Кіріспе

Жер атмосферасының мезосферадан жоғары және экзосферадан төменгі қабаты – термосфера. Термосфера – Жер атмосферасының мезосферадан тікелей жоғары және экзосферадан төменгі қабаты. Атмосфераның осы қабатындағы ультракүлгін сәулелену молекулалардың фотоионизациялануына/фотодиссоциациялануына себеп болып, иондар түзетін болса, термосфера ионосфераның басым бөлігін құрайды. «Термосфера» атауы грекше «θέρμος» (термос деп айтылады) сөзінен шыққан, ол «жылу» дегенді білдіреді. Термосфера теңіз деңгейінен шамамен 80 км биіктікте басталады. Осы биіктікте атмосфералық қалдық газдар молекулалық массасы бойынша қабаттарға бөлінеді (турбосфераны қараңыз). Термосфера температурасы биіктік артумен бірге жоғары энергетикалық күн сәулесін сіңіру нәтижесінде көтеріледі. Температура күннің активтілігіне тікелей байланысты және 2000 °C (3632 °F) немесе одан да жоғары шамаға жете алады. Сәулелену осы қабаттағы атмосфералық бөлшектерді электрлендіріп, радиотолқындардың сынға ұшырауына және көкжиектен тыс қабылдануына мүмкіндік береді. Экзосфера, теңіз деңгейінен шамамен 600 км (375 миль) биіктіктен басталатын жерде, атмосфера ғарышқа айналады. Алайда, Карман сызығының (100 км) анықтамасы үшін белгіленген өлшемдерге сәйкес, термосфераның көп бөлігі ғарыш құрамына кіреді. Термосфера мен экзосфера арасындағы шекара термопауза деп аталады. Бұл қабаттағы газдың тығыздығы өте төмен болғандықтан, температура 2500 °C (4532 °F) дейін жетеді. Температураның жоғары болуына қарамастан, бақылаушы немесе объект термосферада төмен температураны сезінеді, себебі газдың өте төмен тығыздығы (іс жүзінде толық вакуум) молекулалардың жылуды өткізуі үшін жеткіліксіз. Әдеттегі термометр түнде кем дегенде 0 °C (32 °F) төмен көрсеткішті береді, өйткені жылу сәулелену арқылы жоғалған энергия атмосфералық газбен тікелей байланыс арқылы алынған энергиядан асып түседі. Анакустикалық аймақта, одан да жоғарыда, тығыздық соншалықты төмен, молекулалық өзара әрекеттесулер дыбыстың таралуына жеткіліксіз болады. Термосфера динамикасы атмосфералық толқындармен анықталады, олар негізінен күндізгі жылумен қозғалады. Атмосфералық толқындар осы деңгейден жоғары нейтральды газ бен ионосфералық плазма арасындағы соқтығысулардың нәтижесінде таралады. Термосферада адам тұрмайды, тек Халықаралық ғарыш станциясы және Тиангун ғарыш станциясы ғана Жерді термосфераның ортасында айналып өтеді.

Бейтарап газ құрамдас бөліктері

Атмосфералық аймақтарды екі температуралық минимумға сәйкес, шамамен (тропопауза) және шамамен (мезопауза) биіктіктерінде (1-сурет) бөлу ыңғайлы. Термосфера (немесе жоғарғы атмосфера) – одан жоғарыдағы биіктік аймағы, ал тропопауза мен мезопауза арасындағы аймақ – орта атмосфера (стратосфера және мезосфера), онда күннің ультракөк сәулесін сіңіру шамамен биіктікте температураның максимумын тудырады және озон қабатының пайда болуына себеп болады. Жер атмосферасының тығыздығы биіктікпен бірге экспоненциалды түрде төмендейді. Атмосфераның жалпы массасы, жер бетінен бір шаршы сантиметрлік бағана ішінде M = ρA H ≈ 1 кг/см² құрайды (мұнда ρA = 1.29 кг/м³ – z = 0 м биіктіктегі жердегі атмосфералық тығыздық, ал H ≈ 8 км – орташа атмосфералық масштаб биіктігі). Бұл массаның 80% тропосферада шоғырланған. Термосфераның массасы жалпы массаның бар болғаны 0.002% құрайды. Сондықтан термосферадан төменгі атмосфералық аймақтарға маңызды энергетикалық кері байланыс күтілмейді. Турбуленттік ағымдардың салдарынан турбопаузасы шамамен биіктігіндегі төменгі атмосфералық аймақтардағы ауа, құрамын өзгертпейтін газдардың қоспасы болып қалады. Оның орташа молекулалық салмағы 29 г/моль, ал молекулалық оттегі (O2) және азот (N2) – екі басым құрамдас бөлігі. Бірақ турбопаузадан жоғары әр түрлі құрамдас бөліктердің диффузиялық айырылуы маңызды, сондықтан әр құрамдас бөлік өзінің барометриялық биіктік құрылымын, молекулалық салмағына кері пропорционал масштаб биіктігімен сақтайды. Жеңіл құрамдас бөліктер – атомдық оттегі (O), гелий (He) және сутегі (H) шамамен биіктіктен жоғарыда бірінен соң бірі басымдыққа ие болады және географиялық орналасуына, уақытына және күннің активтілігіне байланысты өзгереді. Ионосфераның F аймағындағы электрондық тығыздықтың көрсеткіші болып табылатын N2/O қатынасы осы өзгерістерге күшті әсер етеді. Бұл өзгерістер динамикалық процестер кезінде негізгі газ компоненті арқылы кіші құрамдас бөліктердің диффузиясы нәтижесінде туындайды. Термосферада жер бетінен жоғары мезосфераның шетінде орналасқан, қалың жолақты құрайтын элементтік натрийдің айтарлықтай концентрациясы бар. Натрийдің орташа концентрациясы бір текше сантиметрге 400 000 атомды құрайды. Бұл жолақ үнемі келіп түсетін метеорлардың сублимациясы арқылы толықтырылып отырады. Астрономдар осы натрий жолағын "бағдар жұлдыздары" құру үшін, жердегі өте өткір бақылаулар жасау үшін оптикалық түзету процесінің бір бөлігі ретінде пайдалана бастады.

Күннің ХУВ сәулелері

Күннің рентген сәулелері мен 170 нм-ден төмен толқын ұзындығындағы экстремалды ультракүлгін сәулелері (XUV) термосферада дерлік толығымен сіңіріледі. Бұл сәулелену әртүрлі ионосфералық қабаттардың қалыптасуына, сондай-ақ осы биіктіктерде температураның жоғарылауына себеп болады (1-сурет). Күннің көрінетін жарығы (380-ден 780 нм-ге дейін) күн тұрақтысының шамамен 0,1%-дан аспайтын өзгеруімен салыстырмалы түрде тұрақты болса, ал күннің XUV сәулеленуі уақыт және кеңістік бойынша айтарлықтай өзгергіш. Мысалы, күн жарқылдарымен байланысты рентген сәулелерінің күштілігі ондаған минут ішінде жарқылға дейінгі деңгейден бірнеше есе артуы мүмкін. Ең жоғары ультракүлгін сәулеленуде 121,6 нм толқын ұзындығындағы Лайман α сызығы иондалу мен диссоциацияның маңызды көзі болып табылады. Күн белсенділігінің тыныш кезеңдерінде, оның өзі ғана XUV спектрінің қалған бөлігінен гөрі көбірек энергияға ие. 27 күн және 11 жылдық кезеңдермен сипатталатын, 100% немесе одан да көп шамадағы квази-периодтық өзгерістер, күннің XUV сәулеленуінің маңызды вариацияларына жатады. Дегенмен, барлық уақыт өлшемдеріндегі тұрақсыз ауытқулар үнемі болады. Күн белсенділігі төмен кезеңдерде термосфераға түсетін жалпы энергияның шамамен жартысы күннің XUV сәулеленуінен түседі. Бұл күннің XUV энергиясы тек күндізгі жарықта ғана пайда болады, тең күн мен түн кезінде экваторда максималды деңгейге жетеді.

Күн желінің

Термосфераға энергияны енгізудің екінші көзі – күн желінің энергиясы, ол толық түсінілмеген механизмдер арқылы магнитосфераға беріледі. Энергияны берудің бір мүмкін жолы – гидродинамикалық динамо процесі арқылы. Күн желінің бөлшектері магнитосфераның полярлық аймақтарына еніп, онда геомагниттік өріс сызықтары негізінен тік бағытталған. Таңнан кешке қарай бағытталған электр өрісі пайда болады. Жабық геомагниттік өріс сызықтарының ұштары жарық аймақтарында орналасқан жерлерде, өріс бойымен электр тоқтары ионосфералық динамо аймағына ағып, Педерсен және Холл тоқтарымен жабылуы мүмкін. Педерсен тоқтарының кедергілік шығындары төменгі термосфераны қыздырады (мысалы, Магнитосфералық электр конвекциялық өрісін қараңыз). Сонымен қатар, магнитосферадан жарық аймақтарына жоғары энергетикалық бөлшектердің енуі электр өткізгіштігін күрт арттырады, электр тоқтарын одан әрі күшейтеді, демек, Джоульдік қыздыруды арттырады. Магнитосфера тыныш күйде болғанда, термосфераның энергия бюджетіне шамамен төрттен бір бөлігін қосады. Бұл экзосфералық температураның шамамен 250 К-қа тең. Дегенмен, өте жоғары белсенділік кезінде бұл жылу ағыны төрт есе немесе одан да көп арттыруы мүмкін. Күн желінің әсері күндіз де, түнде де негізінен жарық аймақтарында байқалады.

Атмосфералық толқындар

Атмосфераның төменгі қабатында екі түрлі ірі масштабты атмосфералық толқын бар: толқын энергиясын жоғары қарай тасымалдай алатын шекті тік толқын ұзындығы бар ішкі толқындар, және толқын энергиясын тасымалдай алмайтын шексіз үлкен толқын ұзындығы бар сыртқы толқындар. Атмосфералық гравитациялық толқындар және тропосферада пайда болатын атмосфералық ағындардың көп бөлігі ішкі толқындарға жатады. Олардың тығыздық амплитудасы биіктікпен бірге экспоненциалды түрде артады, сондықтан мезопаузада бұл толқындар турбулентті болып, энергиясын жоғалтады (теңіз толқындарының жағада сынға ұшырауы сияқты), осылайша термосфераның шамамен 250 К-қа дейін жылуына себеп болады. Ал күндізгі негізгі ағын (1, −2) күн сәулесінің әсерінен тиімді түрде қозғалатын сыртқы толқын болып табылады және төменгі және орта атмосферада маргиналды рөл атқарады. Дегенмен, термосфера биіктігінде ол басым толқынға айналады. Ол 100-200 км биіктіктегі ионосфералық динамо аймағында электрлік Sq тогын тудырады. Жылу, көбінесе ағын толқындарының әсерінен, негізінен төменгі және орта ендіктерде жүзеге асады. Бұл жылудың өзгеруі тропосфера мен орта атмосферадағы метеорологиялық жағдайларға байланысты және шамамен 50%-дан аспауы мүмкін.

Термосфералық дауылдар

Күннің ХУВ сәулесінен өзгеше, жер бетіндегі геомагниттік өзгерістер арқылы білінетін магнит сферасының бұзылыстары, бірнеше сағаттық қысқа мерзімдік дүрбелеңдерден бастап, бірнеше күндік алып дауылдарға дейін болжай алмайтын импульстік сипат көрсетеді. Термосфераның үлкен магнитосфералық дауылға реакциясы термосфералық дауыл деп аталады. Термосфераға жылудың түсуі жоғары ендіктерде (көбінесе полярлық шамдар аймағында) болатындықтан, жылу тасымалы теңдеуде (3) көрсетілген P20 шарттарымен кері пропорционалды болады. Сонымен қатар, бұзылыстың импульстік табиғатына байланысты, жоғары ретті шарттар пайда болады, бірақ олардың ыдырау уақыты қысқа болғандықтан, тез жоғалады. Бұл режимдердің жиынтығы бұзылыстың төменгі ендіктерге дейінгі "саяхат уақытын" және, демек, термосфераның магнитосфералық бұзылысқа жауап беру уақытын анықтайды. Иондық қабат дауылдарының дамуы үшін маңыздысы – орта және жоғары ендіктерде термосфералық дауыл кезінде N2/O қатынасының артуы. N2 мөлшерінің өсуі иондық плазманың жоғалу процесін күшейтеді, соның салдарынан иондық қабаттың F қабатындағы электрон тығыздығы төмендейді (теріс иондық қабат дауылдары).

Климаттың өзгеруі

Термосфераның ықшамдалуы, көмірқышқыл газы концентрациясының артуының нәтижесі болуы мүмкін, осыған байланысты ең күшті салқындану мен ықшамдалу күн активтілігінің ең төменгі шегінде осы қабатта байқалды. 2008–2009 жылдардағы соңғы ықшамдалу кем дегенде 1967 жылдан бері тіркелген ең ірі ықшамдалу болды.