регулярно корректирует орбиту из-за торможения в термосфере. Кроме того, высокая температура в термосфере может вызывать нагрев внешних поверхностей спутников, но из-за низкой плотности этот эффект менее значителен, чем прямое солнечное излучение.

Исследование термосферы

Изучение термосферы началось в середине XX века с запуском первых ракет и спутников. Основные методы исследования включают:

• Ракетное зондирование — запуск геофизических ракет (например, «МР-12», «МР-20» в СССР) для прямых измерений температуры, плотности и состава на высотах до 200–300 км.
• Спутниковые измерения — использование спутников, таких как «TIMED» (NASA), «CHAMP» (Германия), «Swarm» (ЕКА), для глобального мониторинга плотности, температуры и ионизации.
• Наземные наблюдения — радиолокационные и оптические методы, включая радары некогерентного рассеяния (например, в обсерватории Аресибо, Пуэрто-Рико) и лидары.
• Моделирование — построение численных моделей термосферы, таких как MSIS (Mass Spectrometer Incoherent Scatter) и IRI (International Reference Ionosphere), которые используются для прогнозирования состояния верхней атмосферы.

В России исследования термосферы проводятся в Институте космических исследований РАН, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН, а также в рамках программы «Ионосфера» (запуск спутников «Ионосфера-М»).

Интересные факты

• В термосфере наблюдаются самые высокие температуры в атмосфере Земли — до 3000 °C, однако из-за крайне низкой плотности космонавт, оказавшийся в термосфере без скафандра, не сгорел бы, а погиб бы от удушья и переохлаждения (теплоотдача в вакуум происходит медленно).
• Полярные сияния, которые можно наблюдать в приполярных областях, возникают именно в термосфере на высотах 100–500 км.
• Слой F2 ионосферы, расположенный в термосфере, является наиболее стабильным и обеспечивает отражение радиоволн на расстояния до 4000 км за один «скачок».
• Во время геомагнитных бурь плотность термосферы на высоте 400 км может возрастать в 10–20 раз, что резко увеличивает торможение спутников.

Источники

• Атмосфера Земли: физические свойства и процессы. — М.: Наука, 1985.
• Хвостиков И. А. Физика верхней атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
• Брасье Г., Соломон С. Аэрономия верхней атмосферы. — М.: Мир, 1987.
• Кринберг И. А. Термосфера и её влияние на космические аппараты. — Новосибирск: Наука, 1984.
• Данные Международной справочной модели ионосферы (IRI) и модели MSIS.