18.1. Атмосфера как открытая система и как открытая книга

Для молекулярной физики атмосферы планет представляют уникальные объекты исследования. Это гигантские газовые тела, не имеющие материальных границ и находящиеся в неоднородных гравитационных полях и потоках солнечного и галактического излучения. Атмосферы планет являются открытыми и существенно неравновесными системами. Температура в атмосфере планеты сложным образом зависит от координат. В атмосфере происходят разнообразные физические процессы и фотохимические реакции. Поэтому к планетной атмосфере в целом распределение Больцмана не применимо, так как при его выводе предполагалось, что газ находится в состоянии термодинамического равновесия с температурой, постоянной по всему объему газовой среды.

Исходя из представления о локальном равновесии (см .13.1), можно считать, что распределение Максвелла не теряет своей справедливости в квазиравновесных подсистемах. Вследствие распределения молекул по скоростям в атмосферах планет всегда имеется некоторое количество частиц, скорость которых больше второй космической скорости, зависящей от массы планеты. Так для Земли , для Луны.Молекулы с такой скоростью способны преодолеть силу планетного притяжения, их называютубегающими молекулами. Эти молекулы находятся в «хвосте» распределения Максвелла, и их относительное число для планет с достаточно большой массой незначительно. Тем не менее, за большие промежутки времени потеря молекул является чувствительной, поскольку поток убегающих молекул постоянно пополняется за счет межмолекулярных столкновений.

Вблизи планеты относительная концентрация убегающих молекул в этом потоке очень мала. По мере удаления от планеты их относительная концентрация возрастает. На бесконечности все молекулы являются убегающими. В конце концов, планета должна потерять свою атмосферу. Время в течение которой масса атмосферы планеты убывает в е раз, называется временем рассеяния атмосферы. Приближенная оценка времени рассеяния идеализированной изотермической атмосферы для различных планет приводится в [12], согласно которой.

Изучение атмосфер планет в настоящее время ведется по трем направлениям.

Первое, традиционное направление, связанно с наземными и около земными наблюдениями объектов с использованием всеволновых телескопов и спектрометров. Анализ атомных и молекулярных спектров излучения по-прежнему является источником информации о составе и состоянии атмосферы. Основоположником этого направления по праву можно считать нашего великого соотечественника Михаила Васильевича Ломоносова. В июне 1761 года ученые всего мира с интересом наблюдали в телескоп одно из самых редких астрономических событий: прохождение Венеры по диску Солнца, но только Ломоносов обратил внимание на одну особенность этого явления. В момент вхождения планеты на диск Солнца, как и в момент схождения с него вокруг Венеры наблюдался светлый ореол – «тонкое как волос сияние» Ломоносов дал правильное научное объяснение этому феномену, считая его результатом преломления солнечных лучей в атмосфере Венеры. Так была открыта атмосфера Венеры и за сто лет до появления спектрального анализа было положено начало физическому изучению планет и их атмосфер.

Второе направление возникло сравнительно недавно. Оно базируется на измерениях физико-химический параметров атмосфер планет, получаемых с автоматических межпланетных станций (АМС), находящихся в непосредственной близости от исследуемых объектов.

В ХХ веке было проведено комплексное изучение планеты Венера с помощью советских АМС серии «Венера» (с 1961 по 1983 годы произведено 16 запусков станций) и американской АМС «Маринер - 10». Кстати, «Маринер - 10» исследовал также атмосферу Меркурия. Подытожили исследование атмосферы Венеры советские АМС «Вега-1» и «Вега-2». Программа исследования Марса была реализована на базе советских АМС серии «Марс» и американских – серии «Викинг». После чего началась программа НАСА «Вояджер». «Вояджер-1» успешно выполнил исследование Сатурна и его спутника Титана. «Вояджер-2» был направлен на самую окраину Солнечной системы к Урану и Нептуну. Как вам известно, в новом XXIвеке успешно продолжается аппаратное исследование удаленных от Земли планет и их атмосфер. В частности, имеются в виду проекты Европейского космического агентства «Галилео» и «Кассини». Несмотря на колоссальную дороговизну подобных проектов, они реализуются и в результате человечество становиться обладателем уникальной и достоверной научной информации.

Наконец, третье направление представлено компьютерным моделированием крупномасштабных неравновесных процессов в атмосферах планет Солнечной системы. В этой области так же получены интересные и очень важные результаты. С некоторыми из них, относящимися к Земной атмосфере, мы познакомимся в дальнейшем более подробно.